設備智能將成為預見(jiàn)未來(lái)的指路明燈

今年適逢泛林集團成立40周年，過(guò)去40年我們堅持不斷創(chuàng )新和突破，并取得了開(kāi)拓性進(jìn)展，其中包括對于設備智能的探索。展望未來(lái)，我們認為，對于半導體行業(yè)來(lái)說(shuō)，設備智能將成為預見(jiàn)未來(lái)發(fā)展的指路明燈。

制造難度和成本日益增長(cháng)

在40年前，我們很難想象半導體技術(shù)會(huì )給世界帶來(lái)如此巨大的改變。譬如1980年，早期個(gè)人電腦配備的微處理器包含大約5萬(wàn)個(gè)晶體管，而如今的高級芯片通常包含超過(guò)300億個(gè)晶體管。

然而，技術(shù)的飛速發(fā)展也帶來(lái)了巨大的挑戰。 新一代器件的開(kāi)發(fā)意味著(zhù)更復雜的結構、更多的工藝步驟、新材料和設計規則，參數之間的依賴(lài)性亦在不斷提升。 在這種情況下，為將創(chuàng )新性產(chǎn)品投入大批量生產(chǎn)并最終交到消費者手中，我們的開(kāi)發(fā)時(shí)間和成本一次又一次地提升。如今半導體行業(yè)已經(jīng)成為研發(fā)強度最高的產(chǎn)業(yè)之一。與此同時(shí)，我們還肩負對環(huán)境、員工福祉及社區健康的責任，必須以可持續的方式推動(dòng)半導體技術(shù)的發(fā)展，從而改變世界。

設備智能是迎接挑戰的關(guān)鍵

設備智能可以促成數據和學(xué)習過(guò)程的良性循環(huán)，幫助我們解決上述挑戰。通過(guò)充分利用其強大的數據收集和處理能力，我們可以在芯片制造領(lǐng)域實(shí)現創(chuàng )新與突破。

泛林集團對于設備智能的愿景是將數據化建模、虛擬化和人工智能帶入每個(gè)環(huán)節，包括設計、開(kāi)發(fā)、采購、構建和支持系統與工藝等，從概念設計和可行性研究到實(shí)現量產(chǎn)。 設備智能的最終目標就是在加快技術(shù)轉換速度的同時(shí)，降低成本、資源消耗和浪費，也就是通過(guò)解除復雜性障礙來(lái)釋放創(chuàng )新力。

在設備智能的時(shí)代，全流程的數字化是關(guān)鍵。任何系統從初始概念到終止運行的每一步都應該留下數據的腳印。

在芯片設計和制造工藝方面，實(shí)現革命性創(chuàng )新已經(jīng)變得非常困難。為了滿(mǎn)足性能和成本等各方面要求，我們往往需要在百萬(wàn)億個(gè)潛在配方組合中進(jìn)行大海撈針式的探索，從而找到最佳配方。

以刻蝕為例。在過(guò)去的十年中，工藝配方開(kāi)發(fā)和驗證的成本以10倍的速度增長(cháng)， 在這種情況下，虛擬工藝開(kāi)發(fā)是解決問(wèn)題的重要工具，它能幫助工程師以更快的速度找到最佳配方。

盡管我們對具體工藝的理解在不斷加深，純物理的刻蝕和沉積過(guò)程模型過(guò)于復雜，涉及的計算量過(guò)于龐大，很難產(chǎn)生實(shí)際結果。 我們的策略是結合機器學(xué)習和歷史數據挖掘來(lái)構建可計算的模型，通過(guò)該模型的運算來(lái)找出正確的變量組合并在10^14種選擇中成功找到最佳方案。 通過(guò)與芯片制造商在結構和工藝要求方面的緊密合作，我們已經(jīng)利用虛擬工藝開(kāi)發(fā)實(shí)現了初級組合的優(yōu)化，并成功將所需實(shí)驗次數和成本減少超過(guò)20%。目前該方法仍處于早期實(shí)驗階段，我們還需要與芯片制造商開(kāi)展持續且密切的合作，實(shí)現規模擴展。

復雜性帶來(lái)的挑戰不僅限于研發(fā)。要實(shí)現芯片的量產(chǎn)，制造商必須將最佳工藝在數百個(gè)腔室中復制，保證每月生產(chǎn)數十萬(wàn)個(gè)符合埃米級公差要求的晶圓。為保證所有工藝維持一致的性能表現，我們需要投入更智能化的設備和服務(wù)。

這就需要具有自感知、自適應和自維護能力的智能設備。

●   自我感知是指設備了解自身的軟件和硬件配置，并能使用傳感器監視關(guān)鍵性能指標。與之前的設備相比，新一代設備新增了約400個(gè)傳感器，它們所生成的數據結合制造商晶圓廠(chǎng)的信息，可將腔室匹配的時(shí)間從數周縮短至數天。

●   自適應功能是指這些智能設備能持續地根據單位工藝偏差、物料變化進(jìn)行自我調整或優(yōu)化生產(chǎn)率。

●   自維護功能包括自動(dòng)校準、清潔或維護等，有助于提升機臺的產(chǎn)量。經(jīng)驗證，在晶圓廠(chǎng)運行一個(gè)關(guān)鍵應用程序的一組設備，其自維護能力每年能幫助客戶(hù)節省45000個(gè)工時(shí)。

基于數據的智能化服務(wù)生態(tài)系統

智能化設備需要智能化的服務(wù)生態(tài)系統，否則無(wú)法保證數百個(gè)工藝腔室的整體設備效率，而這樣的智能服務(wù)離不開(kāi)數據。

要找出糾正措施、預測維護事件、管理智能零件和優(yōu)化設備性能，我們需要基于數據專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)出相應的算法。為此，泛林集團設立了設備數據存儲庫，并在維持數據完整性的同時(shí)根據情況向客戶(hù)開(kāi)放數據控制和訪(fǎng)問(wèn)的權限。 這種靈活的解決方案有助于我們應對日益增長(cháng)的挑戰，即在量產(chǎn)的環(huán)境中維護這些復雜的系統，從而保證在滿(mǎn)足嚴格工藝公差的前提下達成設備良率目標。

此外，虛擬現實(shí)和增強現實(shí)技術(shù)可以利用數據幫助工程師提高效率，并分享全球專(zhuān)家的專(zhuān)業(yè)技術(shù)。專(zhuān)家們可以利用相關(guān)工具為工程師提供遠程培訓和支持，在視頻直播的幫助下進(jìn)行實(shí)時(shí)監督和指導。 此次新冠疫情的爆發(fā)還讓我們親眼驗證了這些遠程支持技術(shù)如何成為業(yè)務(wù)的救星。隨著(zhù)差旅的顯著(zhù)減少，人們對遠程支持的需求會(huì )迅速增加。

協(xié)作對于持續創(chuàng )新至關(guān)重要，也是實(shí)現設備智能所有優(yōu)勢的關(guān)鍵所在。 如今，半導體行業(yè)處于松散分離的模式，行業(yè)必須由此過(guò)渡成以節點(diǎn)構成的網(wǎng)絡(luò )，達成數據的流動(dòng)和各方算法的整合，從而實(shí)現更具效益的行業(yè)控制。

我們相信，通過(guò)充分發(fā)揮設備智能的潛能，我們就能預見(jiàn)到世界未來(lái)的發(fā)展。