300mm半导体工厂的AMHS系统

300mm半导体工厂的AMHS系统在半导体制造技术高度发达的今天，300mm的半导体工厂已经成为全球半导体行业的主流。由于300mm半导体生产线的巨额投入，人们不得不尽可能的挖掘300mm工厂的生产效率，以期得到更大的晶圆产出。一个功能强大且性能稳定的AMHS系统在300mm工厂里扮演了一个非常重要的角色。AMHS系统不仅可以有效的利用宝贵的洁净室的生产空间，并且还可以提高生产设备的利用率，缩短在制品WIP的CycleTime，所以在很多的300mm的半导体工厂里，AMHS都被视为可以快速提升产能，增加生产效率的尖兵利器。AMHS系统在300mm半导体工厂的应用特点和200mm晶圆相比，更大的晶圆尺寸使得单批Lot的晶圆重量变得更大，仅凭在200mm工厂Intrabay内的人工搬运已经远远无法满足300mm工厂的生产要求。因此，在300mm的半导体工厂里，生产方式的巨大变化也给AMHS系统提出了更高的要求。搬送方式的巨大进化首先，是AMHS搬送方式从200mm工厂的SEMIAuto方式到300mm工厂FullAuto方式的转变。如图1红色轨道所示：在200mm工厂所采用的SemiAuto生产方式中的Wafer搬送，只包括中央区域Interbay的AMHS搬送。而Wafer到生产设备的部分需要人工搬送来完成。而在300mm工厂里，由于wafer自身重量的增加，导致人工搬送异常困难，故由AMHS系统取而代之直接将wafer搬送到生产设备，如图1中的蓝色轨道，这即是FullAuto的作业方式。这种方式极大减轻了生产一线操作人员的工作强度，同时又避免了因人为事故而造成的损失。更为重要的是，在工厂产能迅速提升的过程中，可以满足大规模搬送量的AMHS系统的巨大优势可以完全呈现。其次，是ToolToTool直接搬送的全厂性应用。为了进一步的节省FOUP的搬送时间，300mm晶圆厂的AMHS系统必须支持ToolToTool的直接搬送。这种搬送模式可以使得FOUP不必经过存储设备Stocker的中转，而直接从上一站的加工设备搬送到下一站的加工设备。如图1所示：在没有ToolToTool直接搬送的工厂内，从ToolA到ToolB的搬送路径为ToolA→Stocker01—Stocker02→ToolB。但是在具备ToolToTool直接搬送功能的工厂内，如图2所示，从ToolA到ToolB的搬送路径为ToolA→ToolB。为了实现这种ToolToTool的搬送功能，在AMHS系统设计的时候，必须要考虑到Interbay和Intrabay的整合，工厂布局，搬送车辆和Stocker的选择等多种因素。AMHS系统整体性能的要求稳定性：由于全厂都在大规模地应用AMHS系统进行Wafer的搬送，所以一旦AMHS系统发生故障将导致全厂性的生产设备因没有可供生产的Wafer而停止生产，进而严重影响正常的生产运营。考虑到在300mm半导体工厂内，AMHS系统的稳定性将直接关系到工厂的生产效率，工厂的管理者对于AMHS系统稳定性也提出了极其苛刻的要求。高效性：与200mm半导体工厂的AMHS系统相比，300mm工厂的AMHS搬送量有了十倍以上的增长。在面对巨大搬送量的时候，如何确保全厂的搬送效率，在更短的时间内完成Wafer的搬送，对于AMHS系统而言是一个巨大的挑战。同时，AMHS系统搬送效率的高低，也将直接影响到生产设备的利用率，故在300mm半导体工厂的搬送时间都是以秒为单位进行计算，且每一秒钟的减少，都需要付出更多的精心设计才可实现。最大化的利用生产空间在300mm工厂的生产车间内，洁净室的空间是极其昂贵的。而AMHS系统为了解决生产线上所有在制品WIP的存储保管问题，不得不占用大量的面积和空间。