半導體製程的模擬
By Vince Liu
17 JUN 2021
大家可能都知道很多領域包括半導體產業都有在用Simulator (模擬器)，但是實際接觸的人可能比較少。為什麼半導體產業要花這麼多資源去開發Simulator甚至有專門做Simulator的公司呢？Simulator對於半導體製造的好處是什麼？
什麼是Simulator (模擬器)？
NVIDIA在4月的時候正式發佈了一款叫「Omniverse Enterprise」的模擬平台，它號稱可以做各種不同的應用包括室內設計、模擬工廠的設計和使用情境、藝術創作還有影片特效模擬等等......。而很多不同的公司包括BMW也應用Omniverse來做模擬，BMW用這個平台來模擬他們產線的配置，並根據不同的情況來做模擬並設計新的工廠配置。
Simulator (模擬器)，是一種可以讓使用者在將點子付諸實踐之前，預先了解可能會有的結果的數值模擬工具。它的好處是，幫助使用者將複雜的細節也考慮進去，由於電腦的彈性，使用者可以較容易的考慮到比用紙筆思考更複雜的情形。在早期，由於電腦的計算能力還沒有那麼強大，數值模擬在業界算是比較輔助的工具。但隨著運算能力的大幅進步，各種商用化的軟體變得越來越好用，在工業上產生了很多的好的Simulator應用。而模擬時間的大幅下降，也讓即時的模擬變得可能，而因此開啟了更多元的實際應用。
影片1. NVIDIA的Omniverse Enterprise介紹 (Source: NVIDIA)
半導體製造產業的Simulator
半導體產業也用到很多Simulator嗎？
在半導體產業中，由於半導體製造的複雜度越來越高，為了更好的優化設計和製造流程（半導體製造的進展就是奠基在所有一點一滴的優化上)，許多半導體公司都有發展了很多Simulator，而這些Simulator也不只有輔助的作用，其實在製程優化的角色上也扮演了非常重要的角色。我們來舉例幾個半導體製造Simulator的例子：
Coventor by Lam Research (製程模擬)：如圖2，Coventor是一家半導體製程3D模擬的公司，它的軟體可以讓使用者模擬不同製程步驟的3D情況。也因為它有這種模擬能力，所以使用者可以在這個軟體上面做各種不同製程的模擬實驗。Lam Research為了增強自己在製程控制上的能力，在2017完成了對Coventor的併購。在Coventor的網頁裡有很多不同製程模擬的例子，透過不同製程的模擬，客戶可以找出在不同製程設計下需要注意的事情還有可以從這些虛擬實驗中優化某些製程參數，而Lam Research也可以將他們對製程的了解熔進這個Simulator當中，進一步的增加其準確度。
圖2. Coventor的SEMulator3D產品：這是一款可以模擬半導體製程的3D Simulator（Source: Lam Research)
D4C by ASML (檢測光學模擬)：如圖3，D4C(Design for Control)是ASML所出的一套光學模擬軟體，專門用來模擬ASML旗下檢測機台YieldStar的繞射光柵訊號，透過優化檢測機台所搭配的繞射光柵，ASML檢測機台的性能得以被大幅優化。由於在繞射光柵的設計上不同光柵設計會影響檢測機台最終的性能發揮，D4C可以幫助使用者模擬各種不同的繞射光柵設計進一步挑選出最好的設計。而它主打的，不只是可以模擬各種可能性，更可以模擬在製程有浮動時，挑出對製程最不受製程變化影響的設計（Robustness)
圖3. ASML的D4C光學Simulator：這是一款可以量測機台繞射光柵訊號的產品（Source: ASML)
PROLITH by KLA (曝光模擬) : PROLITH是一個模擬黃光製程的Simulator，它能夠模擬黃光製程裡光學還有光阻的化學反應。它在1983年被開發出來的時候是免費的，直到1990年PROLITH被商業化，而後其母公司FINLE Technologies在2000年被KLA併購，PROLITH也成為了KLA旗下的一款產品。
圖4. KLA的PROLITH：這是一款模擬黃光製程的Simulator，母公司FINLE Technologies在2000年被KLA併購（Source: KLA)
