天车系统VS移动机器人-半导体工厂自动化物流系统应用现状及趋势解读

移动机器人产业联盟 2022-11-15 18:06

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文｜新战略

半导体行业自动化物流运输系统的发展

随着信息产业的迅猛发展，半导体的需求量快速增长。如果利用人工搬运，不仅不符合工程的要求，也会降低产品的质量。因此，一个功能强大且性能稳定的自动化物料搬运系统AHMS应运而生。AMHS系统能够有效利用有限的洁净室生产空间，提高生产设备的利用率，减少制品量，缩短周期时间等。因此，如何优化AMHS系统运行效率，对于提升半导体制造企业的竞争力有着重要影响。

一般而言，半导体晶圆制造厂的AMHS分为两大子系统: 一个是interbay搬运系统，主要负责加工中心间的搬运任务；另一个是intrabay搬运系统，主要负责加工中心内的搬运任务。

2000年前后，半导体产业开始从8寸的晶圆制造，跨越到12寸的晶圆制造。制造产线的大幅升级不仅对制造专机提出挑战，对晶圆制造传输系统的自动化要求更是前所未有的。因为在12寸晶圆及之前的生产，人工搬运并不会对生产效率和产品良率产生足够明显的影响。但是12寸晶圆的所受应力、形变导致的不良率、相关联设备空转等因素深刻影响了生产线的运转，而且密封性更高的晶圆盒总重量超过10kg，人工长距离搬运开始变得不实际。

在8寸工厂中，用于运输晶圆的AMHS仅限于在存储设备之间移动晶圆载具，即Interbay物料运输系统，以及有限的Interabay系统的实施，如用于将晶圆载具从自动仓储系统移动到设备装载口，反之亦然。因此，从启发式的角度来看，业界对如何在工厂中以自动化的方式移动晶圆有一定的了解，但基础有限。

12寸晶圆厂的战略是拥有完全自动化的物料运输、Interbay和Intrabay能力，包括运输工具到工具，又称: 混合Interbay和Intrabay统一系统，要解决的主要问题是每小时数千次(mph)的持续物料移动，而生产人员不必做这项工作，从而避免整个晶圆厂数百人所需的人体工程学问题和难以管理的mph。

为了协助工业界过渡到12寸的晶圆制造，SEMATECH（半导体制造技术协会）成立了12寸组织（I300I），提出并建立了一套半导体自动化生产的标准模型，通过天车（OHT）、AGV、RGV和PGV的协作努力，提升整条产线的生产效率。在这个模型中，生产设备是中央区域（Interbay）延伸出的许多区块（Intrabay）。每一个区块对应着一个用于该区块存储的存储栈（Stocker，又名晶圆库）和属于自己区域的走道。

只是在实际的发展中，OHT的速度和成熟度远高于混合模型的其它部分，在此前，OHT几乎垄断了半导体晶圆制造的全部AMHS系统。

“OHT”是Overhead Hoist Transport的简称，是指能够在空中轨道上行驶，并能够通过皮带传动起重机构“直接”进入保管设备或工艺设备的装卸口，应用于工序区内部运输，也应用于工序区间或工厂间运输。

相对于其它专机的投入，如ASML的EUV光刻机卖出1.5亿欧元的高价，OHT的成本投入是可以被业界接受的。在十年前和更早的研究中，主要聚焦在AMHS的软件控制层面，针对点对点的运动方式、实时响应、路径优化、配给优化等方面做了大量的研究。从AMHS实现点对点开始，FAB工厂的自动化生产系统已经非常接近当前的智能制造了；OHT在越过Stocker（仓储）进行不同工艺的直接送料时，已经将各个工作台的生产信息汇集到一个中央调度系统。相关研究很快到达了瓶颈，FAB工厂也基本实现了现有设备最大可利用效率的90%或者更高，因此，OHT系统也被广泛认定为12寸FAB及下一代FAB的主力搬送系统。

OHT系统&移动机器人

但FAB工厂的晶圆制造AMHS要进一步提升产能和效率，仅依靠OHT工作效率的提升是不现实的。OHT受制于轨道铺设、单维运动等因素，在未覆盖区域的人工干预是必要的。而要实现全厂OHT覆盖，AMHS系统的成本会非常高，而柔性极强的移动机器人可以打通这些节点，连通FAB工厂净室和非净室的物料交互，实现了整个FAB工厂的智能制造。

