300mm半導(dǎo)體工廠(chǎng)的AMHS系統(tǒng)

1、300mm半導(dǎo)體工廠(chǎng)的AMHS系統(tǒng)在半導(dǎo)體制造技術(shù)高度發(fā)達(dá)的今天，300mm的半導(dǎo)體工廠(chǎng)已經(jīng)成為全球半導(dǎo)體行業(yè)的主流。由于300mm半導(dǎo)體生產(chǎn)線(xiàn)的巨額投入，人們不得不盡可能的挖掘300mm工廠(chǎng)的生產(chǎn)效率，以期得到更大的晶圓產(chǎn)出。一個(gè)功能強(qiáng)大且性能穩(wěn)定的AMHS系統(tǒng)在300mm工廠(chǎng)里扮演了一個(gè)非常重要的角色。AMHS系統(tǒng)不僅可以有效的利用寶貴的潔凈室的生產(chǎn)空間，并且還可以提高生產(chǎn)設(shè)備的利用率，縮短在制品WIP的Cycle Time，所以在很多的300mm的半導(dǎo)體工廠(chǎng)里，AMHS都被視為可以快速提升產(chǎn)能，增加生產(chǎn)效率的尖兵利器。AMHS系統(tǒng)在300mm半導(dǎo)體工廠(chǎng)的應(yīng)用特點(diǎn)和200mm晶圓相比，更大

2、的晶圓尺寸使得單批Lot的晶圓重量變得更大，僅憑在200mm工廠(chǎng)Intrabay內(nèi)的人工搬運(yùn)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿(mǎn)足300mm工廠(chǎng)的生產(chǎn)要求。因此，在300mm的半導(dǎo)體工廠(chǎng)里，生產(chǎn)方式的巨大變化也給AMHS系統(tǒng)提出了更高的要求。搬送方式的巨大進(jìn)化首先，是AMHS搬送方式從200mm工廠(chǎng)的SEMI Auto方式到300mm工廠(chǎng)Full Auto方式的轉(zhuǎn)變。如圖1紅色軌道所示：在200mm工廠(chǎng)所采用的Semi Auto生產(chǎn)方式中的Wafer搬送，只包括中央?yún)^(qū)域Interbay的AMHS搬送。而Wafer到生產(chǎn)設(shè)備的部分需要人工搬送來(lái)完成。而在300mm工廠(chǎng)里，由于wafer自身重量的增加，導(dǎo)致人工搬送異常

3、困難，故由AMHS系統(tǒng)取而代之直接將wafer搬送到生產(chǎn)設(shè)備，如圖1中的藍(lán)色軌道，這即是Full Auto的作業(yè)方式。這種方式極大減輕了生產(chǎn)一線(xiàn)操作人員的工作強(qiáng)度，同時(shí)又避免了因人為事故而造成的損失。更為重要的是，在工廠(chǎng)產(chǎn)能迅速提升的過(guò)程中，可以滿(mǎn)足大規(guī)模搬送量的AMHS系統(tǒng)的巨大優(yōu)勢(shì)可以完全呈現(xiàn)。其次，是Tool To Tool直接搬送的全廠(chǎng)性應(yīng)用。為了進(jìn)一步的節(jié)省FOUP的搬送時(shí)間，300mm晶圓廠(chǎng)的AMHS系統(tǒng)必須支持Tool To Tool的直接搬送。這種搬送模式可以使得FOUP不必經(jīng)過(guò)存儲(chǔ)設(shè)備Stocker的中轉(zhuǎn)，而直接從上一站的加工設(shè)備搬送到下一站的加工設(shè)備。如圖1所示：在沒(méi)有To

4、ol To Tool直接搬送的工廠(chǎng)內(nèi)，從Tool A到Tool B的搬送路徑為T(mén)ool AStocker01>Stocker02Tool B。但是在具備Tool To Tool直接搬送功能的工廠(chǎng)內(nèi)，如圖2所示，從Tool A到Tool B的搬送路徑為T(mén)ool ATool B。為了實(shí)現(xiàn)這種Tool To Tool的搬送功能，在AMHS系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)候，必須要考慮到Interbay和Intrabay的整合，工廠(chǎng)布局，搬送車(chē)輛和Stocker的選擇等多種因素。 AMHS系統(tǒng)整體性能的要求穩(wěn)定性：由于全廠(chǎng)都在大規(guī)模地應(yīng)用AMHS系統(tǒng)進(jìn)行Wafer的搬送，所以一旦AMHS系統(tǒng)發(fā)生故障將導(dǎo)致

