工业协作机器人助力半导体产业升级

工业协作机器人助力半导体产业升级

作者：周超

来源：《机器人产业》2019年第02期

半导体是整个工业界最核心的领域之一。据国际半导体设备与材料产业协会（SEMI）报告，中国是半导体市场增速最快的国家[1]。随着新一轮产业浪潮的来袭，在半导体行业出现了供不应求和加倍提升产线效率的现象。传统的自动物料运输系统（AMHS）的产能瓶颈更加突出，业界已经对以天车（OHT）为主的AMHS进行了全方位的挖掘，以至于部分研究开始将目光转向人工智能[2]。然而，停留在软件层次的改进的效果是逐步降低的，整个行业都在期待阶段性的突破。

半导体制造技术战略联盟（SEMATECH）是1987年由美国半导体制造商成立的一个非营利协会。其在1999年提出并构建了一个晶圆制造厂模型，结合了当时最先进的生产技术。实际上，现有AMHS系统并未完全实现SEMATECH标准，单一的使用OHT而忽略了其它技术的应用，是造成目前生产效率瓶颈的原因之一。

完全实现SEMATECH模型的关键是其它技术和产品的跟进，包括自动巡航车（AGV）、工业机器人和协作机器人等。半导体是生产要求最严苛的领域，以至于大多数生产设备是为其特别定制开发的，比如取放晶圆的半导体机械臂（又称青蛙腿机械手，frog-leg arm）等。但有极少数制作精良的通用设备，如某些工业机器人，也通过了半导体生产的严苛要求。新兴起的工业协作机器人，为大幅突破半导体AMHS效率这一课题，提供了方案和模板。

半导体晶圆制造的相关概念

由于半导体行业的专业和复杂程度高，专业术语众多，要准确厘清其范围是件困难但重要的事情。绝大多数人都拥有半导体相关的产品，但经常把电子和半导体混为一谈。业内人士也经常会使用“前道”、“后道”这些意义会随场景变化的词语。本文界定了一个较精确的范围，即本文所提的半导体行业包括硅晶圆制造、芯片设计、半导体器件制造和集成电路封装等领域。这些领域主要对应了传统半导体巨头Intel、Texas Instrument所建立的IDM（集成设备制造）模式。

FAB是半导体器件制造的生产工厂，取自“fabrication”的前三个字母，有时候也被称为“foundry”。本文所提及的自动化应用，如果没有特别说明，均是指FAB工厂内的生产应用。工厂内部通常是洁净度等级在FS209E CLASS 100及以上等级（本文所提到的洁净度都以

FS209E为标准）。

半导体晶圆制造自动物料运输系统的发展历程和研究现状

在2000年前后，半导体产业开始从200mm的晶圆制造，跨越到300mm的晶圆制造。制造产线的大幅升级不仅对制造专机提出挑戰，对晶圆制造传输系统的自动化要求更是前所未有的。因为在200mm晶圆及之前的生产，人工搬运并不会对生产效率和产品良率产生足够明显的影响。但是300mm晶圆的所受应力、形变导致的不良率、相关联设备空转等因素深刻影响了生产线的运转，而且密封性更高的晶圆盒总重量超过10kg，人工长距离搬运开始变得不实际。

为了协助工业界过渡到300mm的晶圆制造，SEMATECH成立了300mm组织（I300I），提出并建立了一套半导体自动化生产的标准模型，通过天车（OHT）、AGV、RGV和PGV的协作努力，提升整条产线的生产效率[3-5]。在这个模型中，生产设备是中央区域（Interbay）延伸出的许多区块（Intrabay）。每一个区块对应着一个用于该区块存储的存储栈（Stocker，又名晶圆库）和属于自己区域的走道，如图1所示。

只是在实际的发展中，OHT的速度和成熟度远高于混合模型的其它部分，几乎垄断了半导体晶圆制造的全部AMHS系统。以速度作对比，OHT的移动速度在3～5米/秒，RGV的移动速度可以超过1米/秒，而AGV的速度直到现在还未稳定地实现1米/秒的速度。相对于其它专机的投入，如ASML的EUV光刻机卖出1.5亿欧元的高价，OHT的成本投入是可以被业界接受的。在十年前和更早的研究中，主要聚焦在AMHS的软件控制层面，针对点对点的运动方式、实时响应、路径优化、配给优化等方面做了大量的研究[6-10]。从AMHS实现点对点开始，FAB工厂的自动化生产系统已经非常接近当前的智能制造了；OHT在越过Stocker进行不同工艺的直接送料时，已经将各个工作台的生产信息汇集到一个中央调度系统。相关研究很快到达了瓶颈，FAB工厂也基本实现了现有设备最大可利用效率的90%或者更高[11]。