如何在满足存储和搬送要求的前提下，最大化的节省所占用的面积空间，是AMHS系统必须面对的一个难题。在200mm半导体工厂的AMHS系统中，为了尽可能的利用洁净室的面积，提高单位占地面积的Wafer存储量，比较经常采用的方式是提升Stocker中央区域的天花板高度，并采用更高的Stocker型号，这种方式一般可以增加20%～30%的wafer存储量。在300mm半导体工厂的AMHS系统中，比较常用的方式是使用UTS(UnderTrackStorage)，一种可以将Wafer存放在天花板下方空中的装置，由于UTS可以不占用洁净室的地面面积，有效地利用了洁净室的空中区域，所以这种解决方案在300mm半导体工厂里的应用非常广泛，如图3所示。AMHS系统的柔性设计在300mm半导体工厂内，搬送轨道遍布整个车间，构成了巨大且复杂的网络拓扑结构。虽然单个车辆个体或单一合分流的节点发生故障，对于轨道控制系统不会产生大的影响，但是这种单点故障若发生在交通繁忙的路段，或者较长时间不能解决的时候，将会产生严重的交通拥塞，并导致整体搬送效率急速下降，从而影响到整个工厂的生产。因此，300mm的AMHS轨道控制系统必须具备故障自我侦测和自我调整的柔性特点。当某单一的轨道节点发生故障，轨道控制系统可以自动调节系统的运行参数，动态响应故障激励，及时调整所有搬送车辆的运行路线，并通知系统管理人员进行紧急故障处理等功能。AMHS系统的性能分析和影响因素由于AMHS系统属于较复杂的多元非线性系统，传统的控制理论很难对其进行准确的分析和性能优化。为了对AMHS系统进行优化改善，首先需要确定可以准确反映AMHS系统性能的指标参数，并在此基础上对那些关键性因素进行模拟分析得出优化方向，进而在AMHS系统的实际运行中加以验证，从而得到预期的优化效果。分析AMHS系统性能的重要指标在对AMHS系统进行性能分析的时候，一般会从以下两个方面进行判断：稳定性：MTBF和MTTR是在衡量系统稳定性方面最常用到的两个参数。MTBF(MeanTimeBetweenFailure)表示系统硬件的故障频率，这个数据越低，表示系统的硬件越稳定，故障率越低。而MTTR(MeanTimeToRepair)表示系统硬件发生故障时候的修复时间，这个数据越低，表示系统硬件的可修复能力越高，可在线使用的能力越高。高效性：在衡量AMHS系统的搬送效率的时候，平均搬送时间和三西格玛的搬送时间是最常用到的两个指标。平均搬送时间是指在某单位时间段内完成的所有搬送任务的平均搬送时间，而三西格玛的搬送时间则是借用了统计学上的一个概念：即在三西格玛的搬送时间内完成的搬送任务的数量占到总体搬送量的三西格玛（99.97%）。在FullAuto作业模式下的这两个指标将直接关系到生产设备能否保证较高的生产利用率，甚至会影响到Wafer的CycleTime。因此，大部分300mm工厂的管理者对于这个性能指标都会设定极其严格的标准。影响AMHS系统搬送性能的主要因素通常，影响AMHS系统搬送性能的因素可以从AMHS系统的硬件特性和系统控制软件两方面去分析。首先，系统的硬件因素主要考虑以下几点：OHT行走速度和加速度：OHT的行走速度和加速度是影响AMHS系统整体运行效率的重要参数。更高的行走速度和加速度可以有效地降低单次搬送的时间；但是当AMHS系统的搬送任务过于频繁的时候，OHT本身会遇到经常性的临时停车，这个时候过高的速度和加速度反而会增加OHT车体本身的负担，加快OHT车体的磨损。因此，大部分的AMHS系统制造商都会根据实际情况设定最佳的行车速度，而不是盲目的追求更高的行走速度。