数字孪生技术及虚拟晶圆厂的定义及发展现状

半导体行业作为现代信息技术的核心，正经历着前所未有的技术革新。随着摩尔定律的推进，半导体制造工艺不断向更小节点迈进，带来了巨大的技术挑战和成本压力。数字孪生技术及虚拟晶圆厂的概念应运而生，它们通过创建物理实体的数字副本，模拟、分析和优化物理实体的行为和性能，为半导体制造行业提供了新的解决方案。本文将探讨数字孪生技术及虚拟晶圆厂的定义、发展现状，并分析其对半导体行业的深远影响。

关键词：数字孪生技术、虚拟晶圆厂、半导体制造、工艺优化、数据驱动

一、数字孪生技术的定义与应用

数字孪生技术是一种将物理实体与其数字表示相结合的概念。通过创建虚拟模型来模拟、分析和优化物理实体的行为和性能，数字孪生技术在半导体制造领域展现出巨大潜力。在半导体制造过程中，数字孪生可以模拟整个晶圆生产过程，预测工艺参数，优化生产流程，从而提高良率，降低成本，加速产品上市。根据弗若斯特沙利文的数据，预计到2030年，全球虚拟晶圆厂相关软件市场规模将达到1517.1亿人民币，中国虚拟晶圆厂市场规模将达到493.2亿人民币，显示出数字孪生技术在虚拟晶圆厂应用中的快速增长趋势。

数字孪生技术的核心在于其能够实现实时数据流和分析与其真实世界的对应物进行持续同步。这种技术的应用不仅能够缩短生产时间，减少试错成本，还能够降低过程开发成本。例如，通过数字孪生技术，可以在虚拟环境中测试新的工艺设计，比较不同方法的调度和工艺控制，增加创新和生产灵活性。这种技术的应用，使得半导体制造商能够在无风险的虚拟环境中尝试各种工艺参数和配置，识别和纳入未考虑的复杂物理现象，实现优化的制造过程、提高产量并减少浪费。

二、虚拟晶圆厂的发展现状与趋势

虚拟晶圆厂，也称为数字孪生晶圆厂，是一种基于计算机模拟和数字孪生技术的概念，用于模拟和优化半导体晶圆制造过程。它是将实际晶圆制造工厂的物理实体和操作转化为数字模型的虚拟表示。通过虚拟晶圆厂，制造商可以进行各种实验和优化，以改进工艺参数、减少缺陷率、提高产能和降低成本。虚拟晶圆厂可以帮助制造商更好地理解和预测实际晶圆制造过程中的变化和影响因素，从而优化生产计划和决策。

随着全球范围内晶圆厂的快速扩建，先进工艺晶圆产能加速提升，发展虚拟晶圆厂技术以降低设计和生产成本的紧迫性显著提高。据国际半导体产业协会（SEMI）预测，全球半导体制造产能预计将在2024年增长6%，并在2025年实现7%的增长，达到每月晶圆产能3370万片的历史新高。其中，先进产能扩张速度高于总体产能，5nm及以下节点的产能预计在2024年将增长13%。在这种背景下，虚拟晶圆厂的发展显得尤为重要。

虚拟晶圆厂的优势在于其能够改进决策、降低成本和风险、缩短上市时间等。运营团队借助传感器、数据处理及可视化工具，决策更高效。虚拟晶圆厂利用数字孪生技术，能降低缺陷和生产延迟风险。一是模拟制造过程，提前揪出潜在问题；二是量化不确定性，扰动模拟助高层决策；三是指导高效恢复生产，应对重大干扰；四是虚拟预投产新设施，提前识别关键问题。

三、数字孪生技术在虚拟晶圆厂中的实践案例

在全球范围内，已有多个企业和研究机构在虚拟晶圆厂领域取得了显著进展。例如，IMEC推出的虚拟晶圆厂IMEC.NETZERO模拟平台，能够模拟整个集成电路制造过程，并提供各种环境指标的可视化工具，是一款用于评估和减少集成电路制造环境影响的强大工具。此外，Applied Materials公司基于计算机模型和传感器数据，推出了APPLIED TWIN数字孪生解决方案，可应用于工艺、腔室、设备等多个场景，并有助于企业实现可持续发展目标。这些实践案例表明，数字孪生技术在虚拟晶圆厂中的应用正逐步成熟，并为半导体制造业带来了实质性的改进。