Simulator演化成半導體產業的支柱 (之一) 的原因
半導體製程非常複雜，為了應付其複雜度，半導體製造設備這幾十年來已經不只是提供設備本身，而是特化成三大領域：製造設備本身、量測設備以及模擬/應用工具。半導體業界是非常頻繁的使用Simulator的，主要有下列原因：
1. Simulator可以大幅度降低試誤的成本：
半導體製造任何的實驗都是有成本的，而且成本非常高。不管是新的光罩的製作的費用，晶圓製造的費用及時間（現在做一片完整的wafer可能需要1個月以上)，如果任何的嘗試都需要用實驗來驗證的話，那會產生非常巨大的金錢和時間成本。而Simulator可以幫助設計者在初期就排除掉很多沒有用的設計，大幅的降低實際試誤的成本。
2. Simulator可以幫助設計者發想&收斂出好的方向：
半導體製造因為很複雜，有非常多的變數要考量，Simulator讓使用者可以快速的大量嘗試不同的參數，進而找出一個好的方向。而在沒有Simulator之前，人們要靠自己手動的計算不同可能，基本上很難把所有參數空間都考慮到。
3. Simulator可以當作診斷工具的一部分：
在解決問題、猜想問題發生成因時，使用者也可以用Simulation去驗證猜想，快速收斂問題成因，再將幾個理論上可能的猜想去做實際驗證，進而加快解決問題的速度。
4. SImulator是很好的教育訓練工具：
由於Simulator裡內建了很多領域知識，所以新進員工可以透過使用Simulator, 去快速理解這個領域的知識。由測試不同參數模擬的練習當中，新進員工可以快速地對什麼樣的成因造成什麼樣的現象有快速的理解，快速的增加對實務情況的判斷能力。
Digital Twin & Simulator
另外，也提一下最近很流行的Digital Twin的概念。Digital Twin是將實際的物體比如說工廠或產線在電腦裡製作一個一樣的虛擬物體的概念，而根據實際物體上的sensor所蒐集到的資料，電腦裡的Digital Twin可以一直近乎即時的被做更新。它的好處是可以讓員工在不用到現場的情況底下快速地取得他們所需要的資訊以做最好的判斷和決策。
它其實就是一種Simulator概念，而如果將這個概念再去做延伸的話，使用者可以根據目前的狀況去模擬未來在不同情況發生的時候會是什麼樣的情況。所以說，企業可以用Digital Twin來快速的掌握目前最新的狀況，甚至延伸去模擬各種不同的未來情況，再去做不同的Scenario Planning（根據不同的Scenarios來模擬各種不同解決方案的利弊)，以幫助公司做最佳的決策。
結論：模擬在半導體製造中的價值
Simulator的好處當然是可以準確模擬一些物理化學現象幫助工程設計，在半導體產業內也有很多很棒的應用，比如說是我們之前提的製程模擬或是光學模擬。但是，在結論裡我想將使用Simulator好處的討論從功能性的好處提升到決策 / 輔助決策的層次，也就是Simulator在半導體設計或是製造的整體效果上有什麼好處：
1. 探索可能性：
Simulator其實可以看成是一個幫助思考的好工具，它幫助使用者更有效率地去探索各種不同的可能性。
2. 降低風險和實驗成本：
Simulator能在設計階段降低風險，相對於成本較高的實驗，Simulator能幫助使用者以較低的成本（時間/資源) 將設計做好，降低設計錯誤的風險。
3. Simulator是研發團隊的好工具：
在非常複雜的半導體設計和製造流程中，Simulator其實是大量地被應用的，尤其是在研發階段，研發階段其實很多靈感的發想和討論其實都可以用Simulator來實現。研發的本質其實是大量的嘗試然後找到好的方法，而Simulator是個非常好的工具。
4. Simulator可以輔助決策：
最後，Simulator可以幫助決策者作Scenario Planning，它可以用來預測在各種不同未來演變下可能會發生的情況，也能夠進一步的模擬不同情況下可能的解決方案，幫助決策者根據不同的情況來做決策，增加決策的效率（當然，任何模擬都會有誤差，使用者必須根據對其使用的Simulator的了解以及真實情況去做正確的判斷）。