300mm半導(dǎo)體工廠的AMHS系統(tǒng)(20210416190656)

1、300mm半導(dǎo)體工廠的AMHS系統(tǒng)在半導(dǎo)體制造技術(shù)髙度發(fā)達(dá)的今天，300mm的半導(dǎo)體工廠已經(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)線的巨額投入，人們不得不盡可能的挖掘300mm I廠 的生產(chǎn)效率，以期得到更大的晶圓產(chǎn)岀。一個功能強(qiáng)大且性能穩(wěn)泄的AMHS系統(tǒng)在 300mm工廠里扮演了一個非常重要的角色。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)體工廠的應(yīng)用特點(diǎn)和200mm

2、晶圓相比，更大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Intrabay內(nèi)的人工搬運(yùn)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足300mm工廠的生產(chǎn)要求。因此, 在300mm的半導(dǎo)體工廠里，生產(chǎn)方式的巨大變化也給AMHS系統(tǒng)提岀了更高的要求。搬送方式的巨大進(jìn)化首先，是AMHS搬送方式從200mm工廠的SEMI Auto方式到300mm工廠Full Auto 方式的轉(zhuǎn)變。如圖1紅色軌道所示：在200mm工廠所采用的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 要人工搬送來完成。而在300mm I廠里，由于wafer自身重

3、量的增加，導(dǎo)致人工搬送 異常困難，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)一線操作人員的工作強(qiáng) 度，同時又避免了因人為事故而造成的損失。更為重要的是，在工廠產(chǎn)能迅速提升的過 程中，可以滿足大規(guī)模搬送量的AMHS系統(tǒng)的巨大優(yōu)勢可以完全呈現(xiàn)。英次，是Tool To Tool直接搬送的全廠性應(yīng)用。為了進(jìn)一步的廿省FOUP的搬送時間， 300mm晶圓廠的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)過存儲設(shè)備Stocker的中轉(zhuǎn)，而直接從上一站的加工設(shè)備搬送到下

4、 一站的加工設(shè)備。如圖1所示：在沒有Tool To Tool直接搬送的工廠內(nèi)，從Tool A到Tool B的搬送路徑 為 Tool A-Stocker01Stocker02-Tool B。但是在具備 Tool To Tool 直接搬送功能 的工廠內(nèi)，如圖2所示，從Tool A到Tool B的搬送路徑為Tool A-Tool B。5 / 5I-StockerO!Stocker 02Stocker 02圖1不具備Tool到Tool搬運(yùn)功能的AMHS系統(tǒng)IEE!12 具備Tool到Tool槻運(yùn)功能的AMHS系統(tǒng)為了實現(xiàn)這種Tool To Tool的搬送功能，在AMHS系統(tǒng)設(shè)計的時候，必須要考慮到 I

5、nterbay和Intrabay的整合，工廠布局，搬送車輛和Stocker的選擇等多種因素。 AMHS系統(tǒng)整體性能的要求穩(wěn)左性：由于全廠都在大規(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)致全廠性的生產(chǎn)設(shè)備因沒有可供生產(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?？紤]到在300mm半導(dǎo)體工廠內(nèi)，AMHS系統(tǒng)的穩(wěn)左性將直接 關(guān)系到工廠的生產(chǎn)效率，工廠的管理者對于AMHS系統(tǒng)穩(wěn)左性也提出了極其苛刻的要 求。高效性：與200mm半導(dǎo)體工廠的AMHS系統(tǒng)相比，300mm工廠的AMHS搬送量有 了十倍以上的增長。在面對巨大搬送疑的時候，如何確保全廠的搬送效率，在

6、更短的時 間內(nèi)完成Wafer的搬送，對于AMHS系統(tǒng)而言是一個巨大的挑戰(zhàn)。同時，AMHS系統(tǒng) 搬送效率的髙低，也將直接影響到生產(chǎn)設(shè)備的利用率，故在300mm半導(dǎo)體工廠的搬送 時間都是以秒為單位進(jìn)行訃算，且每一秒鐘的減少，都需要付出更多的精心設(shè)汁才可實 現(xiàn)。最大化的利用生產(chǎn)空間在300mm X廠的生產(chǎn)車間內(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)線上所有在制品WIP的存儲保管問題，不得不占用大量的而積和空間。如何在滿 足存儲和搬送要求的前提下，最大化的肖省所占用的而積空間，是AMHS系統(tǒng)必須而 對的一個難題。在200mm半導(dǎo)體工廠的AMHS系統(tǒng)中，為了盡可能的利用潔凈室的而積，提

