工業(yè)協(xié)作機器人助力半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)升級

周超

半導(dǎo)體是整個工業(yè)界最核心的領(lǐng)域之一。據(jù)國際半導(dǎo)體設(shè)備與材料產(chǎn)業(yè)協(xié)會（SEMI）報告，中國是半導(dǎo)體市場增速最快的國家[1]。隨著新一輪產(chǎn)業(yè)浪潮的來襲，在半導(dǎo)體行業(yè)出現(xiàn)了供不應(yīng)求和加倍提升產(chǎn)線效率的現(xiàn)象。傳統(tǒng)的自動物料運輸系統(tǒng)（AMHS）的產(chǎn)能瓶頸更加突出，業(yè)界已經(jīng)對以天車（OHT）為主的AMHS進行了全方位的挖掘，以至于部分研究開始將目光轉(zhuǎn)向人工智能[2]。然而，停留在軟件層次的改進的效果是逐步降低的，整個行業(yè)都在期待階段性的突破。

半導(dǎo)體制造技術(shù)戰(zhàn)略聯(lián)盟（SEMATECH）是1987年由美國半導(dǎo)體制造商成立的一個非營利協(xié)會。其在1999年提出并構(gòu)建了一個晶圓制造廠模型，結(jié)合了當(dāng)時最先進的生產(chǎn)技術(shù)。實際上，現(xiàn)有AMHS系統(tǒng)并未完全實現(xiàn)SEMATECH標準，單一的使用OHT而忽略了其它技術(shù)的應(yīng)用，是造成目前生產(chǎn)效率瓶頸的原因之一。

完全實現(xiàn)SEMATECH模型的關(guān)鍵是其它技術(shù)和產(chǎn)品的跟進，包括自動巡航車（AGV）、工業(yè)機器人和協(xié)作機器人等。半導(dǎo)體是生產(chǎn)要求最嚴苛的領(lǐng)域，以至于大多數(shù)生產(chǎn)設(shè)備是為其特別定制開發(fā)的，比如取放晶圓的半導(dǎo)體機械臂（又稱青蛙腿機械手，frog-leg arm）等。但有極少數(shù)制作精良的通用設(shè)備，如某些工業(yè)機器人，也通過了半導(dǎo)體生產(chǎn)的嚴苛要求。新興起的工業(yè)協(xié)作機器人，為大幅突破半導(dǎo)體AMHS效率這一課題，提供了方案和模板。

半導(dǎo)體晶圓制造的相關(guān)概念

由于半導(dǎo)體行業(yè)的專業(yè)和復(fù)雜程度高，專業(yè)術(shù)語眾多，要準確厘清其范圍是件困難但重要的事情。絕大多數(shù)人都擁有半導(dǎo)體相關(guān)的產(chǎn)品，但經(jīng)常把電子和半導(dǎo)體混為一談。業(yè)內(nèi)人士也經(jīng)常會使用“前道”、“后道”這些意義會隨場景變化的詞語。本文界定了一個較精確的范圍，即本文所提的半導(dǎo)體行業(yè)包括硅晶圓制造、芯片設(shè)計、半導(dǎo)體器件制造和集成電路封裝等領(lǐng)域。這些領(lǐng)域主要對應(yīng)了傳統(tǒng)半導(dǎo)體巨頭Intel、Texas Instrument所建立的IDM（集成設(shè)備制造）模式。

FAB是半導(dǎo)體器件制造的生產(chǎn)工廠，取自“fabrication”的前三個字母，有時候也被稱為“foundry”。本文所提及的自動化應(yīng)用，如果沒有特別說明，均是指FAB工廠內(nèi)的生產(chǎn)應(yīng)用。工廠內(nèi)部通常是潔凈度等級在FS209E CLASS 100及以上等級（本文所提到的潔凈度都以FS209E為標準）。

半導(dǎo)體晶圓制造自動物料運輸系統(tǒng)的發(fā)展歷程和研究現(xiàn)狀

在2000年前后，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)開始從200mm的晶圓制造，跨越到300mm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200mm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300mm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。

為了協(xié)助工業(yè)界過渡到300mm的晶圓制造，SEMATECH成立了300mm組織（I300I），提出并建立了一套半導(dǎo)體自動化生產(chǎn)的標準模型，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[3-5]。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，如圖1所示。

只是在實際的發(fā)展中，OHT的速度和成熟度遠高于混合模型的其它部分，幾乎壟斷了半導(dǎo)體晶圓制造的全部AMHS系統(tǒng)。以速度作對比，OHT的移動速度在3～5米/秒，RGV的移動速度可以超過1米/秒，而AGV的速度直到現(xiàn)在還未穩(wěn)定地實現(xiàn)1米/秒的速度。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[6-10]。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[11]。

