半導體設備預測性維修技術的運用探究

摘要：在半導體生產制造中，設備的故障診斷與維護是一個重要環節，其影響因素眾多，例如工藝、設備、環境等。有研究表明，設備故障的95%～100%發生在生產運行中，只有5%～15%發生在設備運行前。可見，設備故障具有突發性，對生產影響極大。 預測性維修技術的核心是通過監測、診斷、評估等手段獲取設備的狀態信息，以避免或減少設備故障帶來的損失。實施預測性維修技術可以在不影響正常生產的前提下對設備進行維護保養，從而使設備保持最佳的工作狀態，延長使用壽命。在半導體生產制造過程中，預測性維修技術具有廣泛的應用前景。

關鍵詞：半導體設備；預測性；維修技術

一、引言

半導體設備的預測性維修（Predicted Maintenance， PdM）是一種利用設備的實時監測數據進行預測，并據此采取維修措施的技術。利用故障診斷技術（如：故障樹分析法）和對設備運行數據的深入分析，提前發現潛在故障，預測性維修（MPM）能夠避免由于設備故障而造成的巨大經濟損失。預測性維修（MPM）技術被廣泛應用于機械、航空航天、汽車、電子、化工、核電等眾多行業，該技術對于半導體設備的維護同樣具有重要意義。

二、相關概念分析

（一）半導體設備

半導體設備預測性維修可以提高半導體設備的可靠性，減少維修次數，減少停機時間，并減少維修成本。預測性維修的核心是在設備使用期間通過技術和科學方法預測設備故障發生的時間。它是一種主動式的維護策略，基于對設備運行數據的分析，以最大限度地提高設備壽命。半導體設備預測性維修，也稱“預防性維修”或“預知性維修”，是一種能提前預測設備故障，在故障發生之前進行維修的理念。在半導體設備領域，設備故障率較高，設備在運行過程中會發生各種故障，一旦發生故障便可能導致生產中斷或停機，造成巨大的經濟損失。在半導體設備中，很多設備的維護保養周期較長，如內存、 GPU等。如果這些設備出現故障，將影響芯片產品的正常生產，造成巨大的經濟損失。半導體設備維修費用高、效率低、維護難度大等問題，嚴重制約了半導體產業的發展。因此，有效地進行預測性維修研究已成為我國半導體產業中的一個重要課題[1]。

（二）預測性維修

預測性維修的特點是在故障發生之前進行維修，如果能夠在故障產生之前及時發現并修復，就能夠極大地減少損失。預防性維修在國外已經廣泛應用于工業設備領域和電力系統中。國外預測性維修的典型應用是日本豐田汽車公司，早在20世紀80年代初就提出了預測性維修思想和概念。豐田公司開發了一種新型的汽車診斷系統（CAM：Control Automation Management）。CAM系統能對汽車行駛中的各種狀態進行實時監測和診斷，從而采取相應措施避免汽車在行駛中發生碰撞等危險情況。日本豐田公司預測性維修的具體做法是：利用對車輛運行數據進行采集和分析，掌握車輛的運行狀況和性能參數；當車輛出現故障時，將故障信息及時地傳遞到維修人員手中。

三、半導體設備性能穩定對半導體芯片的影響

半導體設備性能穩定的重要性不言而喻，首先半導體設備的核心部件是芯片，芯片是由成千上萬個晶體管組成的，晶體管的制作過程包括光刻、刻蝕、離子注入等工藝，其中光刻工藝是最難也最復雜的工藝，從光刻設備到半導體制造設備都具有極高的技術要求，而光刻設備也被稱為“最難”的工藝之一，光刻設備在生產過程中扮演著重要的角色。光刻技術可以分為三種：平涂法、蝕刻法和薄膜沉積法。不同的光刻技術對半導體芯片性能會產生不同的影響。

在半導體設備的使用過程中，半導體芯片的運行情況直接決定著設備的運行狀況，進而影響到整個半導體產業鏈的發展。所以，在使用半導體設備時，需要充分考慮其性能穩定。首先，要確保半導體設備具備一定的穩定性。如果其性能不穩定，則會導致整個半導體產業鏈出現問題，從而影響到整個電子產業的發展。例如，在對半導體芯片進行運行時，需要保證半導體設備的穩定性，如果其性能不穩定，則會導致芯片運行速度降低，進而影響到整個電子產業的發展。其次，要保證半導體設備具有較強的抗干擾性。在對電子產業進行發展時，需要充分考慮到電子產業自身特點。如果其發展方向出現問題或者是其本身出現問題的話，則會導致整個電子產業發展速度下降。總之，要想保證半導體設備的性能穩定和抗干擾性強的話，需要對影響其性能穩定和抗干擾性強的因素進行充分考慮和分析。