7、高單位 占地而積的Wafer存儲量，比較經(jīng)常采用的方式是提升Stocker中央?yún)^(qū)域的天花板髙度, 并采用更高的Stocker型號，這種方式一般可以增加20%30%的wafer存儲量。在300mm半導(dǎo)體工廠的AMHS系統(tǒng)中，比較常用的方式是使用UTS(Under Track Storage), 一種可以將Wafer存放在天花板下方空中的裝巻，由于UTS可以不占用潔 凈室的地面而積，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) 體工廠里的應(yīng)用非常廣泛，如圖3所示。圖3 UTS有效地利用了潔凈室的空中區(qū)域圖片衰源：hup：/v/ww. brooks. com/pages/200_a

8、nrhs cfmAMHS系統(tǒng)的柔性設(shè)計在300mm半導(dǎo)體工廠內(nèi)，搬送軌道遍布整個車間，構(gòu)成了巨大且復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 雖然單個車輛個體或單一合分流的右點(diǎn)發(fā)生故障，對于軌道控制系統(tǒng)不會產(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，或者較長時間不能解決的時候，將會 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，從而影響到整個工廠的生產(chǎn)。因此，300mm的AMHS軌道控制系統(tǒng)必須具備故障自我偵測和自我調(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)可以自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，動態(tài)響應(yīng) 故障激勵，及時調(diào)整所有搬送車輛的運(yùn)行路線，并通知系統(tǒng)管理人員進(jìn)行緊急故障處理 等功能。AMH

9、S系統(tǒng)的性能分析和影響因素由于AMHS系統(tǒng)屬于較復(fù)雜的多元非線性系統(tǒng)，傳統(tǒng)的控制理論很難對其進(jìn)行準(zhǔn)確的 分析和性能優(yōu)化。為了對AMHS系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改善,首先需要確左可以準(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)的實際運(yùn)行中加以驗證，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AMHS系統(tǒng)進(jìn)行性能分析的時候，一般會從以下兩個方而進(jìn)行判斷： 穩(wěn)左性：MTBF和MTTR是在衡量系統(tǒng)穩(wěn)立性方而最常用到的兩個參數(shù)。MTBF(Mean Time Between Failure)表示系統(tǒng)硬件的故障頻率，這個數(shù)據(jù)越低，表示系統(tǒng)

10、的硬件越穩(wěn) 左，故障率越低。而MTTR(Mean Time To Repair)示系統(tǒng)硬件發(fā)生故障時候的修復(fù) 時間，這個數(shù)拯越低，表示系統(tǒng)硬件的可修復(fù)能力越髙，可在線使用的能力越高。高效性：在衡量AMHS系統(tǒng)的搬送效率的時候，平均搬送時間和三西格瑪?shù)陌崴蜁r間 是最常用到的兩個指標(biāo)。平均搬送時間是指在某單位時間段內(nèi)完成的所有搬送任務(wù)的平 均搬送時間，而三西格瑪?shù)陌崴蜁r間則是借用了統(tǒng)訃學(xué)上的一個概念：即在三西格瑪?shù)?搬送時間內(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)模式下的這兩個指標(biāo)將直接關(guān)系到生產(chǎn)設(shè)備能否保證較髙的生產(chǎn)利用率，甚至?xí)?響到Wafe

11、r的Cycle Time。因此 大部分300mm工廠的管理者對于這個性能指標(biāo)都 會設(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 兩方而去分析。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)。更髙的行走速度和加速度可以有效地降低單次搬送的時間：但是當(dāng)AMHS 系統(tǒng)的搬送任務(wù)過于頻繁的時候，OHT本身會遇到經(jīng)常性的臨時停車，這個時候過高 的速度和加速度反而會增加OHT車體本身的負(fù)擔(dān)，加快OHT車體的磨損。因此，大 部分的AMHS系

