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本项目专注于晶圆光刻过程的仿真，采用先进的机器人技术和自动化手段，提高精度、一致性和效率。该系统包括一个带有抓手的机械臂以及四个关键设备：加热板、旋涂机、晶圆清洗机和无掩模直接写入对准仪（MLA150），这些设备都集成在一个中央工作区周围。我们使用西门子Tecnomatix Process Simulate提供的详细3D仿真环境来建模和优化制造过程。仿真涵盖了17个相互连接的步骤，每个步骤都由可编程逻辑控制器（PLC）控制，确保操作无缝进行并保持高生产质量。该方法旨在减少人力资源，降低生产风险，并确保在制造约瑟夫森参量放大器（JPA）时达到最高质量和可靠性标准。该项目强调了数字化制造解决方案在现代光刻中的潜力，为未来的应用提供了一个可扩展且高效的模型。
I. 动机
在当代制造业中，机器人流程和自动化备受重视，因为它们具有极高的精度和在长时间内保持稳定效率的能力。因此，我認為在高度重复性的任务中用机器人流程和自动化代替人工劳动。这一转变已经在特斯拉汽车制造工厂得以实施，该工厂需要高度的精度和一致性。汽车制造商在各种生产过程中越来越依赖工业机器人来实现这些目标。在我的工作中，负责实验室中约瑟夫森参量放大器（JPA）开发所需的光刻工艺。光刻的质量对于JPA的制造至关重要，因为许多参数会影响其性能。光刻精度和一致性的提高可以减少JPA的性能波动。鉴于光刻过程的重复性及其对不可控参数的敏感性，我提议开发一个利用机械臂的晶圆光刻过程仿真。这个方法旨在提高精度和一致性，同时减少对人力资源的需求。
II. 简介
光刻工艺
本部分专门介绍了使用直接写入无掩模对准仪进行晶圆光刻的成熟技术。
晶圆准备
在制造的初始阶段，厚度为500 的2英寸硅片作为基板，如图1(a)所示。该硅片可以容纳最多57个的芯片。首要步骤是仔细清洁晶圆，以去除任何残留的保护性光刻胶和多余的颗粒，这对于优化旋涂至关重要。为了确保彻底清洁，晶圆经过丙酮和异丙醇的交替冲洗。
旋涂光刻胶
接下来的阶段是旋涂光刻胶。在电子束光刻中，实现一层均匀的电子敏感性光刻胶是至关重要的，这通常通过旋涂来完成。少量光刻胶（具体为AZ5214E）均匀分布在样品上，并通过高速旋转使其均匀涂布，如图1(b)中的红色部分所示。在我们的方法中，光刻胶层的厚度约为1-2μm。每次旋涂后，晶圆需要在90°C下烘烤3分钟，以去除残留的溶剂并固化光刻胶。
直接写入无掩模对准仪
在接下来的阶段，样品经过直接写入无掩模对准仪处理，此时它会暴露在激光下。激光沉积特定的电荷剂量，形成所需的图案，如图1(c)所示。激光的作用会打断光刻胶中的共聚物链。曝光后，晶圆被浸入显影液中并搅拌60秒。这个过程会选择性地去除光刻胶的曝光部分，从而在基板上显现出所需的图案。
(a)2英寸硅片基板。(b) 覆盖有光刻胶层（红色）的晶圆，厚度约为1μm。 (c) 根据布局设计，用激光去除光刻胶。
III. 工艺仿真
西门子Tecnomatix Process Simulate是一款功能强大的数字化制造解决方案，旨在通过3D环境验证制造过程。该软件通过在产品生命周期中虚拟验证概念，加快了产品上市时间。Process Simulate利用3D数据，促进复杂制造过程的虚拟验证、优化和调试，从而实现更快的产品推出和更高的生产质量。
Tecnomatix Process Simulate的关键功能包括3D仿真、碰撞检测、装配和机器人路径规划、资源建模以及人体工程学分析。它还支持详细的机器人编程和虚拟调试，确保机械和电气生产过程的全面验证。该软件能够模拟人类任务、可达范围和视野窗口，提升人体工程学和安全性。
使用Tecnomatix Process Simulate的好处显著。它通过早期发现设计问题减少更改成本，减少物理原型的需求，通过虚拟验证优化周期时间。该软件通过模拟现实的过程提高工艺质量，并支持在虚拟环境中进行生产调试的早期验证。这种早期验证通过模拟各种制造场景降低了生产风险。
Process Simulate与制造主干系统完全集成，使工程师能够高效地重用、创建和验证过程。其先进的3D环境和可扩展性为从装配到人工操作和机器人应用的制造过程提供了详细的见解。通过利用3D扫描，Process Simulate提高了仿真精度，加快了建模过程，从而最终提升了制造过程验证和优化的效率和效果。
IV. 三维模型制造设备
在整个仿真设置中，配置了一台带有抓手的机械臂，以及四个设备：加热板、旋涂机、晶圆清洗机和无掩模直接写入对准仪（MLA150）。此外，还包括一个2英寸的晶圆，如图2所示。
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| a. 机械臂 | b. 抓手 |
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| c. 加热板 | d. 旋涂机 |
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| e. 晶圆清洗机 | f. 无掩模直接写入对准仪 |
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g. 晶圆 |
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图2. 制造设备的三维模型 |
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V. 仿真
为了平衡成本与效率，同时考虑到可用空间，我将主要设备布置在工作台上无掩模直接写入对准仪的周围，如图3所示。
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| 图3. 仿真环境布局 | |
整个晶圆光刻工艺包括17个步骤。每个步骤通过数字信号相互连接，并由可编程逻辑控制器（PLC）进行控制。
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| 图4. 光刻工艺流程 |
VI. 参考文献
[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
