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本項目專注于晶圓光刻過程的仿真，采用先進(jìn)的機(jī)器人技術(shù)和自動化手段，提高精度、一致性和效率。該系統(tǒng)包括一個帶有抓手的機(jī)械臂以及四個關(guān)鍵設(shè)備：加熱板、旋涂機(jī)、晶圓清洗機(jī)和無掩模直接寫入對準(zhǔn)儀（MLA150），這些設(shè)備都集成在一個中央工作區(qū)周圍。我們使用西門子Tecnomatix Process Simulate提供的詳細(xì)3D仿真環(huán)境來建模和優(yōu)化制造過程。仿真涵蓋了17個相互連接的步驟，每個步驟都由可編程邏輯控制器（PLC）控制，確保操作無縫進(jìn)行并保持高生產(chǎn)質(zhì)量。該方法旨在減少人力資源，降低生產(chǎn)風(fēng)險，并確保在制造約瑟夫森參量放大器（JPA）時達(dá)到最高質(zhì)量和可靠性標(biāo)準(zhǔn)。該項目強(qiáng)調(diào)了數(shù)字化制造解決方案在現(xiàn)代光刻中的潛力，為未來的應(yīng)用提供了一個可擴(kuò)展且高效的模型。
I. 動機(jī)
在當(dāng)代制造業(yè)中，機(jī)器人流程和自動化備受重視，因為它們具有極高的精度和在長時間內(nèi)保持穩(wěn)定效率的能力。因此，我認(rèn)為在高度重復(fù)性的任務(wù)中用機(jī)器人流程和自動化代替人工勞動。這一轉(zhuǎn)變已經(jīng)在特斯拉汽車制造工廠得以實施，該工廠需要高度的精度和一致性。汽車制造商在各種生產(chǎn)過程中越來越依賴工業(yè)機(jī)器人來實現(xiàn)這些目標(biāo)。在我的工作中，負(fù)責(zé)實驗室中約瑟夫森參量放大器（JPA）開發(fā)所需的光刻工藝。光刻的質(zhì)量對于JPA的制造至關(guān)重要，因為許多參數(shù)會影響其性能。光刻精度和一致性的提高可以減少JPA的性能波動。鑒于光刻過程的重復(fù)性及其對不可控參數(shù)的敏感性，我提議開發(fā)一個利用機(jī)械臂的晶圓光刻過程仿真。這個方法旨在提高精度和一致性，同時減少對人力資源的需求。
II. 簡介
光刻工藝
本部分專門介紹了使用直接寫入無掩模對準(zhǔn)儀進(jìn)行晶圓光刻的成熟技術(shù)。
晶圓準(zhǔn)備
在制造的初始階段，厚度為500 的2英寸硅片作為基板，如圖1(a)所示。該硅片可以容納最多57個的芯片。首要步驟是仔細(xì)清潔晶圓，以去除任何殘留的保護(hù)性光刻膠和多余的顆粒，這對于優(yōu)化旋涂至關(guān)重要。為了確保徹底清潔，晶圓經(jīng)過丙酮和異丙醇的交替沖洗。
旋涂光刻膠
接下來的階段是旋涂光刻膠。在電子束光刻中，實現(xiàn)一層均勻的電子敏感性光刻膠是至關(guān)重要的，這通常通過旋涂來完成。少量光刻膠（具體為AZ5214E）均勻分布在樣品上，并通過高速旋轉(zhuǎn)使其均勻涂布，如圖1(b)中的紅色部分所示。在我們的方法中，光刻膠層的厚度約為1-2μm。每次旋涂后，晶圓需要在90°C下烘烤3分鐘，以去除殘留的溶劑并固化光刻膠。
直接寫入無掩模對準(zhǔn)儀
在接下來的階段，樣品經(jīng)過直接寫入無掩模對準(zhǔn)儀處理，此時它會暴露在激光下。激光沉積特定的電荷劑量，形成所需的圖案，如圖1(c)所示。激光的作用會打斷光刻膠中的共聚物鏈。曝光后，晶圓被浸入顯影液中并攪拌60秒。這個過程會選擇性地去除光刻膠的曝光部分，從而在基板上顯現(xiàn)出所需的圖案。
(a)2英寸硅片基板。(b) 覆蓋有光刻膠層（紅色）的晶圓，厚度約為1μm。 (c) 根據(jù)布局設(shè)計，用激光去除光刻膠。
III. 工藝仿真
西門子Tecnomatix Process Simulate是一款功能強(qiáng)大的數(shù)字化制造解決方案，旨在通過3D環(huán)境驗證制造過程。該軟件通過在產(chǎn)品生命周期中虛擬驗證概念，加快了產(chǎn)品上市時間。Process Simulate利用3D數(shù)據(jù)，促進(jìn)復(fù)雜制造過程的虛擬驗證、優(yōu)化和調(diào)試，從而實現(xiàn)更快的產(chǎn)品推出和更高的生產(chǎn)質(zhì)量。