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。近十年的研究和實踐表明，我們可以從以下方面發(fā)力：增加離散的存儲點以減少最后一段運輸?shù)木嚯x、減少出入stocker的時間以減少運輸交通的擁堵和提升空間利用效率以增加更多生產(chǎn)設(shè)備等[12-15]。實際上，目前能看到的研究雖然有這樣的方向，但主要還是集中于OHT的。因為只有少數(shù)公司能為半導(dǎo)體生產(chǎn)提供不一樣的產(chǎn)品和服務(wù)，在形成一定的規(guī)模前，大部分研究人員是沒有機會接觸到的。這個情形和1999年很類似，主要的FAB工廠通過SEMATECH協(xié)會組織和交流，在最新的工藝和產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，形成共識和產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，最后才對相關(guān)研究機構(gòu)開放。這也是半導(dǎo)體最神秘的特點：企業(yè)引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)潮流，極少數(shù)科學(xué)家參與這個過程，而大多數(shù)研究人員是被動跟隨的。

最新的產(chǎn)業(yè)潮流就是工業(yè)協(xié)作型機器人在晶圓制造AMHS中的深入應(yīng)用。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。而柔性極強的復(fù)合機器人可以打通這些節(jié)點，并且連通了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。

工業(yè)機器人在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀

根據(jù)國際機器人聯(lián)合會（IFR）的定義，工業(yè)機器人是自動化、可編程和在3個及以上自由維度上運行的機器人制造系統(tǒng)。“機器人之父”恩格爾伯格（Engelberger）在1961為通用汽車安裝了全世界首套工業(yè)機器人。其創(chuàng)立的Unimation公司主力研發(fā)可編程、通用的組裝機器（PUMA），是現(xiàn)有多關(guān)節(jié)機器人（articulated robot）的鼻祖，后者在工業(yè)機器人中的占比是最大的。PUMA機器人的結(jié)構(gòu)圖如圖2。1989年在Unimation公司被瑞士精工企業(yè)Staubli公司收購后，PUMA機器人的設(shè)計理念和控制方法被充分地融合到新一代的產(chǎn)品之中，至今仍發(fā)揮著重要的作用。

工業(yè)機器人的核心技術(shù)是機械部件的精密制造和運動軌跡的高速控制，前者是后者實現(xiàn)的基礎(chǔ)，因此是更核心的技術(shù)因素。工業(yè)機器人精密制造的核心是機器人關(guān)節(jié)，機器人關(guān)節(jié)的核心是減速器，一切性能上的差異都與減速器密切相關(guān)。據(jù)各大廠商的統(tǒng)計，80%的減速器是日系品牌，大多數(shù)工業(yè)機器人使用的是RV減速器，但傳統(tǒng)協(xié)作機器人使用的是諧波減速器（又稱HD減速器）。極少有機器人廠家自己生產(chǎn)減速器。在全球銷量前十的機器人品牌中，Staubli是唯一自主研發(fā)和生產(chǎn)減速器的機器人本體廠家，其專利產(chǎn)品簡稱JCS。圖3是針對這3個類型減速器圖片和性能對比，僅以高、中、低三個等級來評判。

在IFR所統(tǒng)計的機器人使用報告中，半導(dǎo)體的統(tǒng)計數(shù)據(jù)和液晶屏等多個板塊合并在一起。IFR的定義是出于其相類似的生產(chǎn)原理，比如微光刻、離子刻蝕等關(guān)鍵工藝，讀者可以將其理解為廣義的半導(dǎo)體行業(yè)。但實際應(yīng)用中，液晶屏的生產(chǎn)設(shè)備、工藝要求與FAB工廠是完全不同的。從表1的數(shù)據(jù)中，我們可以發(fā)現(xiàn)該類別使用機器人的數(shù)量增長迅速，特別是在2015年之后[16]。

從表1可以看出，機器人為半導(dǎo)體行業(yè)生產(chǎn)的數(shù)量很少。除去專門定制的青蛙腿機械手和搬運LCD的定制機械手，工業(yè)機器人的數(shù)量只有數(shù)百臺。根本原因在于，絕大多數(shù)工業(yè)機器人無法達到半導(dǎo)體行業(yè)的應(yīng)用標準。以晶圓制造AMHS為例，有些要求是通用的，比如高效率和高良率；有些是要區(qū)別討論的，比如潔凈度、防護等級、人機協(xié)作程度等。篇幅限制，僅針對高效率和高良率的智能制造做出具體說明。

FAB工廠對生產(chǎn)效率和良率的極限追求源于其投資巨大，需要24小時滿負荷生產(chǎn)來降低其設(shè)備的折舊成本。從建廠、設(shè)備、運轉(zhuǎn)的角度來看：TSMC（臺積電）對其2010年在臺灣中部科技園十五廠的投資為93億美元，凈室造價超過5萬美元/平方米，每天折舊200多萬美元；其中荷蘭光刻機制造商ASML的光刻機售價約1億歐元，即假設(shè)一片芯片在其中運作的時間為15分鐘，僅該設(shè)備的折舊費用就高達285歐元；晶圓要在數(shù)周的生產(chǎn)中輾轉(zhuǎn)于微光刻、清洗、離子刻蝕、化學(xué)沉積等各設(shè)備之間，不僅要保持其完整無缺陷，還要求在各晶圓間保持高水準的一致性。例如德國某工廠內(nèi)為沉積爐整理晶圓的大型機械手RX160，最多時可搬運40多片晶圓，1次跌落可造成的直接損失超過100萬美元，而造成的廠房污染和設(shè)備停工所帶來的損失，數(shù)倍或數(shù)十倍于此。

