設備智能將成為預見未來的指路明燈

今年適逢泛林集團成立40周年，過去40年我們堅持不斷創(chuàng)新和突破，并取得了開拓性進展，其中包括對于設備智能的探索。展望未來，我們認為，對于半導體行業(yè)來說，設備智能將成為預見未來發(fā)展的指路明燈。

制造難度和成本日益增長

在40年前，我們很難想象半導體技術(shù)會給世界帶來如此巨大的改變。譬如1980年，早期個人電腦配備的微處理器包含大約5萬個晶體管，而如今的高級芯片通常包含超過300億個晶體管。

然而，技術(shù)的飛速發(fā)展也帶來了巨大的挑戰(zhàn)。 新一代器件的開發(fā)意味著更復雜的結(jié)構(gòu)、更多的工藝步驟、新材料和設計規(guī)則，參數(shù)之間的依賴性亦在不斷提升。 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，我們的開發(fā)時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，我們還肩負對環(huán)境、員工福祉及社區(qū)健康的責任，必須以可持續(xù)的方式推動半導體技術(shù)的發(fā)展，從而改變世界。

設備智能是迎接挑戰(zhàn)的關鍵

設備智能可以促成數(shù)據(jù)和學習過程的良性循環(huán)，幫助我們解決上述挑戰(zhàn)。通過充分利用其強大的數(shù)據(jù)收集和處理能力，我們可以在芯片制造領域?qū)崿F(xiàn)創(chuàng)新與突破。

泛林集團對于設備智能的愿景是將數(shù)據(jù)化建模、虛擬化和人工智能帶入每個環(huán)節(jié)，包括設計、開發(fā)、采購、構(gòu)建和支持系統(tǒng)與工藝等，從概念設計和可行性研究到實現(xiàn)量產(chǎn)。 設備智能的最終目標就是在加快技術(shù)轉(zhuǎn)換速度的同時，降低成本、資源消耗和浪費，也就是通過解除復雜性障礙來釋放創(chuàng)新力。

在設備智能的時代，全流程的數(shù)字化是關鍵。任何系統(tǒng)從初始概念到終止運行的每一步都應該留下數(shù)據(jù)的腳印。

在芯片設計和制造工藝方面，實現(xiàn)革命性創(chuàng)新已經(jīng)變得非常困難。為了滿足性能和成本等各方面要求，我們往往需要在百萬億個潛在配方組合中進行大海撈針式的探索，從而找到最佳配方。

以刻蝕為例。在過去的十年中，工藝配方開發(fā)和驗證的成本以10倍的速度增長， 在這種情況下，虛擬工藝開發(fā)是解決問題的重要工具，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程模型過于復雜，涉及的計算量過于龐大，很難產(chǎn)生實際結(jié)果。 我們的策略是結(jié)合機器學習和歷史數(shù)據(jù)挖掘來構(gòu)建可計算的模型，通過該模型的運算來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。 通過與芯片制造商在結(jié)構(gòu)和工藝要求方面的緊密合作，我們已經(jīng)利用虛擬工藝開發(fā)實現(xiàn)了初級組合的優(yōu)化，并成功將所需實驗次數(shù)和成本減少超過20%。目前該方法仍處于早期實驗階段，我們還需要與芯片制造商開展持續(xù)且密切的合作，實現(xiàn)規(guī)模擴展。

復雜性帶來的挑戰(zhàn)不僅限于研發(fā)。要實現(xiàn)芯片的量產(chǎn)，制造商必須將最佳工藝在數(shù)百個腔室中復制，保證每月生產(chǎn)數(shù)十萬個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(xiàn)，我們需要投入更智能化的設備和服務。

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(jiān)視關鍵性能指標。與之前的設備相比，新一代設備新增了約400個傳感器，它們所生成的數(shù)據(jù)結(jié)合制造商晶圓廠的信息，可將腔室匹配的時間從數(shù)周縮短至數(shù)天。

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

●   自維護功能包括自動校準、清潔或維護等，有助于提升機臺的產(chǎn)量。經(jīng)驗證，在晶圓廠運行一個關鍵應用程序的一組設備，其自維護能力每年能幫助客戶節(jié)省45000個工時。

基于數(shù)據(jù)的智能化服務生態(tài)系統(tǒng)

智能化設備需要智能化的服務生態(tài)系統(tǒng)，否則無法保證數(shù)百個工藝腔室的整體設備效率，而這樣的智能服務離不開數(shù)據(jù)。

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(shù)據(jù)專門開發(fā)出相應的算法。為此，泛林集團設立了設備數(shù)據(jù)存儲庫，并在維持數(shù)據(jù)完整性的同時根據(jù)情況向客戶開放數(shù)據(jù)控制和訪問的權(quán)限。 這種靈活的解決方案有助于我們應對日益增長的挑戰(zhàn)，即在量產(chǎn)的環(huán)境中維護這些復雜的系統(tǒng)，從而保證在滿足嚴格工藝公差的前提下達成設備良率目標。

此外，虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術(shù)可以利用數(shù)據(jù)幫助工程師提高效率，并分享全球?qū)＜业膶I(yè)技術(shù)。專家們可以利用相關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行實時監(jiān)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)務的救星。隨著差旅的顯著減少，人們對遠程支持的需求會迅速增加。

協(xié)作對于持續(xù)創(chuàng)新至關重要，也是實現(xiàn)設備智能所有優(yōu)勢的關鍵所在。 如今，半導體行業(yè)處于松散分離的模式，行業(yè)必須由此過渡成以節(jié)點構(gòu)成的網(wǎng)絡，達成數(shù)據(jù)的流動和各方算法的整合，從而實現(xiàn)更具效益的行業(yè)控制。

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