半導體設備精度越高，半導體芯片的良品率越高，這對半導體芯片廠商和客戶來說都是有利的。而從客戶角度出發，為了達到更高的良品率，往往會對半導體設備的精度提出更高要求，這樣會帶來更高的成本。但是由于半導體設備精度的提高，也會對其使用壽命帶來影響。對于普通的半導體芯片廠商來說，一般會選擇性能較好的設備供應商，這樣才能保證其使用壽命。對于一些規模較大、有實力的芯片廠商來說，其研發實力和資金投入也更大。因此芯片廠商在購買設備時往往會選擇性能更好的設備，但這也帶來了設備精度過高的問題。因為精度過高，就意味著設備對芯片廠商自身成本和技術要求都更高，這可能會導致設備使用壽命下降。以光刻機為例，光刻機的精度直接決定了芯片產品在圖形和邊緣上的質量。然而，光刻機本身是一種精密儀器，它主要是用來制造一些復雜形狀的半導體芯片產品。在半導體設備使用過程中，如果光刻機精度過高會導致產品無法正常運行或者是出現嚴重問題[2]。

四、半導體設備預測性維修的必要性

（一）提高生產效率

根據日本企業的調查，其原因主要有兩個：一是通過預測性維修可以提前發現故障，使設備停機時間減少，從而降低成本；二是通過預測性維修可以改善設備的作業狀況，提高生產效率。采用預測性維修技術后，由于設備的故障率減少了，停機時間也減少了。其主要原因有三個：一是設備運行狀況良好；二是設備沒有發生嚴重故障；三是設備運行時間增加了。而這些因素，對于半導體制造企業來說都是至關重要的。另外，如果維修人員能夠在生產之前就發現潛在的問題，就能避免因故障停機而導致的損失。因此，預測性維修技術能夠顯著地提高企業的生產效率。

（二）減少維修成本

通過實施預測性維修，設備發生故障的概率將會大大降低。設備的維修成本可以直接被視為生產成本的一部分，因為設備的維修費用與生產成本密切相關。例如，在一個月內生產3000個零部件，如果采用了預測性維修技術，每個零部件的平均維修費用將從50美元降到0.11美元，這將直接降低生產成本。如果將預測性維修技術應用于整個生產過程中，每個零部件的平均維修費用將降低至0.35美元[3]。

（三）創造附加價值

當企業的設備與系統需要預測性維護時，它能夠實現其他設備和系統的價值。這將帶來許多附加價值，包括：1.降低停機時間。企業將通過預測性維護功能優化其業務流程，減少停機時間并提高業務效率。2.更好地提升質量。預測性維護功能能夠確保產品和服務的高質量。3.降低成本。如果設備或系統具有預測性維護功能，企業可以通過減少維護成本來提高盈利能力。4.增加收入，簡化運營。預測性維護可以為企業帶來更多的機會，例如降低運營成本、提高生產率、降低服務風險并減少客戶投訴等，這些都將對企業產生積極影響。

五、半導體設備預測性維修技術要點

（一）半導體設備狀態監測

半導體設備狀態監測的目的是確保半導體設備處于最佳狀態，降低故障率和提高生產率。半導體設備狀態監測的內容包括：運行中的振動、溫度、壓力、流量、速度、電流、電壓等參數，以及部件的磨損狀態和運行時間。

在半導體設備運行過程中，振動是最常見的故障征兆之一。然而，由于振動信號在傳播過程中會受到許多外界干擾因素的影響，導致難以在分析前識別振動信號，因此無法有效監測振動。在半導體設備狀態監測中，要實現故障的早期診斷，必須采用先進的傳感器和信號處理技術。然而，由于半導體設備內部結構復雜，元器件繁多，干擾因素眾多，因此采用先進的傳感器和信號處理技術對其進行監測和診斷是十分困難的[4]。

（二）故障診斷

故障診斷是一種基于物理或化學特性的診斷方法，它可以預測故障或早期檢測設備的退化。這是一種非常廣泛的技術，它涉及許多領域，包括對設備狀態進行全面測試、診斷、分析和評估。

在設備早期發現并消除故障可以降低維修成本，提高設備性能和可靠性。這種技術是一個系統，涉及各種傳感器、工具和方法，可以幫助設備運行人員更好地了解和監測設備的性能。故障診斷是預測性維修技術的核心部分，因為通過使用測量工具來確定設備是否存在故障，并監測運行模式的變化。通過觀察振動、聲音、溫度、電流或其他信號，可以推斷設備的健康狀況和性能。根據這些信息，可以開發出一種或多種診斷方法來確定潛在問題的嚴重程度和可能發生故障的時間。

（三）預測性維修

通過對設備運行狀態的數據分析，預知設備故障發生的時間和位置，提前進行維護和保養，達到避免故障發生、節約維修費用的目的。

半導體設備的預測性維修可以分為：設備健康監測、狀態監測、故障預測分析、維修決策四個階段。

設備健康監測：是通過對設備的振動、溫度等數據進行采集，實時對設備運行狀態進行監測。可以通過對監測數據的分析，判斷出設備是否存在故障和故障的原因。

狀態監測：是指對設備運行狀態進行連續監測，通過對傳感器數據采集和分析，判斷出設備是否存在故障。

故障預測分析：是指通過采集、分析設備運行數據，采用數據挖掘、人工智能等技術手段，對設備運行狀態進行分析和預測。從而達到避免或減少設備故障發生，節約維修費用的目的[5]。

