天車系統(tǒng)VS移動機器人-半導(dǎo)體工廠自動化物流系統(tǒng)
發(fā)布時間: 2022-11-24 10:11:39 來源:新戰(zhàn)略
核心提示： 移動機器人前景可期！
半導(dǎo)體行業(yè)自動化物流運輸系統(tǒng)的發(fā)展隨著信息產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，半導(dǎo)體的需求量快速增長。如果利用人工搬運，不僅不符合工程的要求，也會降低產(chǎn)品的質(zhì)量。因此，一個功能強大且性能穩(wěn)定的自動化物料搬運系統(tǒng)AHMS應(yīng)運而生。AMHS系統(tǒng)能夠有效利用有限的潔凈室生產(chǎn)空間，提高生產(chǎn)設(shè)備的利用率，減少制品量，縮短周期時間等。因此，如何優(yōu)化AMHS系統(tǒng)運行效率，對于提升半導(dǎo)體制造企業(yè)的競爭力有著重要影響。 一般而言，半導(dǎo)體晶圓制造廠的AMHS分為兩大子系統(tǒng): 一個是interbay搬運系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)加工中心間的搬運任務(wù)；另一個是intrabay搬運系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)加工中心內(nèi)的搬運任務(wù)。 2000年前后，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)開始從8寸的晶圓制造，跨越到12寸的晶圓制造。制造產(chǎn)線的大幅升級不僅對制造專機提出挑戰(zhàn)，對晶圓制造傳輸系統(tǒng)的自動化要求更是前所未有的。因為在12寸晶圓及之前的生產(chǎn)，人工搬運并不會對生產(chǎn)效率和產(chǎn)品良率產(chǎn)生足夠明顯的影響。但是12寸晶圓的所受應(yīng)力、形變導(dǎo)致的不良率、相關(guān)聯(lián)設(shè)備空轉(zhuǎn)等因素深刻影響了生產(chǎn)線的運轉(zhuǎn)，而且密封性更高的晶圓盒總重量超過10kg，人工長距離搬運開始變得不實際。 在8寸工廠中，用于運輸晶圓的AMHS僅限于在存儲設(shè)備之間移動晶圓載具，即Interbay物料運輸系統(tǒng)，以及有限的Interabay系統(tǒng)的實施，如用于將晶圓載具從自動倉儲系統(tǒng)移動到設(shè)備裝載口，反之亦然。因此，從啟發(fā)式的角度來看，業(yè)界對如何在工廠中以自動化的方式移動晶圓有一定的了解，但基礎(chǔ)有限。 12寸晶圓廠的戰(zhàn)略是擁有完全自動化的物料運輸、Interbay和Intrabay能力，包括運輸工具到工具，又稱: 混合Interbay和Intrabay統(tǒng)一系統(tǒng)，要解決的主要問題是每小時數(shù)千次(mph)的持續(xù)物料移動，而生產(chǎn)人員不必做這項工作，從而避免整個晶圓廠數(shù)百人所需的人體工程學(xué)問題和難以管理的mph。 為了協(xié)助工業(yè)界過渡到12寸的晶圓制造，SEMATECH（半導(dǎo)體制造技術(shù)協(xié)會）成立了12寸組織（I300I），提出并建立了一套半導(dǎo)體自動化生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)模型，通過天車（OHT）、AGV、RGV和PGV的協(xié)作努力，提升整條產(chǎn)線的生產(chǎn)效率。