FAB工厂的晶圆制造AMHS要进一步提升产能和效率，仅依靠OHT工作效率的提升是不现实的。近十年的研究和实践表明，我们可以从以下方面发力：增加离散的存储点以减少最后一段运输的距离、减少出入stocker的时间以减少运输交通的拥堵和提升空间利用效率以增加更多生产设备等[12-15]。实际上，目前能看到的研究虽然有这样的方向，但主要还是集中于OHT的。因为只有少数公司能为半导体生产提供不一样的产品和服务，在形成一定的规模前，大部分研究人员是没有机会接触到的。这个情形和1999年很类似，主要的FAB工厂通过SEMATECH协会组织和交流，在最新的工艺和产品的基础上，形成共识和产业基础，最后才对相关研究机构开放。这也是半导体最神秘的特点：企业引领产业潮流，极少数科学家参与这个过程，而大多数研究人员是被动跟随的。

最新的产业潮流就是工业协作型机器人在晶圆制造AMHS中的深入应用。OHT受制于轨道铺设、单维运动等因素，在未覆盖区域的人工干预是必要的。而柔性极强的复合机器人可以打通这些节点，并且连通了FAB工厂净室和非净室的物料交互，实现了整个FAB工厂的智能制造。

工业机器人在半导体产业的应用现状

根据国际机器人联合会（IFR）的定义，工业机器人是自动化、可编程和在3个及以上自由维度上运行的机器人制造系统。“机器人之父”恩格尔伯格（Engelberger）在1961为通用汽车安装了全世界首套工业机器人。其创立的Unimation公司主力研发可编程、通用的组装机器（PUMA），是现有多关节机器人（articulated robot）的鼻祖，后者在工业机器人中的占比是最大的。PUMA机器人的结构图如图2。1989年在Unimation公司被瑞士精工企业Staubli公司收购后，PUMA机器人的设计理念和控制方法被充分地融合到新一代的产品之中，至今仍发挥着重要的作用。

工业机器人的核心技术是机械部件的精密制造和运动轨迹的高速控制，前者是后者实现的基础，因此是更核心的技术因素。工业机器人精密制造的核心是机器人关节，机器人关节的核心是减速器，一切性能上的差异都与减速器密切相关。据各大厂商的统计，80%的减速器是日系品牌，大多數工业机器人使用的是RV减速器，但传统协作机器人使用的是谐波减速器（又称HD减速器）。极少有机器人厂家自己生产减速器。在全球销量前十的机器人品牌中，Staubli是唯一自主研发和生产减速器的机器人本体厂家，其专利产品简称JCS。图3是针对这3个类型减速器图片和性能对比，仅以高、中、低三个等级来评判。

在IFR所统计的机器人使用报告中，半导体的统计数据和液晶屏等多个板块合并在一起。IFR的定义是出于其相类似的生产原理，比如微光刻、离子刻蚀等关键工艺，读者可以将其理解为广义的半导体行业。但实际应用中，液晶屏的生产设备、工艺要求与FAB工厂是完全不同的。从表1的数据中，我们可以发现该类别使用机器人的数量增长迅速，特别是在2015年之后[16]。

从表1可以看出，机器人为半导体行业生产的数量很少。除去专门定制的青蛙腿机械手和搬运LCD的定制机械手，工业机器人的数量只有数百台。根本原因在于，绝大多数工业机器人无法达到半导体行业的应用标准。以晶圆制造AMHS为例，有些要求是通用的，比如高效率和高良率；有些是要区别讨论的，比如洁净度、防护等级、人机协作程度等。篇幅限制，仅针对高效率和高良率的智能制造做出具体说明。

FAB工厂对生产效率和良率的极限追求源于其投资巨大，需要24小时满负荷生产来降低其设备的折旧成本。从建厂、设备、运转的角度来看：TSMC（台积电）对其2010年在台湾中部科技园十五厂的投资为93亿美元，净室造价超过5万美元/平方米，每天折旧200多万美元；其中荷兰光刻机制造商ASML的光刻机售价约1亿欧元，即假设一片芯片在其中运作的时间为15分钟，仅该设备的折旧费用就高达285欧元；晶圆要在数周的生产中辗转于微光刻、清洗、离子刻蚀、化学沉积等各设备之间，不仅要保持其完整无缺陷，还要求在各晶圆间保持高水准的一致性。例如德国某工厂内为沉积炉整理晶圆的大型机械手RX160，最多时可搬运40多片晶圆，1次跌落可造成的直接损失超过100万美元，而造成的厂房污染和设备停工所带来的损失，数倍或数十倍于此。

近1～2年来，协作机器人受到各FAB工厂的注意，已经开始测试其在专机设备外的人机协作（MRC）的性能，即满足ISO-10218等标准的各项要求，达到重复高强度运作也不危害到