將基于模型設(shè)計(jì)應(yīng)用于半導(dǎo)體制造設(shè)備的研發(fā)

1965 年，英特爾（Intel）聯(lián)合創(chuàng)始人戈登·摩爾（Gordon Moore）提出一個(gè)預(yù)測(cè)：集成電路上可容納的晶體管數(shù)量大約每兩年翻一番，而成本則保持不變。這一預(yù)測(cè)后來被廣泛解釋為計(jì)算能力大約每 18 到 24 個(gè)月翻一番，這個(gè)趨勢(shì)一直延續(xù)至今，以“摩爾定律” 被大家熟知。

摩爾定律指導(dǎo)了半導(dǎo)體行業(yè)的研發(fā)目標(biāo)和技術(shù)進(jìn)步的節(jié)奏，使得電子設(shè)備的性能持續(xù)提升，同時(shí)成本降低，促進(jìn)了個(gè)人電腦、智能手機(jī)等產(chǎn)品的普及。

為了跟上摩爾定律的步伐，半導(dǎo)體制造設(shè)備（以下簡(jiǎn)稱半導(dǎo)體設(shè)備）必須不斷創(chuàng)新以支持更高密度的晶體管布局和更精細(xì)的制造工藝。

半導(dǎo)體設(shè)備研發(fā)遇到的挑戰(zhàn)

半導(dǎo)體生產(chǎn)制造涉及多種復(fù)雜的物理、化學(xué)和材料科學(xué)過程。隨著晶體管尺寸的減小，生產(chǎn)制造設(shè)備必須具備越來越高的精度和控制能力。

半導(dǎo)體行業(yè)的快速發(fā)展要求生產(chǎn)設(shè)備能夠不斷適應(yīng)新的制造工藝和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，這意味著設(shè)備制造商需要不斷研發(fā)新技術(shù)，同時(shí)保持與行業(yè)進(jìn)步的同步?？焖俚募夹g(shù)迭代周期也對(duì)研發(fā)團(tuán)隊(duì)提出了巨大挑戰(zhàn)，要求他們?cè)诙虝r(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破。盡管技術(shù)進(jìn)步是半導(dǎo)體設(shè)備研發(fā)的主要驅(qū)動(dòng)力，但成本和效率也是重要的考慮因素。設(shè)備制造商需要在提高設(shè)備性能的同時(shí)，控制成本并提高生產(chǎn)效率。這意味著研發(fā)過程中不僅要考慮技術(shù)創(chuàng)新，還要考慮設(shè)計(jì)的可實(shí)施性、制造成本和后續(xù)的維護(hù)需求。

綜上所述，半導(dǎo)體設(shè)備的研發(fā)是一個(gè)高度復(fù)雜且充滿挑戰(zhàn)的過程，需要不斷的技術(shù)創(chuàng)新、跨學(xué)科合作和對(duì)成本效益的嚴(yán)格控制。

應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)：半導(dǎo)體設(shè)備控制系統(tǒng)的研發(fā)實(shí)踐

ASML - 以模型驅(qū)動(dòng)的研發(fā)方式應(yīng)對(duì)摩爾定律帶來的挑戰(zhàn) 【1】

總部位于荷蘭的光刻機(jī)制造商 ASML，通過其創(chuàng)新的光刻技術(shù)，使得半導(dǎo)體制造商能夠生產(chǎn)出更小、更快、更高效的晶體管，從而支持了摩爾定律的持續(xù)實(shí)現(xiàn)。

為了繼續(xù)推動(dòng)摩爾定律，ASML表示，研發(fā)工作方式需要向全系統(tǒng)模型驅(qū)動(dòng)的工程方法發(fā)展。通過更高的抽象層次、可執(zhí)行的規(guī)范(模型而不是文檔)、規(guī)范的模型驗(yàn)證和設(shè)計(jì)驗(yàn)證以及自動(dòng)代碼生成來具體化這一工作流程。

以光學(xué)透鏡的控制過程為例，激光束會(huì)加熱透鏡，對(duì)在納米級(jí)別上的光學(xué)成像產(chǎn)生非常大的畸變影響，ASML 利用 MATLAB 實(shí)現(xiàn)鏡頭模型，通過傳感器測(cè)量鏡頭像差，利用鏡頭模型開展計(jì)算，確定如何調(diào)整鏡頭，最終使晶圓曝光在最佳狀態(tài)。

這種基于模型的工程開發(fā)方法已經(jīng)被證明是非常成功的，它在整個(gè) ASML 內(nèi)部得到了廣泛的應(yīng)用。

東京電子 TEL- 基于模型的設(shè)計(jì)在半導(dǎo)體制造熱處理沉積設(shè)備溫度控制中的應(yīng)用【2】

東京電子，簡(jiǎn)稱TEL（Tokyo Electron Limited），是日本最大的半導(dǎo)體制造設(shè)備提供商。

半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備的溫度控制是確保產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在半導(dǎo)體制造過程中，溫度的精確控制對(duì)于材料的沉積、蝕刻、光刻和退火等步驟至關(guān)重要。不恰當(dāng)?shù)臏囟瓤刂茣?huì)導(dǎo)致產(chǎn)品缺陷，降低良率，甚至損壞昂貴的生產(chǎn)設(shè)備。