5、全廠(chǎng)性的生產(chǎn)設(shè)備因沒(méi)有可供生產(chǎn)的Wafer而停止生產(chǎn)，進(jìn)而嚴(yán)重影響正常的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)?？紤]到在300mm半導(dǎo)體工廠(chǎng)內(nèi)，AMHS系統(tǒng)的穩(wěn)定性將直接關(guān)系到工廠(chǎng)的生產(chǎn)效率，工廠(chǎng)的管理者對(duì)于AMHS系統(tǒng)穩(wěn)定性也提出了極其苛刻的要求。高效性：與200mm半導(dǎo)體工廠(chǎng)的AMHS系統(tǒng)相比，300mm工廠(chǎng)的AMHS搬送量有了十倍以上的增長(zhǎng)。在面對(duì)巨大搬送量的時(shí)候，如何確保全廠(chǎng)的搬送效率，在更短的時(shí)間內(nèi)完成Wafer的搬送，對(duì)于AMHS系統(tǒng)而言是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。同時(shí)，AMHS系統(tǒng)搬送效率的高低，也將直接影響到生產(chǎn)設(shè)備的利用率，故在300mm半導(dǎo)體工廠(chǎng)的搬送時(shí)間都是以秒為單位進(jìn)行計(jì)算，且每一秒鐘的減少，都需要付出更多的

6、精心設(shè)計(jì)才可實(shí)現(xiàn)。最大化的利用生產(chǎn)空間在300mm工廠(chǎng)的生產(chǎn)車(chē)間內(nèi)，潔凈室的空間是極其昂貴的。而AMHS系統(tǒng)為了解決生產(chǎn)線(xiàn)上所有在制品WIP的存儲(chǔ)保管問(wèn)題，不得不占用大量的面積和空間。如何在滿(mǎn)足存儲(chǔ)和搬送要求的前提下，最大化的節(jié)省所占用的面積空間，是AMHS系統(tǒng)必須面對(duì)的一個(gè)難題。在200mm半導(dǎo)體工廠(chǎng)的AMHS系統(tǒng)中，為了盡可能的利用潔凈室的面積，提高單位占地面積的Wafer存儲(chǔ)量，比較經(jīng)常采用的方式是提升Stocker中央?yún)^(qū)域的天花板高度，并采用更高的Stocker型號(hào)，這種方式一般可以增加20%30%的wafer存儲(chǔ)量。在300mm半導(dǎo)體工廠(chǎng)的AMHS系統(tǒng)中，比較常用的方式是使用UTS(

7、Under Track Storage)，一種可以將Wafer存放在天花板下方空中的裝置，由于UTS可以不占用潔凈室的地面面積，有效地利用了潔凈室的空中區(qū)域，所以這種解決方案在300mm半導(dǎo)體工廠(chǎng)里的應(yīng)用非常廣泛，如圖3所示。AMHS系統(tǒng)的柔性設(shè)計(jì)在300mm半導(dǎo)體工廠(chǎng)內(nèi)，搬送軌道遍布整個(gè)車(chē)間，構(gòu)成了巨大且復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。雖然單個(gè)車(chē)輛個(gè)體或單一合分流的節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障，對(duì)于軌道控制系統(tǒng)不會(huì)產(chǎn)生大的影響，但是這種單點(diǎn)故障若發(fā)生在交通繁忙的路段，或者較長(zhǎng)時(shí)間不能解決的時(shí)候，將會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的交通擁塞，并導(dǎo)致整體搬送效率急速下降，從而影響到整個(gè)工廠(chǎng)的生產(chǎn)。因此，300mm的AMHS軌道控制系統(tǒng)必須具備故

8、障自我偵測(cè)和自我調(diào)整的柔性特點(diǎn)。當(dāng)某單一的軌道節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障，軌道控制系統(tǒng)可以自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)故障激勵(lì)，及時(shí)調(diào)整所有搬送車(chē)輛的運(yùn)行路線(xiàn)，并通知系統(tǒng)管理人員進(jìn)行緊急故障處理等功能。AMHS系統(tǒng)的性能分析和影響因素由于AMHS系統(tǒng)屬于較復(fù)雜的多元非線(xiàn)性系統(tǒng)，傳統(tǒng)的控制理論很難對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確的分析和性能優(yōu)化。為了對(duì)AMHS系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改善，首先需要確定可以準(zhǔn)確反映AMHS系統(tǒng)性能的指標(biāo)參數(shù)，并在此基礎(chǔ)上對(duì)那些關(guān)鍵性因素進(jìn)行模擬分析得出優(yōu)化方向，進(jìn)而在AMHS系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行中加以驗(yàn)證，從而得到預(yù)期的優(yōu)化效果。分析AMHS系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)在對(duì)AMHS系統(tǒng)進(jìn)行性能分析的時(shí)候，一般會(huì)從以下兩個(gè)

