半导体产业是过家重点支持产业其中半导体厂房未来提升产能效率自动化愈来愈是个未来趋势。目前国内外12英寸厂房都普遍采用AMHS(Auto material handing system )但是国内明显缺少晶圆制造自动化的公司与人才据调查目前市场份额主要掌握在日本两家厂商手中韩国厂家有自家实验支持国内厂商该如何崛起我们又能做些什么?作者计算机集成链接https://www.zhihu.com/question/464058304/answer/96738315825来源知乎著作权归作者所有。商业转载请联系作者获得授权非商业转载请注明出处。AMHS系统自动化物料搬送系统对于生产芯片的晶圆厂在提高生产效率和缩短产品的生产周期等方面起着关键作用尤其是现在主流的12寸晶圆厂对于AMHS系统更是必不可少。在这里把AMHS系统也归类到了CIM系统领域可能有的厂商不认为AMHS隶属于CIM系统但个人认为AMHS系统的核心是软件部分且与MES等CIM系统有密切交互因此把AMHS系统也划分到CIM系统旗下。本文是半导体CIM系统之AMHS系统介绍的开篇之作主要分享学习AMHS系统的组成结构发展历史国内外发展现状以及未来展望等基础知识后续再对细节技术进行探讨。AMHS系统组成结构AMHS(Automatic Material Handling System自动化物料搬送系统)一般特指在无尘室环境下通过软件系统的控制和调度按照生产系统的指令实现物料在生产线工序间的自动搬运、缓冲存放的系统。AMHS具备减少物料的闲置时间提高无尘室车间的利用率提高产品良率减少人员误操作降低人力成本等诸多优势广泛应用于半导体硅片厂、半导体晶圆制造厂、半导体封装测试厂、显示面板厂以及新能源电池工厂等领域。该系列文章主要基于半导体晶圆制造厂业务进行介绍但是系统在各行业有一定相似度。半导体AMHS大致模型图AMHS主要由硬件设备和控制软件组成其中硬件设备包含搬运设备和存储与净化设备控制软件包括MCSSTCTSC等等。搬运设备根据不同晶圆厂的需求AMHS系统主要分为半自动化和全自动化解决方案。其中8寸晶圆制造厂通常采用半自动化解决方案涉及的搬运设备主要有AGV自动导航车、RGV有轨制导车和AMR机器人等地面传送设备和OHT天车设备。12寸晶圆制造厂现基本采用全自动化解决方案涉及的搬运设备有OHT天车设备。OHT(Overhead Hoist Transport)能够在空中轨道上行驶并能够通过皮带传动起重机直接进入保管设备或工艺设备的装卸口取放货应用于工序区内部也应用于工序区间或工厂间运输。目前在12寸晶圆制造厂OHT系统被广泛认定为FAB工厂的主力搬送系统。弥费科技OHTAMR(Autonomous Mobile Robot)协作机器人用于半导体晶圆厂地面搬运FOUP/POD对接MRC进行任务调度实现设备与设备间搬运、设备与E-Rack间搬运。弥费科技AMRConveyor洁净室传送线主要用于实现POD中短距离的传递输送实现机台设备、STK、TW STK等设备之间FOUP的输送传递。按照工艺流程将不同设备有机串联起来的同时能够缓存一定数量的POD。弥费科技ConveyorRGV(Rail Guided Vehicle)轨道式导引机器人RGV又称轨道穿梭小车沿轨道将Cassette在工艺设备、Stocker和Buffer之间进行传输。Mirle RGVAGV(Automated Guided Vehicle)移动机器人AGV是带有SCARA 机械臂的自动化运输系统可以“直接”访问储料器和加工设备灵活地将载体运送到加工设备。AGV in Fab地面方案AGV/RGV/AMR可以相互配合在搬运量较小的情况AGV/RGV/AMR系统相比天车系统费用更低在搬运量较大情况下其费用反而比天车更贵。而且AGV/RGV/AMR存在搬运量上限会占用洁净间在12寸晶圆厂中使用较少。存储与净化设备存储设备是无尘室的临时存储库可缩短工艺设备流程结束到下一工艺设备流程开始之间的时间差。存储设备主要包括用于存储载具 晶圆载具Foup、光罩盒Reticle等的存储柜Stocker以及工艺设备流程开始之前的暂时存储设备NTB。