上微：超精密複雜集成電路專用裝備智能製造集成創新與應用

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導讀

為解決光刻機結構複雜、高精度、批量小的零部件生產和裝配問題，光刻機的技術完全可以作為智能製造工廠的借鑒。上微將建立應用於超精密複雜集成電路專用裝備智能製造新模式。

一

企業背景

上海微電子裝備有限公司（簡稱「上微」）成立於 2002 年 3 月，位於上海市國家級高科技園區——張江高科技開發園區內。上微是在科技部和上海市政府推動下，由國內多家企業集團和投資公司共同投資組建的高科技有限責任公司，是國內唯一一家專註從事應用於大規模生產的中高端投影光刻設備研發、製造及銷售的公司，產品可廣泛應用於 IC 製造、先進封裝、MEMS、LED、OLED-TFT 等製造領域。

高端投影光刻機涉及精密光學、精密機械、精密控制、軟體、材料等多個學科，技術難度高且系統龐大而複雜，是集成電路製造發展的主要推動力。一台高端投影光刻機的軟體代碼已經達到了 600 多萬行；數百個感測器、上千個執行器遍布光刻機「全身」，控制系統的響應時間達到了納秒級；光刻機中的工件台系統已經達到 2nm 的運動精度，其中包含的激光干涉儀技術可以實現 0.15nm 的測量解析度；智能傳輸系統中的預對準技術和機械手技術聯動，實現了 5μm 的上片精度；為了保證套刻精度，光刻機中的精密對準系統實現了 3nm 的重複性精度；用於在線檢測和實時補償的調焦調平系統，能夠實現 20nm 的重複性精度；為了保證光刻機的性能和可靠性，整機環境控制系統可以使光刻機內部的凈化等級達到 Class10，溫度控制精度達到±0.005℃。

目前，上微已經成為世界上繼荷蘭ASML公司、日本的Nikon公司和Canon公司三家光刻機公司之後的第四家掌握高端光刻機的系統設計與系統集成測試技術，並具備生產高端投影光刻機能力的公司。

雖然通過近幾年的技術攻關，我國的光刻機製造能力已經取得很大的進步。但是光刻機的製造過程還是採用比較傳統的方式。光刻機結構極為複雜，其使用到的零部件大多具有結構複雜、精度高、批量小的特點。受到傳統製造方式的拘束，零部件的加工與裝配，存在製造周期長、成本高等問題。這些問題直接影響光刻機的整體性能和競爭力，相同的問題也一直困擾著國內其他集成電路裝備生產商。

二

智能製造戰略規劃構想

光刻機的系統架構和工作方式與智能製造工廠非常類似，如圖 2所示。智能製造工廠的建設屬於跨學科、多領域的複雜系統建設，系統工程的方法必不可少。光刻機的設計和集成過程中，已經成功運用了系統工程的方法，並形成了完整的體系。整體而言，光刻機已經具備了智能製造工廠的所有要素。

▲圖2

智能製造工廠的工作模式：輸入設計圖紙，即可在後端直接產出正式產品，中間全部為智能化的運作，無須操作工或工程師直接干預。而光刻機的工作模式也是工藝處方輸入操作系統後，上片傳輸、對準、曝光、下片傳輸等過程全自動化、智能化進行，後端直接可以輸出曝光片。如圖 3所示，可見智能製造工廠的基本工作流程與光刻機類似。可以說，光刻機是一個濃縮的智能製造工廠，而智能製造工廠是一個展開的光刻機。

為解決光刻機結構複雜、高精度、批量小的零部件生產和裝配問題，光刻機的技術完全可以作為智能製造工廠的借鑒。上微將建立應用於超精密複雜集成電路專用裝備智能製造新模式。在新模式中，充分利用智能製造技術和光刻機研發過程中所積累的相關技術。其總體目標為，提高生產效率、降低運營成本、縮短產品研製周期、降低產品不良品率和提高能源利用率。

其中，主要包括建立智能車間製造系統，實現產品從設計、製造到裝配的全流程智能化；建立智能化自主設計平台，將設計與模擬協同，支持和滿足個性化設計和模擬，特別是將 3D 列印的設計理念與光刻機的複雜系統相結合，提升產品的設計質量和設計效率；建立如圖 4 所示的，全自動高精密複雜零部件柔性製造島，採用 3D 列印與 CNC 結合，以快速和相對低的成本製造結構複雜、高精度、小批量的金屬零件；建立如圖 5 所示的，人機協作高精密複雜零部件柔性裝配島，實現結構複雜和多樣性部件的高精密裝配能力。

▲圖4柔性製造島

▲圖5柔性裝配島

這種智能製造模式將會推動超精密複雜集成電路專用裝備在設計理念與製造理念上的變革，受益的將不僅僅是光刻機，未來還可以服務於所有的集成電路裝備製造商，甚至可以複製到其他的行業，開闢金屬零件加工的新紀元。

三

智能製造實踐現狀和效果

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