因此，当前在半导体制造厂(fab)的运输系统中，使用AGV/AMR车队是一个越来越受欢迎的选择，AGV/AMR可以作为现有运输系统的补充，也可以作为实现运输自动化的第一步。

从物流的角度来看，半导体的制造是一个非常复杂的过程。为了在一片晶圆上制造电路，需要在不同的设备(工具)上进行多达500个工艺加工步骤。整个制造过程可能需要几个月的时间。根据所需的产出，特定晶圆通过的工具的数量和顺序可以有很大的不同。由于在一个FBA工厂中可能有多达数百个工具，整个生产可以被视为一个巨大的工作车间问题。

在8寸和12寸晶圆厂中，运输系统负责运送和回收晶圆载具和光罩。在12寸晶圆厂中，目前最受欢迎的是OHT系统。OHT系统可以由几公里长的轨道、数百辆车组成，并为多达数千个工具装载口和缓冲区提供服务。由于布局和结构的原因，目前少有8寸晶圆厂应用OHT系统。因此，在许多8寸晶圆厂中，运输主要由人工完成，或部分由传送系统完成。

在12寸晶圆厂，AGV/AMR不能取代现有的OHT系统，而应被看作是一种补充。AGV/AMR特别适用于那些没有达到经济上合理的OHT系统操作条件的子领域。这可能是由于特殊的运输货物、空间限制，甚至是由于较低的产量。OHT天车负责空中轨道高速传输作业，地面上由AMR来实现高弹性效率作业，实现由STOCKER、OHT、AMR、EQ间无死角无盲区对接，真正实现FAB车间无人化自动生产。

在8寸晶圆厂，AGV/AMR可以帮助提高自动化程度，从而有助于提高工艺的可靠性，因为它可以替代容易出错的人工处理和运输活动。

半导体领域主要应用移动机器人类型

在半导体领域，目前主要应用的移动机器人类型有复合移动机器人、潜伏顶升式AGV、辊筒对接AGV、叉车AGV等类型产品，同时还有一些企业针对半导体某些场景的需求打造的定制化行业专机。但整体而言，当前，在半导体领域应用的多种AGV/AMR中，复合移动机器人是应用最多的产品，也是技术难度最高的。

复合移动机器人系统（基础硬件平台）中，机械臂位于移动机器人上，可随机器人灵活移动，便于进行机械臂与AGV/AMR相互定位、通讯、配合等功能，配合视觉系统、末端工具等可实现对特定物体的识别、巡检、抓取等功能。在半导体行业，复合移动机器人主要用于晶圆盒、弹夹上下料。

值得注意的是，半导体由于严苛的生产要求也对上游设备厂商设置了一定的“准入门槛”。首先是移动机器人运行平稳性的要求，由于要搬运晶圆等精密元件，机器人要防震、防抖动；其次是安全性要求，这是半导体封测厂对导入AGV/AMR一个非常大的考量点，工厂内昂贵的半导体设备经不起任何碰撞；第三则是设备的洁净度要求。

从长远来看，导入移动机器人是半导体行业提高工厂自动化与信息化的关键举措，伴随着半导体自动化升级的进一步深入以及移动机器人技术的更加成熟，相信移动机器人在半导体领域的落地速度将不断加快！

为了解析当前移动机器人在半导体领域的解决方案与市场应用现状，12月15日，由中国移动机器人（AGV/AMR）产业联盟主编，捷螺智能设备（苏州）有限公司冠名，深圳优艾智合机器人科技有限公司、苏州海豚之星智能科技有限公司、杭州蓝芯科技有限公司、斯坦德机器人（深圳）有限公司、浙江欣奕华智能科技有限公司、优傲机器人贸易(上海)有限公司联合参编的《半导体行业用移动机器人（AGV/AMR）解决方案蓝皮书（2022版）》将在“中国移动机器人（AGV/AMR）产业发展年会”上正式发布，参会人员现场可免费获得蓝皮书纸质版一份，敬请期待！