12、統(tǒng)制造商都會根據(jù)實際情況設(shè)泄最佳的行車速度，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)行速度也會影響AMHS系統(tǒng)整體的搬送時間，但考慮到生產(chǎn)設(shè)備操 作人員的安全問題，升降馬達(dá)的速度一般不會設(shè)苣過高。軌道的設(shè)讓和布局：軌道的設(shè)訃模式和拓?fù)洳季质怯绊慉MHS系統(tǒng)搬送效率的關(guān)鍵因 素。在設(shè)汁軌道拓?fù)洳季值臅r候，需要考慮到OHT行走路線的優(yōu)化、最短路徑的設(shè)計、 軌道通行的冗余能力、OHT交匯路口的設(shè)汁等問題。一個優(yōu)秀的軌道布局設(shè)

13、計，不僅 可以縮短OHT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 候軌道系統(tǒng)的健壯性。其次，系統(tǒng)的軟件方而主要考慮以下幾個因素：OHT行走路徑的選擇：OHT在出發(fā)至目的地之前需要確立最優(yōu)的行走路線，以便盡可 能的減少搬送時間。在分析比較各種不同行走路徑的時候，通常需要考慮每條行疋路徑 實際的行走距離：路途障礙物的數(shù)量；中途交匯路口的數(shù)量：路徑中途有無單點(diǎn)故障發(fā) 生等因素。同時，當(dāng)OHT行走路徑確泄后出發(fā)的時候，如果有影響到路徑選擇的意外 事件發(fā)生，OHT可以重新計算最優(yōu)路徑，并動態(tài)改變之前的行走路徑。最佳OHT的搜索邏借：OHT的搜索邏輯是用來確左當(dāng)某一個站點(diǎn)有搬送請求發(fā)

14、生的時 候，AMHS系統(tǒng)如何選擇最優(yōu)的OHT來完成這個搬送任務(wù)。一般而言，如果僅僅認(rèn)為 只要是距離最近的沒有任務(wù)的空車就是最優(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)多個站點(diǎn)都發(fā)生了搬送請求事件的時候，如何確左多站點(diǎn)的最優(yōu) OHT,并且加上允許改變之前有搬送指令的空車的搬送指令的條件，則需要一個復(fù)雜 算法的幫助才能真正確左系統(tǒng)整體的最優(yōu)選擇。不過可惜的是，復(fù)雜算法通常會消耗控 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)左。故在實際工廠的應(yīng)用中，無 法確泄對于系統(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行走至交匯路口時的優(yōu)先通行問題。 使排隊等

15、待通過交匯路口的所有OHT車輛有序且髙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)泄性，設(shè)il人員通常仍會舍棄更為智能 化的控制邏輯而采用邏輯簡單容易操作的交通控制程序。AMHS系統(tǒng)所面臨的挑戰(zhàn)和未來的發(fā)展趨勢在2007 SEMICON Taiwan的髙郵論壇上, TSMC發(fā)表了未來五年內(nèi)建設(shè)啟用450mm半導(dǎo)體工廠的豪言壯語。隨著更多的半導(dǎo)體 制造商的積極投入,450mm半導(dǎo)體工廠似乎將不再遙遠(yuǎn)。到那時,AMHS系統(tǒng)在450mm 半導(dǎo)體工廠的生產(chǎn)過程中將發(fā)揮更加重要的作用，同時也會而臨更為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。AMHS系統(tǒng)的使用者和管理人員提岀的每一個近乎于苛刻的要求，對于AMHS系統(tǒng)的 設(shè)計開發(fā)人員來說，都將是技術(shù)進(jìn)步的動力來源和未來的挑戰(zhàn)方向。1）在450mm半導(dǎo)體工廠內(nèi)，雖然Wafer尺寸僅僅增加1.5倍，但Wafer重疑卻增加 2.25倍。為了適應(yīng)重疑更重的Wafer的搬送，AMHS的制造商將不得不對OHT的負(fù) 載能力，軌道強(qiáng)度，廠房結(jié)構(gòu)等多方面進(jìn)行重新計算評估，并相應(yīng)的提髙AMHS系統(tǒng) 的硬件性能。2）對于尺寸更大的Wafer,若采用傳統(tǒng)Stocker的存儲方式，必將浪費(fèi)更多