半导体良率跃升的密码，为何是AI+虚拟孪生？

从智能手机到功能强大的AI数据服务器，所有联网设备的核心都是半导体。多年来，半导体不断发展演变，如今已成为由复杂的3D结构和精密的工艺集成构成的迷宫，以容纳其内部数十亿个晶体管。半导体在我们互联生活的方方面面都得到了广泛应用，这充分证明了精密制造技术将这些工程奇迹转化为现实世界的强大能力。 

在芯片制造中，即使是最微小的缺陷也可能导致整片晶圆报废。长期以来，提高良率一直是一个缓慢而艰辛的过程，工程师们主要依靠经验测试、分析实物晶圆并进行迭代调整，而且往往是被动的。这种实践学习方法虽然曾经有效，但现代芯片设计的复杂性使其面临更大的挑战。  

但随着人工智能 (AI) 和机器学习 (ML) 技术的进步，提高良率的努力正转向虚拟领域：在这个世界里，软件能够预测故障、精准定位根本原因，甚至在蚀刻任何一块物理晶圆之前就提出解决方案。结合先进的虚拟化技术，AI/ML 正在推动芯片生产迈入一个速度、效率和洞察力都达到新时代的变革。诸如 Fabtex™ 良率优化器等开创性解决方案，正引领着这一变革。Lam Research 于今年早些时候在 SEMICON West 展会上推出了该方案。 

传统优化技术存在不足 

传统上，提高良率的方法侧重于解决个别问题和进行大量的晶圆级测试，这种方法既缓慢又成本高昂。每浪费一片晶圆都意味着在材料、设备时间和人工方面的大量投资，而解决工艺相关故障的延误可能会使产品上市日期推迟数月。  

此外，现代晶圆厂产生的数据量极其庞大，仅靠传统分析方法很难识别系统性问题或复杂的多步骤交互作用，这不仅会造成瓶颈，还会演变成一场高风险的“打地鼠”游戏。工程师在解决一个难题的过程中，有时会无意间制造出新的难题，这不仅会进一步限制良率优化，还会减缓技术推向市场的速度。  

这一智能解决方案源于人工智能、机器学习和虚拟孪生技术的强大融合，旨在显著减少对成本高昂、耗时的物理实验的依赖。该方法基于物理模型，例如用于创建高精度虚拟硅孪生的模型。这些模型并非简单的计算机模拟，而是经过验证的数字副本。名为 SEMulator3D® 的虚拟平台能够精确模拟真实的制造工艺和结构，甚至细致到芯片的每一个特征层面。这些虚拟孪生在各种工艺条件下表现出的性能与其物理原型完全一致。 

进行假设分析，避免浪费 

应用人工智能和机器学习算法后，工程师们能够进行无数次“假设分析”，以闪电般的速度测试不同的工艺参数及其影响，而无需消耗任何物理晶圆。通过分析来自虚拟孪生模型和真实晶圆厂数据的海量数据，人工智能/机器学习系统可以迅速识别出可能被人类忽略的细微工艺偏差，并预测其对良率的精确影响。  

至关重要的是，这种集成方法与独立的机器学习解决方案不同，它将人工智能/机器学习与基于物理的建模相结合，从而揭示因果关系。也就是说，它不仅告诉你存在问题，还会告诉你问题发生的原因以及如何解决，从而提供真正的根本原因分析，并能够追溯整个流程。  

Fabtex™ 良率优化器平台是 Lam Research 创新型 Semiverse® 解决方案组合的一部分，它将经过验证的虚拟硅与基于物理的建模和 AI/ML 相结合，从而改变了良率优化的方法，并由此开启了制造卓越新时代。 

收获收益 

要了解这种转变的影响，请考虑产品上市时间和良率优化的显著加快，因为缺陷和工艺偏差可以在新产品导入 (NPI) 阶段更早地被发现和纠正。  

与其逐一解决良率瓶颈，人工智能和虚拟孪生技术能够实现并行优化，使工程师可以同时应对多个良率限制机制。其结果是良率显著提升，取代了缓慢渐进的改进。此外，这还能减少达到目标产量所需的迭代周期，从而实现一次性交付合格芯片。  

这一转变也对降低成本和减少浪费产生了深远的影响。由于所需的物理实验减少，制造商可以大幅减少废旧晶圆、掩模、化学品和人工成本，从而全面节省开支。这也有助于提高设备利用率和整体运营效率。通过及早发现并预防良率偏差，这项技术能够主动解决问题，防止问题影响大批量生产。 

Fabtex™ 良率优化器能够更快地识别故障模式，提高良率，并缩短产品上市时间。 

最后，人工智能/机器学习与基于物理的模型相结合，可以提供更深入的见解和更稳健的解决方案，因为它能够揭示许多工艺步骤中极其复杂的相互作用，即使是在复杂的 3D 结构中，也能真正识别根本原因。  

芯片制造的智能未来 

人工智能/机器学习驱动的制造业变革并非纸上谈兵。领先的制造商已经通过这些先进的软件解决方案获得了显著价值，例如更快的缺陷解决速度和更高的良率，这些解决方案也使工程师能够将决策流程从被动应对转变为主动优化。  

随着芯片不断朝着更加复杂的方向发展，人工智能、机器学习和基于物理的虚拟化技术的集成能力对于推动半导体行业的创新、可持续发展和竞争优势至关重要。 

芯片制造的未来不仅在于速度更快，还在于更智能、更高效。