維修決策：是指根據監測結果，結合日常維護記錄和相關歷史數據資料進行分析，確定最合理的維修方案。

（四）狀態評估

半導體設備的狀態評估是在設備運行的整個生命周期內，通過對設備的運行狀態進行實時監測和分析，掌握設備狀態的發展趨勢，并基于歷史數據對未來的運行狀況做出合理預測，從而為設備管理決策提供有效依據。

通過監測和分析，可以判斷出設備是否處于正常工作狀態。另外，還可以根據歷史數據對未來運行狀態進行預測。半導體設備預測性維修技術，是以系統性能退化規律為基礎，在使用狀態監測系統和分析數據的基礎上，綜合利用計算機技術、信息處理技術、機械傳動控制技術、傳感器技術和網絡通信技術等先進技術手段，對設備運行狀況進行監測與分析。在半導體設備維修管理中采用預測性維修技術能夠有效提高設備管理效率、減少維修費用、保證產品質量并降低環境污染。在半導體行業中，預測性維修是一種重要的維修管理手段，被廣泛應用于機械制造行業、航空航天等領域[6]。

（五）維修決策

當設備的運行狀態接近或達到性能指標時，就需要實施預防性維修。根據設備的狀態和參數，制定合理的維修計劃，確定合適的維修周期、維修方式和維修間隔期。

對于半導體設備來說，其主要失效形式包括疲勞、磨損、腐蝕等。從設備故障管理角度來看，其主要內容包括設備運行狀態、故障預測結果、故障原因分析等。預防性維修工作是在設備失效前進行的，其目的是在保證設備穩定運行的基礎上，延長設備使用壽命。預防性維修計劃的制定需要考慮設備的可靠性和安全性、運行成本、維修成本等因素，根據設備實際情況確定最佳維修間隔期。對于半導體設備來說，其故障主要包括工藝故障、工藝參數波動、人為操作失誤、零部件故障。上述四類故障中，工藝故障占比最大，因此可以把工藝故障作為預測結果，作為確定預防性維修周期的依據。

（六）維護指導

半導體設備的預測性維護應在設備正常運行之前完成。根據預測性維修的要求，半導體設備維護應在其正常運行期間進行。這意味著，在設備運行期間，如果發現故障，可以通過檢測和分析來診斷故障的原因并采取相應的措施。如果沒有故障，則應進行常規維護以確保設備正常運行。

由于半導體設備預測性維修還處于初步發展階段，在實施過程中仍存在一些問題和困難。例如，如何確定監測系統的類型、選擇合適的監測方法以及如何獲取傳感器信號等。在實施過程中還需要解決一些問題：1.如何在生產環境下對半導體設備進行監測，同時保證其正常運行；2.如何在生產環境下對半導體設備進行故障診斷，確定故障發生部位和嚴重程度；3.如何將監測結果反饋給設備管理部門，以指導維修工作；4.如何確定合適的監測周期；5.如何將半導體設備的狀態數據和歷史數據結合起來進行綜合分析，以找出規律。

具體來說，需要確定以下內容：1.所有機械和電氣組件的狀態都應該是良好的；2.所有機械組件都應該是可用的，并且可以通過更換或修理來恢復其性能。如果機械組件不能恢復其性能，則必須進行維修或更換。由于設備是在半導體工藝中運行，因此可能需要在半導體工藝中進行維修。但是，由于預測性維修的要求，半導體設備必須在半導體工藝中運行；3.傳感器布置及安裝位置；4.傳感器信號傳輸方式及抗干擾措施；5.半導體設備狀態監測系統設計方案。

六、半導體設備維修模式的未來發展

半導體設備的維修模式在未來的發展方向主要表現在以下幾個方面：

第一，在半導體設備中使用新的診斷技術，例如故障診斷、狀態監測、預測性維修等。

第二，使用先進的傳感器技術對設備進行狀態監測，如使用振動傳感器、壓力傳感器等。

第三，在半導體設備中使用新型的數據處理系統和集成系統，例如微處理器等。

第四，隨著微電子技術的發展，對半導體設備的故障診斷也更加精準和全面。

第五，與半導體設備相關的產品或者零部件得到優化和升級，使其更加符合半導體設備預測性維修模式的發展方向。

七、結束語

綜上所述，半導體設備預測性維修是一種先進的維修理念，通過對設備進行狀態監測，以獲得設備的劣化趨勢和特征參數，從而掌握設備的運行狀況。實施半導體設備預測性維修，在一定程度上能夠避免“過度維修”“過度更換”等不經濟的維修方式，可以有效地延長半導體設備的使用壽命，提高半導體設備的使用效率。

作者單位：王友旺 深圳深愛半導體股份有限公司

參考文獻

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