Tecnomatix Process Simulate的關(guān)鍵功能包括3D仿真、碰撞檢測、裝配和機(jī)器人路徑規(guī)劃、資源建模以及人體工程學(xué)分析。它還支持詳細(xì)的機(jī)器人編程和虛擬調(diào)試，確保機(jī)械和電氣生產(chǎn)過程的全面驗證。該軟件能夠模擬人類任務(wù)、可達(dá)范圍和視野窗口，提升人體工程學(xué)和安全性。
使用Tecnomatix Process Simulate的好處顯著。它通過早期發(fā)現(xiàn)設(shè)計問題減少更改成本，減少物理原型的需求，通過虛擬驗證優(yōu)化周期時間。該軟件通過模擬現(xiàn)實的過程提高工藝質(zhì)量，并支持在虛擬環(huán)境中進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)試的早期驗證。這種早期驗證通過模擬各種制造場景降低了生產(chǎn)風(fēng)險。
Process Simulate與制造主干系統(tǒng)完全集成，使工程師能夠高效地重用、創(chuàng)建和驗證過程。其先進(jìn)的3D環(huán)境和可擴(kuò)展性為從裝配到人工操作和機(jī)器人應(yīng)用的制造過程提供了詳細(xì)的見解。通過利用3D掃描，Process Simulate提高了仿真精度，加快了建模過程，從而最終提升了制造過程驗證和優(yōu)化的效率和效果。
IV. 三維模型制造設(shè)備
在整個仿真設(shè)置中，配置了一臺帶有抓手的機(jī)械臂，以及四個設(shè)備：加熱板、旋涂機(jī)、晶圓清洗機(jī)和無掩模直接寫入對準(zhǔn)儀（MLA150）。此外，還包括一個2英寸的晶圓，如圖2所示。
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| a.? 機(jī)械臂 | b.? 抓手 |
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| c.? 加熱板 | d.? 旋涂機(jī) |
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| e.? 晶圓清洗機(jī) | f.? 無掩模直接寫入對準(zhǔn)儀 |
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g.? 晶圓 |
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圖2. 制造設(shè)備的三維模型 |
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V. 仿真
為了平衡成本與效率，同時考慮到可用空間，我將主要設(shè)備布置在工作臺上無掩模直接寫入對準(zhǔn)儀的周圍，如圖3所示。
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| 圖3. 仿真環(huán)境布局 | |
整個晶圓光刻工藝包括17個步驟。每個步驟通過數(shù)字信號相互連接，并由可編程邏輯控制器（PLC）進(jìn)行控制。
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| 圖4. 光刻工藝流程 |
VI. 參考文獻(xiàn)
[1] https://www.dailymail.co.uk/sciencetech/article-12869629/Tesla-robot-ATTACKS-engineer-companys-Texas-factory-violent-malfunction-leaving-trail-blood-forcing-workers-hit-emergency-shutdown-button.html