9、方面進(jìn)行判斷：穩(wěn)定性：MTBF和MTTR是在衡量系統(tǒng)穩(wěn)定性方面最常用到的兩個(gè)參數(shù)。MTBF(Mean Time Between Failure)表示系統(tǒng)硬件的故障頻率，這個(gè)數(shù)據(jù)越低，表示系統(tǒng)的硬件越穩(wěn)定，故障率越低。而MTTR(Mean Time To Repair)表示系統(tǒng)硬件發(fā)生故障時(shí)候的修復(fù)時(shí)間，這個(gè)數(shù)據(jù)越低，表示系統(tǒng)硬件的可修復(fù)能力越高，可在線(xiàn)使用的能力越高。高效性：在衡量AMHS系統(tǒng)的搬送效率的時(shí)候，平均搬送時(shí)間和三西格瑪?shù)陌崴蜁r(shí)間是最常用到的兩個(gè)指標(biāo)。平均搬送時(shí)間是指在某單位時(shí)間段內(nèi)完成的所有搬送任務(wù)的平均搬送時(shí)間，而三西格瑪?shù)陌崴蜁r(shí)間則是借用了統(tǒng)計(jì)學(xué)上的一個(gè)概念：即在三西格瑪?shù)陌?/p>

10、送時(shí)間內(nèi)完成的搬送任務(wù)的數(shù)量占到總體搬送量的三西格瑪（99.97%）。在Full Auto作業(yè)模式下的這兩個(gè)指標(biāo)將直接關(guān)系到生產(chǎn)設(shè)備能否保證較高的生產(chǎn)利用率，甚至?xí)绊懙絎afer的Cycle Time。因此，大部分300mm工廠(chǎng)的管理者對(duì)于這個(gè)性能指標(biāo)都會(huì)設(shè)定極其嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。影響AMHS系統(tǒng)搬送性能的主要因素通常，影響AMHS系統(tǒng)搬送性能的因素可以從AMHS系統(tǒng)的硬件特性和系統(tǒng)控制軟件兩方面去分析。首先，系統(tǒng)的硬件因素主要考慮以下幾點(diǎn)：OHT行走速度和加速度：OHT的行走速度和加速度是影響AMHS系統(tǒng)整體運(yùn)行效率的重要參數(shù)。更高的行走速度和加速度可以有效地降低單次搬送的時(shí)間；但是當(dāng)AMHS系

11、統(tǒng)的搬送任務(wù)過(guò)于頻繁的時(shí)候，OHT本身會(huì)遇到經(jīng)常性的臨時(shí)停車(chē)，這個(gè)時(shí)候過(guò)高的速度和加速度反而會(huì)增加OHT車(chē)體本身的負(fù)擔(dān)，加快OHT車(chē)體的磨損。因此，大部分的AMHS系統(tǒng)制造商都會(huì)根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定最佳的行車(chē)速度，而不是盲目的追求更高的行走速度。OHT的升降馬達(dá)的運(yùn)行速度：OHT的升降馬達(dá)主要是用來(lái)將FOUP從軌道高度的位置下降放置于生產(chǎn)設(shè)備的Port上或者反之將FOUP從設(shè)備的Port上傳送到OHT上。因此，升降馬達(dá)的運(yùn)行速度也會(huì)影響AMHS系統(tǒng)整體的搬送時(shí)間，但考慮到生產(chǎn)設(shè)備操作人員的安全問(wèn)題，升降馬達(dá)的速度一般不會(huì)設(shè)置過(guò)高。軌道的設(shè)計(jì)和布局：軌道的設(shè)計(jì)模式和拓?fù)洳季质怯绊慉MHS系統(tǒng)搬送效率