随着先进制程工艺向窄线宽发展40nm及以下先进工艺节点存储设备需要配套净化设备主要包括空中缓存净化(OHBP)。Foup/Pod Stocker晶圆盒存储设备Stocker用于半导体洁净室内生产工序与工序之间晶圆载具的传送和存储支持多种载具Pod/Foup以及净化功能。Foup/Pod StockerReticle Stocker光罩盒存储设备Reticle Stocker用于半导体洁净室内光罩盒存储及传送可实现与天车自动对接人工对接保证光罩品质从而达到提高晶圆厂整体产品良率的目的。Reticle StockerTower Stocker塔式存储设备用于半导体晶圆厂洁净室内物料的跨楼层存储和传送。Tower StockerOHB(Over Head Buffer) (with Purge),空中缓存净化设备配合天车轨道系统为光罩盒提供空中批量存储货位提高晶圆厂得空间利用率最大化晶圆载具在各个工序间得传送效率。通过Purge管路布局加装净化单元充入纯净气体保证光罩盒内微环境提高良品率。OHB除此之外存储设备还有NTB(Near Tool Buffer近机台缓存设备)TLP(Tool LoadPort Station机台净化设备)E-Rack(电子货架)等等。控制软件控制单元主要有STC(Stocker Controller),TSC(Transport Controller)和MCS(Material Control System)其中MCS是AMHS软件部分的核心是AMHS系统能够正常运行的大脑。它们之间的关系如下图所示。学术界AMHS软件架构STC是存储单元Stocker的控制器。它负责接收并执行上一层控制系统MCS的 动作指令记录Stocker内所存储的FOUP信息和所有指令信息协调和控制Stocker各部分的行为动作并把Stocker的状态和存储记录报告给上层控制系统MCS。TSC是搬送单元自动搬送车的控制器。它负责接收并执行上一层控制系统MCS 的动作指令记录Stocker内所存储的FOUP信息和所有指令信息更重要的是TSC需要负责OHT的状态管理搬送指令的管理OHT的任务派遣等。从而完成MCS下达的搬送指令及时准确地将FOUP搬送到MCS指定的目的设备中。最后TSC需要将搬送指令的完成结果和OHT的运行状态报告给上层控制系统MCS。MCS系统是整个AMHS系统的中央控制系统它负责接收并执行上一层控制系统MES的动作指令。首先MCS系统会将上一层HOST下达的搬送指令进行分解根据搬送指令的进行状态分别发送到相应的STC系统和TSC系统从而共同完成一个完整的搬送指令。一般而言MCS系统本身并不会生成搬送指令它的使命是去执行和监控MES系统所生成的搬送指令。除了搬送指令的执行MCS系统还会具备一些更高级的存储单元和搬送单元的优化管理功能。例如当搬送指令指定的目的地Stocker发生故障的时候MCS系统会选择合适的备用Stocker作为搬送目的地当AMHS系统内具有多套TSC系统的时候MCS系统会选择更优化的TSC系统来执行搬送指令。工业界TAIZHITECH MCS架构AMHS系统发展历史半导体工厂大规模采用AMHS系统的原因在于它不仅可以作为临时存储晶圆的 自动仓库同时还可以实现不同工作区域间快速转送的功能。例如台积电在不到0.5平方公里的区域内拥有超过50公里长的轨道、5000个以上的路口以及2000台晶圆传输车每日运量约60万车次。在早期兴建的6寸晶圆厂中由于wafer本身重量不是很大因此对于wafer的自动搬送需求并不是非常迫切。随之后来8寸晶圆厂的兴建生产技术人员开始意识到AMHS系统的应用对于提升半导体工厂生产能力的巨大作用AMHS系统的应用这才逐渐兴盛发展起来现在AMHS系统在主流的、全自动化的12寸晶圆厂更是标配。到目前为止AMHS系统经历了四代的发展分别是200mm自动化搬送系统早期的300mm自动化搬送系统Tool to Tool的直接搬送方式高度智能化的自动搬送系统。1. 第一代的AMHS系统200mm自动化搬送系统对于早期的200mm半导体工厂来说大部分WIP传送、存储和分发是通过人工 操作完成的。