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用于大規(guī)模生產(chǎn)的中高端投影光刻設備研發(fā)、制造及銷售的公司，產(chǎn)品可廣泛應用于 IC 制造、先進封裝、MEMS、LED、OLED-TFT 等制造領域。

高端投影光刻機涉及精密光學、精密機械、精密控制、軟件、材料等多個學科，技術難度高且系統(tǒng)龐大而復雜，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可以實現(xiàn) 0.15nm 的測量分辨率；智能傳輸系統(tǒng)中的預對準技術和機械手技術聯(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)設計與系統(tǒng)集成測試技術，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攻關，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。光刻機結構極為復雜，其使用到的零部件大多具有結構復雜、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)劃構想

光刻機的系統(tǒng)架構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屬于跨學科、多領域的復雜系統(tǒng)建設，系統(tǒng)工程的方法必不可少。光刻機的設計和集成過程中，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。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。可以說，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

為解決光刻機結構復雜、高精度、批量小的零部件生產(chǎn)和裝配問題，光刻機的技術完全可以作為智能制造工廠的借鑒。上微將建立應用于超精密復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和光刻機研發(fā)過程中所積累的相關技術。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)品從設計、制造到裝配的全流程智能化；建立智能化自主設計平臺，將設計與仿真協(xié)同，支持和滿足個性化設計和仿真，特別是將 3D 打印的設計理念與光刻機的復雜系統(tǒng)相結合，提升產(chǎn)品的設計質(zhì)量和設計效率；建立如圖 4 所示的，全自動高精密復雜零部件柔性制造島，采用 3D 打印與 CNC 結合，以快速和相對低的成本制造結構復雜、高精度、小批量的金屬零件；建立如圖 5 所示的，人機協(xié)作高精密復雜零部件柔性裝配島，實現(xiàn)結構復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雜集成電路專用裝備在設計理念與制造理念上的變革，受益的將不僅僅是光刻機，未來還可以服務于所有的集成電路裝備制造商，甚至可以復制到其他的行業(yè)，開辟金屬零件加工的新紀元。