一、企業(yè)背景

上海微電子裝備有限公司（簡稱“上微”）成立于 2002 年 3 月，位于上海市國家級高科技園區(qū)——張江高科技開發(fā)園區(qū)內(nèi)。上微是在科技部和上海市政府推動下，由國內(nèi)多家企業(yè)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(nèi)唯一一家專注從事應(yīng)用于大規(guī)模生產(chǎn)的中高端投影光刻設(shè)備研發(fā)、制造及銷售的公司，產(chǎn)品可廣泛應(yīng)用于 IC 制造、先進封裝、MEMS、LED、OLED-TFT 等制造領(lǐng)域。

高端投影光刻機涉及精密光學(xué)、精密機械、精密控制、軟件、材料等多個學(xué)科，技術(shù)難度高且系統(tǒng)龐大而復(fù)雜，是集成電路制造發(fā)展的主要推動力。一臺高端投影光刻機的軟件代碼已經(jīng)達到了 600 多萬行；數(shù)百個傳感器、上千個執(zhí)行器遍布光刻機“全身”，控制系統(tǒng)的響應(yīng)時間達到了納秒級；光刻機中的工件臺系統(tǒng)已經(jīng)達到 2nm 的運動精度，其中包含的激光干涉儀技術(shù)可以實現(xiàn) 0.15nm 的測量分辨率；智能傳輸系統(tǒng)中的預(yù)對準技術(shù)和機械手技術(shù)聯(lián)動，實現(xiàn)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(tǒng)實現(xiàn)了 3nm 的重復(fù)性精度；用于在線檢測和實時補償?shù)恼{(diào)焦調(diào)平系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn) 20nm 的重復(fù)性精度；為了保證光刻機的性能和可靠性，整機環(huán)境控制系統(tǒng)可以使光刻機內(nèi)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(jīng)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后的第四家掌握高端光刻機的系統(tǒng)設(shè)計與系統(tǒng)集成測試技術(shù)，并具備生產(chǎn)高端投影光刻機能力的公司。

雖然通過近幾年的技術(shù)攻關(guān)，我國的光刻機制造能力已經(jīng)取得很大的進步。但是光刻機的制造過程還是采用比較傳統(tǒng)的方式。光刻機結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜，其使用到的零部件大多具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度高、批量小的特點。受到傳統(tǒng)制造方式的拘束，零部件的加工與裝配，存在制造周期長、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(nèi)其他集成電路裝備生產(chǎn)商。

二、智能制造戰(zhàn)略規(guī)劃構(gòu)想

光刻機的系統(tǒng)架構(gòu)和工作方式與智能制造工廠非常類似，如圖 2所示。智能制造工廠的建設(shè)屬于跨學(xué)科、多領(lǐng)域的復(fù)雜系統(tǒng)建設(shè)，系統(tǒng)工程的方法必不可少。光刻機的設(shè)計和集成過程中，已經(jīng)成功運用了系統(tǒng)工程的方法，并形成了完整的體系。整體而言，光刻機已經(jīng)具備了智能制造工廠的所有要素。

▲圖2

智能制造工廠的工作模式：輸入設(shè)計圖紙，即可在后端直接產(chǎn)出正式產(chǎn)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(yù)。而光刻機的工作模式也是工藝處方輸入操作系統(tǒng)后，上片傳輸、對準、曝光、下片傳輸?shù)冗^程全自動化、智能化進行，后端直接可以輸出曝光片。如圖 3所示，可見智能制造工廠的基本工作流程與光刻機類似?？梢哉f，光刻機是一個濃縮的智能制造工廠，而智能制造工廠是一個展開的光刻機。

▲圖3

為解決光刻機結(jié)構(gòu)復(fù)雜、高精度、批量小的零部件生產(chǎn)和裝配問題，光刻機的技術(shù)完全可以作為智能制造工廠的借鑒。上微將建立應(yīng)用于超精密復(fù)雜集成電路專用裝備智能制造新模式。在新模式中，充分利用智能制造技術(shù)和光刻機研發(fā)過程中所積累的相關(guān)技術(shù)。其總體目標為，提高生產(chǎn)效率、降低運營成本、縮短產(chǎn)品研制周期、降低產(chǎn)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制造系統(tǒng)，實現(xiàn)產(chǎn)品從設(shè)計、制造到裝配的全流程智能化；建立智能化自主設(shè)計平臺，將設(shè)計與仿真協(xié)同，支持和滿足個性化設(shè)計和仿真，特別是將 3D 打印的設(shè)計理念與光刻機的復(fù)雜系統(tǒng)相結(jié)合，提升產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量和設(shè)計效率；建立如圖 4 所示的，全自動高精密復(fù)雜零部件柔性制造島，采用 3D 打印與 CNC 結(jié)合，以快速和相對低的成本制造結(jié)構(gòu)復(fù)雜、高精度、小批量的金屬零件；建立如圖 5 所示的，人機協(xié)作高精密復(fù)雜零部件柔性裝配島，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜和多樣性部件的高精密裝配能力。

▲圖4柔性制造島

▲圖5柔性裝配島

這種智能制造模式將會推動超精密復(fù)雜集成電路專用裝備在設(shè)計理念與制造理念上的變革，受益的將不僅僅是光刻機，未來還可以服務(wù)于所有的集成電路裝備制造商，甚至可以復(fù)制到其他的行業(yè)，開辟金屬零件加工的新紀元。