通過采用先進(jìn)的控制策略、高精度的傳感技術(shù)和強(qiáng)大的軟件工具，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程的精確溫度控制，從而保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率。

在這個(gè)示例中，TEL 以鼓風(fēng)機(jī)控制和溫度控制功能之一的前饋控制為例，說明了利用建模仿真，進(jìn)行系統(tǒng)分析、系統(tǒng)測(cè)試以及自動(dòng)代碼生成，來進(jìn)行控制軟件開發(fā)的過程?！巴ㄟ^引入基于模型設(shè)計(jì)，我們能夠在設(shè)計(jì)改進(jìn)的同時(shí)開發(fā)控制軟件”。

芝浦機(jī)電 Shibaura - 采用基于模型的設(shè)計(jì)開發(fā)了一種用于有機(jī)薄膜沉積的溫度控制器【3】

芝浦機(jī)電公司是一家半導(dǎo)體/FPD 制造設(shè)備和真空應(yīng)用設(shè)備制造商。在開發(fā)用于 OLED 生產(chǎn)的有機(jī)膜沉積設(shè)備溫度控制器過程中，該公司遇到了諸多挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)包括需要減少調(diào)試時(shí)間，簡(jiǎn)化控制參數(shù)規(guī)則，以及在不依賴實(shí)際設(shè)備的情況下執(zhí)行實(shí)時(shí)驗(yàn)證。

在控制性能方面，挑戰(zhàn)包括超調(diào)抑制、熱傳遞特性的影響和復(fù)雜多輸入多輸出控制。為了解決這些難題，芝浦機(jī)電的團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了模型預(yù)測(cè)控制 (MPC) 和基于模型的設(shè)計(jì)方法。事實(shí)證明，這在開發(fā)過程中有效地節(jié)省了時(shí)間和人力成本。

為了加速開發(fā)過程且在不依賴物理設(shè)備的情況下實(shí)現(xiàn)基于仿真的開發(fā)，該公司采用了灰盒建模方法，以根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)估計(jì)被控對(duì)象模型的未知參數(shù)。Model Predictive Control Toolbox? 用于開發(fā) MPC 算法，而 Simulink Control Design? 用于線性化非線性模型，并將其用作 MPC 的預(yù)測(cè)模型。

此外，Simulink PLC Coder? 用于自動(dòng)生成 ST 代碼，使團(tuán)隊(duì)能夠在 PLC 上快速實(shí)現(xiàn)高級(jí) MPC 控制器。

應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)：FPGA 應(yīng)用的研發(fā)實(shí)踐

FPGA 提供了高度可定制、支持“硬實(shí)時(shí)”并行計(jì)算的特性。由于這些特性，F(xiàn)PGA 在半導(dǎo)體制造和測(cè)試設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用，包括高速數(shù)據(jù)傳輸、信號(hào)處理、圖像處理以及 AI 等相關(guān)的應(yīng)用。

ASML - 從高層算法開發(fā)到 ASML 的自動(dòng)數(shù)字設(shè)計(jì)工作流【4】

算法復(fù)雜性提升，以及光刻設(shè)備對(duì)算法性能要求的顯著提高，越來越多的應(yīng)用需要采用 FPGA 來進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

ASML 需要一個(gè)面向 FPGA 應(yīng)用的高層設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)的工作流程。這里面涉及，面向 FPGA 算法開發(fā)的通用方法，所有ELF（Embedded Logic and Firmware）工程師可以使用的建模、仿真以及代碼生成的機(jī)制，同時(shí)讓架構(gòu)師和ELF工程師更協(xié)調(diào)的工作。John van Tol 本次演講介紹了 ASML 在 FPGA 算法開發(fā)流程構(gòu)建上所作的工作和取得的成績。

其中，采用 HDL Coder?，自動(dòng)生成 HDL 源代碼和測(cè)試臺(tái)代碼到 ASML FPGA 設(shè)計(jì)流程中；在定制的開發(fā)環(huán)境中采取一定的步驟來實(shí)現(xiàn)HDL編碼。通過圍繞模型進(jìn)行開發(fā)，在系統(tǒng)架構(gòu)師和工程師之間建立了良好的協(xié)作機(jī)制。

3T 公司 - 基于模型設(shè)計(jì)開發(fā)機(jī)器人緊急制動(dòng)系統(tǒng)【5】

選擇性裝配機(jī)器人手臂(SCARA)廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體制造，因?yàn)樗鼈兩瞄L在水平面上執(zhí)行運(yùn)動(dòng)，而大多數(shù)晶圓處理運(yùn)動(dòng)都發(fā)生在水平面上。像任何高速移動(dòng)的機(jī)械一樣，SCARA 機(jī)器人如果發(fā)生故障，會(huì)對(duì)其自身部件和周圍機(jī)器造成重大損害。為了防止這種情況的發(fā)生，3T 的工程師們?yōu)?SCARA 機(jī)器人設(shè)計(jì)了一個(gè)緊急制動(dòng)系統(tǒng)。