在這個模型中，生產(chǎn)設(shè)備是中央?yún)^(qū)域（Interbay）延伸出的許多區(qū)塊（Intrabay）。每一個區(qū)塊對應(yīng)著一個用于該區(qū)塊存儲的存儲棧（Stocker，又名晶圓庫）和屬于自己區(qū)域的走道。 只是在實際的發(fā)展中，OHT的速度和成熟度遠(yuǎn)高于混合模型的其它部分，在此前，OHT幾乎壟斷了半導(dǎo)體晶圓制造的全部AMHS系統(tǒng)。 “OHT”是Overhead Hoist Transport的簡稱，是指能夠在空中軌道上行駛，并能夠通過皮帶傳動起重機構(gòu)“直接”進入保管設(shè)備或工藝設(shè)備的裝卸口，應(yīng)用于工序區(qū)內(nèi)部運輸，也應(yīng)用于工序區(qū)間或工廠間運輸。
相對于其它專機的投入，如ASML的EUV光刻機賣出1.5億歐元的高價，OHT的成本投入是可以被業(yè)界接受的。在十年前和更早的研究中，主要聚焦在AMHS的軟件控制層面，針對點對點的運動方式、實時響應(yīng)、路徑優(yōu)化、配給優(yōu)化等方面做了大量的研究。從AMHS實現(xiàn)點對點開始，F(xiàn)AB工廠的自動化生產(chǎn)系統(tǒng)已經(jīng)非常接近當(dāng)前的智能制造了；OHT在越過Stocker（倉儲）進行不同工藝的直接送料時，已經(jīng)將各個工作臺的生產(chǎn)信息匯集到一個中央調(diào)度系統(tǒng)。相關(guān)研究很快到達(dá)了瓶頸，F(xiàn)AB工廠也基本實現(xiàn)了現(xiàn)有設(shè)備最大可利用效率的90%或者更高，因此，OHT系統(tǒng)也被廣泛認(rèn)定為12寸FAB及下一代FAB的主力搬送系統(tǒng)。
OHT系統(tǒng)&移動機器人 但FAB工廠的晶圓制造AMHS要進一步提升產(chǎn)能和效率，僅依靠OHT工作效率的提升是不現(xiàn)實的。OHT受制于軌道鋪設(shè)、單維運動等因素，在未覆蓋區(qū)域的人工干預(yù)是必要的。而要實現(xiàn)全廠OHT覆蓋，AMHS系統(tǒng)的成本會非常高，而柔性極強的移動機器人可以打通這些節(jié)點，連通FAB工廠凈室和非凈室的物料交互，實現(xiàn)了整個FAB工廠的智能制造。 因此，當(dāng)前在半導(dǎo)體制造廠(fab)的運輸系統(tǒng)中，使用AGV/AMR車隊是一個越來越受歡迎的選擇，AGV/AMR可以作為現(xiàn)有運輸系統(tǒng)的補充，也可以作為實現(xiàn)運輸自動化的第一步。 從物流的角度來看，半導(dǎo)體的制造是一個非常復(fù)雜的過程。為了在一片晶圓上制造電路，需要在不同的設(shè)備(工具)上進行多達(dá)500個工藝加工步驟。整個制造過程可能需要幾個月的時間。根據(jù)所需的產(chǎn)出，特定晶圓通過的工具的數(shù)量和順序可以有很大的不同。由于在一個FBA工廠中可能有多達(dá)數(shù)百個工具，整個生產(chǎn)可以被視為一個巨大的工作車間問題。 在8寸和12寸晶圓廠中，運輸系統(tǒng)負(fù)責(zé)運送和回收晶圓載具和光罩。在12寸晶圓廠中，目前最受歡迎的是OHT系統(tǒng)。OHT系統(tǒng)可以由幾公里長的軌道、數(shù)百輛車組成，并為多達(dá)數(shù)千個工具裝載口和緩沖區(qū)提供服務(wù)。由于布局和結(jié)構(gòu)的原因，目前少有8寸晶圓廠應(yīng)用OHT系統(tǒng)。因此，在許多8寸晶圓廠中，運輸主要由人工完成，或部分由傳送系統(tǒng)完成。 