后来的200mm半导体工厂在人工操作基础上结合了interbay自动传送和存储系统然而WIP和设备之间的流通仍然没有实现自动化。200mm 半导体工厂向AMHS自动化搬运系统的转变是迫于半导体工厂规模扩大和产量提高所带来的压力。为了提高生产效率和生产更多种类的产品许多200mm 半导体工厂采用了OHT和OHS(早期一种自动化搬送装置现已被OHT替代)相结合的AMHS系统如下图所示促进生产或改善多种产品共线生产的管理最终开发出更先进的半导体工厂布局充分利用AMHS系统Interbay高效率自动搬运的优点。200mm工厂下的AMHS系统2. 第二代的AMHS系统早期的300mm自动化搬送系统早期的300mmAMHS系统实际上是200mm interbay传送系统的延伸它在已有Interbay传送系统上增加了intrabay传送系统。当然Stocker需要增加额外功能Interbay/Intrabay之间的传送界面此外还要增加Stocker容量用于取代intrabay WIP的存储。300mm AMHS系统还增加了一种新型的运输工具-intrabay OHT它可以将FOUP直接传送到设备。这样就可以进行物料FOUP的全自动搬运了。首先AMHS系统将FOUP从工艺设备的LoadPort转移到OHT搬运车上并传送到各区所在的Stocker 里面然后Stocker机械手将FOUP转移到Stocker的interbay的LoadPort上并从这里装载到interbay的空中搬运车OHS上接着OHS将FOUP运送到离下一道工序最近的Stocker中存储起来需要加工这个FOUP时intrabay OHT到Stocker自动调取该FOUP将其运送到生产设备端并放置在设备的LoadPort上。这种早期的AMHS设计实际上是建立在早期fab工艺流程的基础上的它必须根据intrabay的生产速度为各个intrabay分派许多空中运输车。分离式的布局限制了AMHS的灵活性它不能对工艺流程或其它异常事件做出快速反应。300mm工厂的分离式搬送的AMHS系统3. 第三代的AMHS系统Tool to Tool的直接搬送方式在第二代的AMHS系统中不同生产区域间的Wafer搬送必须通过Stocker的中转才能完成这种方式不仅影响搬送效率而且在Stocker发生故障的时候对于关键制程的生产机台的生产会带来灾难性的影响 因此他们在第一代AMHS系统的基础上加以改进设计出了第三代的AMHS系统。第三代的AMHS系统对于关键生产区域的机台可以由OHT来完成跨区域的搬送 即通常所说的Tool to Tool 的直接搬送。这种设计的搬送特点是关键区域的Wafer搬送不必依赖Stocker的中转来完成从而提高了AMHS的搬送效率。4. 第四代的AMHS系统高度智能化的自动搬送系统在早期300mm分离式系统经验的基础上AMHS供应商正在尝试对其进行修改改善AHMS自动化系统的灵活性和柔性。 首先OHT系统被延伸到interbay区域OHT运输车可以在fab内的任何地方漫游。就像200mm fab中操作工人将前道工序完成的lot事先搬送到下一代工艺设备附近一样现代化的AMHS系统中可以将FOUP存储位置从Stocker转移到靠近下一道工艺设备最近的地方通常称为轨道下方存储under-track storageUTS或零占地面积存储zero-footprint storagZFS系统。UTS使用了洁净室的部分空中预留空间但是不会占用工艺设备空间。300mm工厂的具有UTS装置的智能式AMHS系统国内外发展现状半导体AMHS行业壁垒较高不仅需要强大的软件开发实力也需要有半导体制造业务的know-how能力。长期以来全球AMHS市场一般被日韩企业主导目前全球半导体行业所使用的AMHS系统超过九成均来自日本大福和村田这两家企业它们几乎垄断了高端市场尤其是12寸的晶圆厂市场。根据 Gartner 测算全球AMHS市场规模约占半导体设备总量的3%。根据赛迪顾问测算2015—2022年全球AMHS市场的复合增长率为24%。特别是随着12寸晶圆厂的建设AMHS被广泛应用市场规模实现高速增长。