當(dāng)項(xiàng)目開始時(shí)，3T 的團(tuán)隊(duì)不知道是否可以設(shè)計(jì)一個(gè)制動(dòng)系統(tǒng)來及時(shí)停止機(jī)器人，以防止碰撞而不損壞機(jī)器人本身。3T 工程師使用基于模型的設(shè)計(jì)與 MATLAB 和 Simulink 進(jìn)行可行性研究，確定解決方案，并在FPGA上實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)制動(dòng)系統(tǒng)控制器。

3T 系統(tǒng)工程師 Ronald van der Meer 表示:“基于模型的設(shè)計(jì)使我們能夠快速嘗試不同的控制方法，看看哪些可行，哪些不可行?！薄盀榱俗畲笙薅鹊販p少在潔凈室中的硬件測(cè)試和調(diào)試，我們通過Simulink中的模擬測(cè)試和完善了我們的解決方案，然后在驗(yàn)證后使用 HDL Coder 的代碼生成來實(shí)現(xiàn)它。”

應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)：半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝軟件的開發(fā)實(shí)踐

與前面提到的嵌入式軟件開發(fā)面臨的挑戰(zhàn)相似，與工藝過程密切相關(guān)的應(yīng)用軟件開發(fā)，也面臨著復(fù)雜度提升和性能要求顯著提高的挑戰(zhàn)。

ASML - 模型驅(qū)動(dòng)的 Calibration 生產(chǎn)軟件開發(fā) 【6】

ASML開發(fā)的光刻機(jī)具有納米精度。為了達(dá)到較高的精度，需要進(jìn)行大量的校準(zhǔn)和定標(biāo)。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，ASML 在機(jī)器上部署了特定的軟件應(yīng)用程序，即 CPD（Calibrate machine settings or Measure the Performance or Diagnose the machine）應(yīng)用程序，以在其整個(gè)生命周期內(nèi)保持性能。一個(gè)挑戰(zhàn)是，負(fù)責(zé)需求和設(shè)計(jì)的功能工程師與負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)的軟件工程師使用不同的領(lǐng)域語言工作。這可能導(dǎo)致誤解和返工。

為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，ASML 通過為兩組工程師提供一種公共語言，成功地增加了這些應(yīng)用程序的模型驅(qū)動(dòng)開發(fā)，這使得他們能夠在整個(gè)開發(fā)過程中緊密合作。

在此工作流程中，ASML 開發(fā)了可執(zhí)行的 MATLAB 和 Simulink 模型。帶注釋的模型作為設(shè)計(jì)、文檔和實(shí)現(xiàn)的單一事實(shí)來源——Single Truth of Source。該模型可以通過 Simulink 與實(shí)際光刻機(jī)的遠(yuǎn)程連接進(jìn)行測(cè)試，從而降低了早期風(fēng)險(xiǎn)。最后，不需要重新根據(jù)規(guī)格進(jìn)行實(shí)現(xiàn)代碼的編寫，而從模型自動(dòng)生成 C++ 代碼。

MathWorks 的解決方案

基于模型設(shè)計(jì)，即在整個(gè)開發(fā)過程中系統(tǒng)地使用模型，是 MathWorks 為半導(dǎo)體設(shè)備研發(fā)提供的解決方案。

采用基于模型的設(shè)計(jì)進(jìn)行軟件開發(fā)，以仿真和代碼生成為中心，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)和測(cè)試、研究和評(píng)估的增量式交付?？梢杂行?yīng)對(duì)在更短時(shí)間內(nèi)創(chuàng)建更為復(fù)雜、質(zhì)量更好的軟件的需求帶來的挑戰(zhàn)。

用戶還可以將研發(fā)階段開發(fā)的模型進(jìn)一步用于運(yùn)營中的系統(tǒng)，從而創(chuàng)建數(shù)字孿生來優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)營，監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)，并向開發(fā)團(tuán)隊(duì)提供反饋機(jī)制以進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)。這種方法支持預(yù)測(cè)性維護(hù)和實(shí)時(shí)故障檢測(cè)等應(yīng)用。

小結(jié)

基于模型的設(shè)計(jì)為半導(dǎo)體設(shè)備的研發(fā)帶來了革命性的變化，它不僅提高了設(shè)計(jì)的效率和產(chǎn)品的質(zhì)量，還降低了開發(fā)成本和風(fēng)險(xiǎn)。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，基于模型的設(shè)計(jì)將繼續(xù)在半導(dǎo)體設(shè)備研發(fā)中發(fā)揮關(guān)鍵作用，推動(dòng)行業(yè)的創(chuàng)新和發(fā)展。