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上微:超精密复杂集成电路专用装备智能制造集成创新

先进制造业 中字

一、企业背景

上海微电子装备有限公司(简称“上微”)成立于 2002 年 3 月,位于上海市国家级高科技园区——张江高科技开发园区内。上微是在科技部和上海市政府推动下,由国内多家企业集团和投资公司共同投资组建的高科技有限责任公司,是国内唯一一家专注从事应用于大规模生产的中高端投影光刻设备研发、制造及销售的公司,产品可广泛应用于 IC 制造、先进封装、MEMS、LED、OLED-TFT 等制造领域。

上微:超精密复杂集成电路专用装备智能制造集成创新

高端投影光刻机涉及精密光学、精密机械、精密控制、软件、材料等多个学科,技术难度高且系统庞大而复杂,是集成电路制造发展的主要推动力。一台高端投影光刻机的软件代码已经达到了 600 多万行;数百个传感器、上千个执行器遍布光刻机“全身”,控制系统的响应时间达到了纳秒级;光刻机中的工件台系统已经达到 2nm 的运动精度,其中包含的激光干涉仪技术可以实现 0.15nm 的测量分辨率;智能传输系统中的预对准技术和机械手技术联动,实现了 5μm 的上片精度;为了保证套刻精度,光刻机中的精密对准系统实现了 3nm 的重复性精度;用于在线检测和实时补偿的调焦调平系统,能够实现 20nm 的重复性精度;为了保证光刻机的性能和可靠性,整机环境控制系统可以使光刻机内部的净化等级达到 Class10,温度控制精度达到±0.005℃。

目前,上微已经成为世界上继荷兰ASML公司、日本的Nikon公司和Canon公司三家光刻机公司之后的第四家掌握高端光刻机的系统设计与系统集成测试技术,并具备生产高端投影光刻机能力的公司。

虽然通过近几年的技术攻关,我国的光刻机制造能力已经取得很大的进步。但是光刻机的制造过程还是采用比较传统的方式。光刻机结构极为复杂,其使用到的零部件大多具有结构复杂、精度高、批量小的特点。受到传统制造方式的拘束,零部件的加工与装配,存在制造周期长、成本高等问题。这些问题直接影响光刻机的整体性能和竞争力,相同的问题也一直困扰着国内其他集成电路装备生产商。

二、智能制造战略规划构想

光刻机的系统架构和工作方式与智能制造工厂非常类似,如图 2所示。智能制造工厂的建设属于跨学科、多领域的复杂系统建设,系统工程的方法必不可少。光刻机的设计和集成过程中,已经成功运用了系统工程的方法,并形成了完整的体系。整体而言,光刻机已经具备了智能制造工厂的所有要素。

上微:超精密复杂集成电路专用装备智能制造集成创新

▲图2

智能制造工厂的工作模式:输入设计图纸,即可在后端直接产出正式产品,中间全部为智能化的运作,无须操作工或工程师直接干预。而光刻机的工作模式也是工艺处方输入操作系统后,上片传输、对准、曝光、下片传输等过程全自动化、智能化进行,后端直接可以输出曝光片。如图 3所示,可见智能制造工厂的基本工作流程与光刻机类似。可以说,光刻机是一个浓缩的智能制造工厂,而智能制造工厂是一个展开的光刻机。

上微:超精密复杂集成电路专用装备智能制造集成创新

▲图3

为解决光刻机结构复杂、高精度、批量小的零部件生产和装配问题,光刻机的技术完全可以作为智能制造工厂的借鉴。上微将建立应用于超精密复杂集成电路专用装备智能制造新模式。在新模式中,充分利用智能制造技术和光刻机研发过程中所积累的相关技术。其总体目标为,提高生产效率、降低运营成本、缩短产品研制周期、降低产品不良品率和提高能源利用率。

其中,主要包括建立智能车间制造系统,实现产品从设计、制造到装配的全流程智能化;建立智能化自主设计平台,将设计与仿真协同,支持和满足个性化设计和仿真,特别是将 3D 打印的设计理念与光刻机的复杂系统相结合,提升产品的设计质量和设计效率;建立如图 4 所示的,全自动高精密复杂零部件柔性制造岛,采用 3D 打印与 CNC 结合,以快速和相对低的成本制造结构复杂、高精度、小批量的金属零件;建立如图 5 所示的,人机协作高精密复杂零部件柔性装配岛,实现结构复杂和多样性部件的高精密装配能力。

上微:超精密复杂集成电路专用装备智能制造集成创新

▲图4柔性制造岛

上微:超精密复杂集成电路专用装备智能制造集成创新

▲图5柔性装配岛

这种智能制造模式将会推动超精密复杂集成电路专用装备在设计理念与制造理念上的变革,受益的将不仅仅是光刻机,未来还可以服务于所有的集成电路装备制造商,甚至可以复制到其他的行业,开辟金属零件加工的新纪元。

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