尽管2022年受新冠肺炎疫情、全球消费疲软等影响全球半导体晶圆厂建设进度放缓但AMHS市场规模仍逆势增长至30.6亿美元同比增长12%。根据赛迪顾问测算2015—2022年全球AMHS市场的复合增长率为24%。特别是随着12寸晶圆厂的建设AMHS被广泛应用市场规模实现高速增长。尽管2022年受新冠肺炎疫情、全球消费疲软等影响全球半导体晶圆厂建设进度放缓但AMHS市场规模仍逆势增长至30.6亿美元同比增长12%。全球AMHS市场规模及增速中国大陆方面根据赛迪顾问测算2015至2022年中国大陆AMHS市场的复合增长率为38%随着中国半导体产业的崛起以及工业智能化的持续推进中国半导体产业的物流自动化整体实现高速增长。2022年受新冠肺炎疫情、消费疲软、中美贸易战等影响中国大陆半导体晶圆厂建设进度放缓国外半导体企业在中国的投资减少中国大陆AMHS市场规模达47.6亿元当年增速放缓低于全球平均增速。中国大陆AMHS市场规模及增速在中美贸易摩擦加剧、高科技领域遭受封锁以及半导体供应链安全问题日益凸显的背景下半导体关键设备的国产化替代越来越重要而AMHS系统作为被卡脖子的关键设备之一其国产化进程正在加速推进。其中弥费科技作为行业新秀凭借其四大“护城河”技术通过十年的发展成为国内首批通过8寸和12寸晶圆厂验收的AMHS解决方案供应商实现了从技术服务提供商到自主研发AMHS系统的华丽转身。另外在这个卡脖子领域也有和弥费科技类似的优秀企业在发光发热比如新施诺、欣奕华、成川科技、格创东智、华芯智能、尊芯半导体等等AMHS企业在这重要且需要“坐冷板凳”的工业软件领域它们是一颗颗璀璨的明星未来展望在这特殊的时代背景下对国内AMHS企业的发展是一个很好的契机应当好好把握国产化替代的机遇加强自身技术实力相信总有一日赶上甚至超越国外巨头。为国内AMHS产业更好地发展以下整理一些不错的建议1. 企业加强整体解决方案能力目前国内AMHS企业大多是单点突破半导体晶圆制造厂较少企业具有整厂配套能力AMHS企业应当加强整体解决方案能力完善硬件、软件、服务等一体化方案完善且强大的产品矩阵有助于提高企业在半导体产业中的竞争力。同时重视特色工艺半导体市场。特色工艺半导体厂主要包括光电器件、功率器件和传感器。随着半导体行业的发展近几年特色工艺领域投资、建厂速度逐渐加快 基本都是8寸及12寸的晶圆厂自动化需求较高对于AMHS厂商来说存在一定发展机遇。建议AMHS企业加强与特色工艺半导体厂商的交流、合作挖掘AMHS系统在特色工艺半导体产业的潜力扩大行业市场。此外加强与上游其他CIM系统的密切配合引入主流AI技术为物料搬送提供最优路径和提高系统的运行效率从而提高晶圆厂的生产效率。2. 建立统一的行业标准标准是引领行业质量的基础高标准才有高质量的行业发展。由于AMHS系统早年被海外企业垄断因此导致相关标准化基础较为薄弱急需建立统一的行业标准以引领国内企业更好地发展。对于硬件方面AMHS 硬件系统由具备传送、存储、净化不同功能的十多种设备组成每一个设备在进入晶圆厂前都需花时间 打磨以满足晶圆厂无尘室的生产条件和产品行业标准。对于工厂自动化方面AMHS系统的主要组成部分是设备、FOUPS、自动化仓储系统、OHS和OHT。所有这些组件的整合均需要相当程度的互操作性特征和接口。由于这些部件的供应商存在竞争关系并且每个供应商对于互操作性的含义和实现可解释性所需的功能看法不一因此需要制定一个系统内部统一的行业标准以规范系统整体共同的框架和操作窗口。在2023年弥费科技承担了“半导体晶圆制造前端自动物料搬运系统制造标准化试点”项目旨在推进 AMHS核心企业标准建设夯实企业标准化基础建立健全AMHS系统所涵盖的硬件设备与自动物料搬运软件系统全过程、全要素的制造验收标准体系以高质量标准化引领企业创新发展。目前AMHS行业已具备部分团标和企标需要进一步统一其他行业标准例如设备与系统中文名称与定义产品质量标准底层通信协议标准等等在这一过程中需要各企业、科研机构和高校通力合作才能更好地制定符合行业的标准。道阻且长行则将至。相信在AMHS系统在内的CIM国产厂商与半导体产业的通力努力下国产化替代终将成功行业终见曙光