在12寸晶圓廠，AGV/AMR不能取代現(xiàn)有的OHT系統(tǒng)，而應(yīng)被看作是一種補充。AGV/AMR特別適用于那些沒有達(dá)到經(jīng)濟上合理的OHT系統(tǒng)操作條件的子領(lǐng)域。這可能是由于特殊的運輸貨物、空間限制，甚至是由于較低的產(chǎn)量。OHT天車負(fù)責(zé)空中軌道高速傳輸作業(yè)，地面上由AMR來實現(xiàn)高彈性效率作業(yè)，實現(xiàn)由STOCKER、OHT、AMR、EQ間 無死角無盲區(qū)對接，真正實現(xiàn)FAB車間無人化自動生產(chǎn)。 在8寸晶圓廠，AGV/AMR可以幫助提高自動化程度，從而有助于提高工藝的可靠性，因為它可以替代容易出錯的人工處理和運輸活動。
半導(dǎo)體領(lǐng)域主要應(yīng)用移動機器人類型
在半導(dǎo)體領(lǐng)域，目前主要應(yīng)用的移動機器人類型有復(fù)合移動機器人、潛伏頂升式AGV、輥筒對接AGV、叉車AGV等類型產(chǎn)品，同時還有一些企業(yè)針對半導(dǎo)體某些場景的需求打造的定制化行業(yè)專機。但整體而言，當(dāng)前，在半導(dǎo)體領(lǐng)域應(yīng)用的多種AGV/AMR中，復(fù)合移動機器人是應(yīng)用最多的產(chǎn)品，也是技術(shù)難度最高的。 復(fù)合移動機器人系統(tǒng)（基礎(chǔ)硬件平臺）中，機械臂位于移動機器人上，可隨機器人靈活移動，便于進行機械臂與AGV/AMR相互定位、通訊、配合等功能，配合視覺系統(tǒng)、末端工具等可實現(xiàn)對特定物體的識別、巡檢、抓取等功能。在半導(dǎo)體行業(yè)，復(fù)合移動機器人主要用于晶圓盒、彈夾上下料。 值得注意的是，半導(dǎo)體由于嚴(yán)苛的生產(chǎn)要求也對上游設(shè)備廠商設(shè)置了一定的“準(zhǔn)入門檻”。首先是移動機器人運行平穩(wěn)性的要求，由于要搬運晶圓等精密元件，機器人要防震、防抖動；其次是安全性要求，這是半導(dǎo)體封測廠對導(dǎo)入AGV/AMR一個非常大的考量點，工廠內(nèi)昂貴的半導(dǎo)體設(shè)備經(jīng)不起任何碰撞；第三則是設(shè)備的潔凈度要求。
從長遠(yuǎn)來看，導(dǎo)入移動機器人是半導(dǎo)體行業(yè)提高工廠自動化與信息化的關(guān)鍵舉措，伴隨著半導(dǎo)體自動化升級的進一步深入以及移動機器人技術(shù)的更加成熟，相信移動機器人在半導(dǎo)體領(lǐng)域的落地速度將不斷加快！ 為了解析當(dāng)前移動機器人在半導(dǎo)體領(lǐng)域的解決方案與市場應(yīng)用現(xiàn)狀，12月15日，由中國移動機器人（AGV/AMR）產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟主編，捷螺智能設(shè)備（蘇州）有限公司冠名，深圳優(yōu)艾智合機器人科技有限公司、蘇州海豚之星智能科技有限公司、杭州藍(lán)芯科技有限公司、斯坦德機器人（深圳）有限公司、浙江欣奕華智能科技有限公司、優(yōu)傲機器人貿(mào)易(上海)有限公司聯(lián)合參編的《半導(dǎo)體行業(yè)用移動機器人（AGV/AMR）解決方案藍(lán)皮書（2022版）》將在“中國移動機器人（AGV/AMR）產(chǎn)業(yè)發(fā)展年會”上正式發(fā)布，參會人員現(xiàn)場可免費獲得藍(lán)皮書紙質(zhì)版一份，敬請期待！
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