12、的關(guān)鍵因素。在設(shè)計(jì)軌道拓?fù)洳季值臅r(shí)候，需要考慮到OHT行走路線(xiàn)的優(yōu)化、最短路徑的設(shè)計(jì)、軌道通行的冗余能力、OHT交匯路口的設(shè)計(jì)等問(wèn)題。一個(gè)優(yōu)秀的軌道布局設(shè)計(jì)，不僅可以縮短O(píng)HT的行走路程，還可以提高軌道整體的冗余能力，增加在單點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)候軌道系統(tǒng)的健壯性。其次，系統(tǒng)的軟件方面主要考慮以下幾個(gè)因素：OHT行走路徑的選擇：OHT在出發(fā)至目的地之前需要確定最優(yōu)的行走路線(xiàn)，以便盡可能的減少搬送時(shí)間。在分析比較各種不同行走路徑的時(shí)候，通常需要考慮每條行走路徑實(shí)際的行走距離；路途障礙物的數(shù)量；中途交匯路口的數(shù)量；路徑中途有無(wú)單點(diǎn)故障發(fā)生等因素。同時(shí)，當(dāng)OHT行走路徑確定后出發(fā)的時(shí)候，如果有影響到路徑選擇

13、的意外事件發(fā)生，OHT可以重新計(jì)算最優(yōu)路徑，并動(dòng)態(tài)改變之前的行走路徑。最佳OHT的搜索邏輯：OHT的搜索邏輯是用來(lái)確定當(dāng)某一個(gè)站點(diǎn)有搬送請(qǐng)求發(fā)生的時(shí)候，AMHS系統(tǒng)如何選擇最優(yōu)的OHT來(lái)完成這個(gè)搬送任務(wù)。一般而言，如果僅僅認(rèn)為只要是距離最近的沒(méi)有任務(wù)的空車(chē)就是最優(yōu)的OHT，那是不完全正確的。若考慮到更加復(fù)雜的情況，即當(dāng)多個(gè)站點(diǎn)都發(fā)生了搬送請(qǐng)求事件的時(shí)候，如何確定多站點(diǎn)的最優(yōu)OHT，并且加上允許改變之前有搬送指令的空車(chē)的搬送指令的條件，則需要一個(gè)復(fù)雜算法的幫助才能真正確定系統(tǒng)整體的最優(yōu)選擇。不過(guò)可惜的是，復(fù)雜算法通常會(huì)消耗控制系統(tǒng)大量的CPU資源，且更易導(dǎo)致控制系統(tǒng)的不穩(wěn)定。故在實(shí)際工廠(chǎng)的應(yīng)用中

14、，無(wú)法確定對(duì)于系統(tǒng)整體搬送最優(yōu)的OHT。軌道交通的控制邏輯：交通控制主要是解決在OHT行走至交匯路口時(shí)的優(yōu)先通行問(wèn)題。使排隊(duì)等待通過(guò)交匯路口的所有OHT車(chē)輛有序且高效的通行是軌道交通控制最主要的目的。但在大部分情況下，考慮到控制程序的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)人員通常仍會(huì)舍棄更為智能化的控制邏輯而采用邏輯簡(jiǎn)單容易操作的交通控制程序。AMHS系統(tǒng)所面臨的挑戰(zhàn)和未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)在2007 SEMICON Taiwan的高峰論壇上，TSMC發(fā)表了未來(lái)五年內(nèi)建設(shè)啟用450mm半導(dǎo)體工廠(chǎng)的豪言壯語(yǔ)。隨著更多的半導(dǎo)體制造商的積極投入，450mm半導(dǎo)體工廠(chǎng)似乎將不再遙遠(yuǎn)。到那時(shí)，AMHS系統(tǒng)在450mm半導(dǎo)體工廠(chǎng)的生產(chǎn)過(guò)程中將發(fā)揮更加重要的作用，同時(shí)也會(huì)面臨更為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。AMHS系統(tǒng)的使用者和管理人員提出的每一個(gè)近乎于苛刻的要求，對(duì)于AMHS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)，都將是技術(shù)進(jìn)步的動(dòng)力來(lái)源和未來(lái)的挑戰(zhàn)方向。1）在450mm半導(dǎo)體工廠(chǎng)內(nèi)，雖然Wafer尺寸僅僅增加1.5倍，但Wafer重量卻增加2.25倍。為了適應(yīng)重量更重的Wafer的搬送，AMHS的制造商將不得不對(duì)OHT的負(fù)載能力，軌道強(qiáng)度，廠(chǎng)房結(jié)構(gòu)等多方面進(jìn)行重新計(jì)算評(píng)估，并相應(yīng)的提高AMHS系統(tǒng)的硬件性能。2）對(duì)于尺寸更大的Wafer，若采用傳統(tǒng)Stocker的存儲(chǔ)方式，必將浪費(fèi)更多的潔凈室空