mm半导体工厂的AMHS系统

1、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 Cycle Time ， 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

2、 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 SEMI Auto 方式到 300mm 工厂 Full Auto 方式的转变。 如图 1 红色轨道所示： 在 200mm 工厂所采用的 Semi Auto 生产方式中的 Wafer 搬送，只包括中央区域 In

3、terbay 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 Full Auto 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Tool To Tool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

4、圆厂的 AMHS 系统必须支持 Tool To Tool 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Tool To Tool直接搬送的工厂内， 从Tool A到Tool B的搬送路径 为 Tool A tStockerOI Stocker02 Tool B 。但是在具备 Tool To Tool 直接搬送功能 的工厂内，如图 2所示，从Tool A到Tool B的搬送路径为 Tool A tTool B。为了实现这种Tool To Tool的搬送功能，在 AMHS系统设计的时候，必

5、须要考虑到 In terbay和In trabay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

6、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

7、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(Under TrackStorage)，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。UTS有效地利用了洁净窒的空中区域图! huu:wwcont u的a 2tX)_anhi.dmAMHS系

8、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

9、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(Mean Time Between Failure) 表示系统硬件的故障频率

10、， 这个数据越低， 表示系统的硬件越稳 定，故障率越低。而 MTTR(Mean Time To Repair) 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 Full Auto作业模式下的这两个指标将直接关系到生产设备能

11、否保证较高的生产利用率， 甚至会影 响到 Wafer 的 Cycle Time 。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

12、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

13、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

14、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

15、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 2007 SEMICON Taiwan 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

16、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