近1～2年來，協(xié)作機器人受到各FAB工廠的注意，已經(jīng)開始測試其在專機設(shè)備外的人機協(xié)作（MRC）的性能，即滿足ISO-10218等標準的各項要求，達到重復(fù)高強度運作也不危害到人的最高安全等級。然而傳統(tǒng)協(xié)作機器人讓各廠商屢次失望，只因為其生產(chǎn)效率離預(yù)期相去甚遠；既然沒有廣泛的生產(chǎn)，良率也就無從談起。從稍長的時間角度看，至少在半導(dǎo)體這樣高嚴格要求的領(lǐng)域，使用HD減速器的傳統(tǒng)協(xié)作機器人，是無法滿足工廠生產(chǎn)要求的?，F(xiàn)在和未來的協(xié)作機器人，既要滿足和人分工合作，還要提供比人快得多的生產(chǎn)效率。

與大多數(shù)人的認知不同，工業(yè)機器人同樣可以滿足協(xié)作要求；相反，部分工業(yè)機器人因為核心部件的良好特性，在急停時間上更有優(yōu)勢，實際上更安全可靠。事實上，讀者應(yīng)該區(qū)分傳統(tǒng)協(xié)作機器人和工業(yè)協(xié)作機器人的區(qū)別。工業(yè)協(xié)作機器人已經(jīng)在一些場合證明了其實用性，如在FAB工廠內(nèi)大范圍活動，既需要避免和人的碰撞，還需要避免和其它設(shè)備碰撞。機器人的生產(chǎn)信息通過現(xiàn)場總線傳遞給制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES），在開放的軟件環(huán)境內(nèi)，各個關(guān)節(jié)的速度溫度等運行狀態(tài)都可被實時記錄，MES可以智能地調(diào)節(jié)每個機器人的運動強度、根據(jù)其狀態(tài)安排檢修等。

工業(yè)協(xié)作機器人在晶圓制造AMHS的發(fā)展方向和應(yīng)用前景

在SEMATECH的AMHS標準模型中，我們看到了RGV/AGV/OHT三種運輸工具交互使用的一種綜合自動化模式。目前制約AGV/RGV發(fā)展的原因有很多：電池續(xù)航、定位精度、運行速度等，正在一一被克服，達到FAB廠商的生產(chǎn)要求。

在此基礎(chǔ)上，本文開篇提出的三個AMHS階段性突破的方向可以更加明細化，不再局限于OHT的路徑優(yōu)化。首先，增加離散的存儲點以減少最后一段運輸?shù)木嚯x。在AGV/RGV的地面運輸系統(tǒng)的輔助下，晶圓匣盒的離散存儲點可以分布在車間的任何一個位置，可以實現(xiàn)多層的復(fù)雜排列。而現(xiàn)有的OHT依賴的軌道下方存儲（UTS），其位置只能在軌道下方，只能有一層，因此數(shù)量上有極大的限制。

其次，減少出入stocker的時間以減少運輸交通的擁堵。OHT單個維度的上下取放動作，對stocker的接收/發(fā)放系統(tǒng)有較高要求，入庫時間長達20多秒，非常容易造成堵塞；相比較于工業(yè)機器人3-5秒的入庫速度，后者的優(yōu)勢非常明顯。如在晶圓庫，由工業(yè)機器人實現(xiàn)的物料中轉(zhuǎn)，最終還要將整理后的晶圓返回到晶圓盒中，供下一道工序使用；同時實現(xiàn)晶圓在庫中進行檢測、計數(shù)、入庫等流程。其來料方式多樣：人工搬運、AGV/RGV、OHT等，可嵌入在任何產(chǎn)能瓶頸突出的生產(chǎn)環(huán)節(jié)中。

最后，提升空間利用效率以增加更多生產(chǎn)設(shè)備。還是以晶圓庫為例，使用工業(yè)機器人，不僅可以利用地面的空間，建立地面運輸網(wǎng)絡(luò)，同樣可以倒置在廠房上空，利用上層空間。對于某些層高突出的工廠，可以為機器人增加升降臺，實現(xiàn)最大的空間利用效率。

未來3年，僅考慮在中國完成建設(shè)生產(chǎn)的FAB工廠，平均每年就超過10座，而在2000年前后建立的FAB工廠，只能依靠地面系統(tǒng)來升級AMHS，如圖6所示的人工搬運會被逐步取代。

顯而易見，工業(yè)協(xié)作機器人在半導(dǎo)體行業(yè)中的應(yīng)用還會繼續(xù)擴大，增加了智能工廠的覆蓋范圍，同時也提升產(chǎn)業(yè)的整體規(guī)模。以晶圓制造AMHS現(xiàn)有的市場規(guī)模來估算，未來工業(yè)協(xié)作機器人在其中所占的市場規(guī)模將近百億元。而且該領(lǐng)域?qū)ζ湎掠涡袠I(yè)的影響巨大，SEMATECH標準可以被用來指導(dǎo)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的升級發(fā)展，有非常積極的潛在作用。

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