OHT的升降马达的运行速度：OHT的升降马达主要是用来将FOUP从轨道高度的位置下降放置于生产设备的Port上或者反之将FOUP从设备的Port上传送到OHT上。因此，升降马达的运行速度也会影响AMHS系统整体的搬送时间，但考虑到生产设备操作人员的安全问题，升降马达的速度一般不会设置过高。轨道的设计和布局：轨道的设计模式和拓扑布局是影响AMHS系统搬送效率的关键因素。在设计轨道拓扑布局的时候，需要考虑到OHT行走路线的优化、最短路径的设计、轨道通行的冗余能力、OHT交汇路口的设计等问题。一个优秀的轨道布局设计，不仅可以缩短OHT的行走路程，还可以提高轨道整体的冗余能力，增加在单点发生故障时候轨道系统的健壮性。其次，系统的软件方面主要考虑以下几个因素：OHT行走路径的选择：OHT在出发至目的地之前需要确定最优的行走路线，以便尽可能的减少搬送时间。在分析比较各种不同行走路径的时候，通常需要考虑每条行走路径实际的行走距离；路途障碍物的数量；中途交汇路口的数量；路径中途有无单点故障发生等因素。同时，当OHT行走路径确定后出发的时候，如果有影响到路径选择的意外事件发生，OHT可以重新计算最优路径，并动态改变之前的行走路径。最佳OHT的搜索逻辑：OHT的搜索逻辑是用来确定当某一个站点有搬送请求发生的时候，AMHS系统如何选择最优的OHT来完成这个搬送任务。一般而言，如果仅仅认为只要是距离最近的没有任务的空车就是最优的OHT，那是不完全正确的。若考虑到更加复杂的情况，即当多个站点都发生了搬送请求事件的时候，如何确定多站点的最优OHT，并且加上允许改变之前有搬送指令的空车的搬送指令的条件，则需要一个复杂算法的帮助才能真正确定系统整体的最优选择。不过可惜的是，复杂算法通常会消耗控制系统大量的CPU资源，且更易导致控制系统的不稳定。故在实际工厂的应用中，无法确定对于系统整体搬送最优的OHT。轨道交通的控制逻辑：交通控制主要是解决在OHT行走至交汇路口时的优先通行问题。使排队等待通过交汇路口的所有OHT车辆有序且高效的通行是轨道交通控制最主要的目的。但在大部分情况下，考虑到控制程序的稳定性，设计人员通常仍会舍弃更为智能化的控制逻辑而采用逻辑简单容易操作的交通控制程序。AMHS系统所面临的挑战和未来的发展趋势在2007SEMICONTaiwan的高峰论坛上，TSMC发表了未来五年内建设启用450mm半导体工厂的豪言壮语。随着更多的半导体制造商的积极投入，450mm半导体工厂似乎将不再遥远。到那时，AMHS系统在450mm半导体工厂的生产过程中将发挥更加重要的作用，同时也会面临更为严峻的挑战。AMHS系统的使用者和管理人员提出的每一个近乎于苛刻的要求，对于AMHS系统的设计开发人员来说，都将是技术进步的动力来源和未来的挑战方向。1）在450mm半导体工厂内，虽然Wafer尺寸仅仅增加1.5倍，但Wafer重量却增加2.25倍。为了适应重量更重的Wafer的搬送，AMHS的制造商将不得不对OHT的负载能力，轨道强度，厂房结构等多方面进行重新计算评估，并相应的提高AMHS系统的硬件性能。2）对于尺寸更大的Wafer，若采用传统Stocker的存储方式，必将浪费更多的洁净室空间。因此，UTS系统对于洁净室地面面积零占用的特点必将受到半导体工厂的青睐。开发出性能稳定，存储量大的UTS系统，将是AMHS系统制造商的一个重要课题，也是在未来商业竞争中获胜的重要因素。3）随着半导体工厂对AMHS系统依赖性的日益趋重，工厂管理者会越来越不能容忍AMHS系统任何情况下的停机：即使AMHS系统的底层参数更改，轨道硬件变更，控制系统的升级等工作都被要求在Online不停机的情况下完成。对于AMHS系统制造商而言，设计出永不停止的AMHS系统将成为必需。