8、数字孪生在制造业的应用与挑战

数字孪生在制造业的应用与挑战

1. 生产过程控制方法

在生产过程中，保持稳定是一个关键目标，但实际操作中往往存在诸多因素，使得过程难以稳定。过程控制方法能够确保过程稳定在目标值。常见的过程控制方法有传统统计过程控制（SPC）和先进过程控制。

1.1 传统统计过程控制（SPC）

SPC 使用控制图来监控过程是否发生严重变化。若系统保持在预定边界内，则无需调整；若超出边界，则必须停止并检查机器，直至找到异常值。然而，这种方法不适用于半导体制造，因为半导体生产必须连续进行，不能容忍停机。而且，如果上下控制限设置过窄，会增加误报率，延长晶圆产出时间，导致半导体代工厂交货延迟和重大损失。所以，基本的 SPC 无法解决半导体过程中产生的漂移问题。

1.2 先进过程控制

先进过程控制可以利用预测量的晶圆批次之间的差异。该系统能够考虑不可控的干扰值来确定过程参数，使过程达到所需的目标稳定值。在传统控制系统中，必须设置控制参数，而这些参数的设置会深刻影响结果。这类控制方法通常会对模型输入和输出（IO 模型）以及控制器做出假设，使用特定类型的干扰分布，设置相同的控制参数值组合，并研究长期稳定性以找到稳态区域。

2. 半导体制造面临的问题

半导体行业产品变化迅速，一个半导体制造系统平均有 300 - 500 个制造系统过程，过程因素众多。薄膜处理前的稳定性会影响产品每层制造后的产量。即使使用数学模型，也难以估计和预测每批的干扰情况。控制系统在稳态情况下可以假设一个固定的干扰值用于长控制参数，但这与实际过程条件不符，过程干扰值通常会随时间变化。因此，如何确定控制器的参数至关重要，同时，逐批动态调整控制参数的过程也