本文摘要：半導(dǎo)體是整個(gè)工業(yè)界最核心的領(lǐng)域之一。據(jù)國(guó)際半導(dǎo)體設(shè)備與材料產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)(SEMI)報(bào)告，中國(guó)是半導(dǎo)體市場(chǎng)增速最快的國(guó)家[1]。隨著新一輪產(chǎn)業(yè)浪潮的來(lái)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(dòng)物料運(yùn)輸系統(tǒng)(AMHS)的產(chǎn)能瓶頸更加突出，
半導(dǎo)體是整個(gè)工業(yè)界最核心的領(lǐng)域之一。據(jù)國(guó)際半導(dǎo)體設(shè)備與材料產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)(SEMI)報(bào)告，中國(guó)是半導(dǎo)體市場(chǎng)增速最快的國(guó)家[1]。隨著新一輪產(chǎn)業(yè)浪潮的來(lái)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(dòng)物料運(yùn)輸系統(tǒng)(AMHS)的產(chǎn)能瓶頸更加突出，業(yè)界已經(jīng)對(duì)以天車(OHT)為主的AMHS進(jìn)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(jìn)的效果是逐步降低的，整個(gè)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(guó)半導(dǎo)體制造商成立的一個(gè)非營(yíng)利協(xié)會(huì)。其在1999年提出并構(gòu)建了一個(gè)晶圓制造廠模型，結(jié)合了當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)。實(shí)際上，現(xiàn)有AMHS系統(tǒng)并未完全實(shí)現(xiàn)SEMATECH標(biāo)準(zhǔn)，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(shí)現(xiàn)SEMATECH模型的關(guān)鍵是其它技術(shù)和產(chǎn)品的跟進(jìn)，包括自動(dòng)巡航車(AGV)、工業(yè)機(jī)器人和協(xié)作機(jī)器人等。半導(dǎo)體是生產(chǎn)要求最嚴(yán)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(jī)械臂(又稱青蛙腿機(jī)械手，frog-legarm)等。但有極少數(shù)制作精良的通用設(shè)備，如某些工業(yè)機(jī)器人，也通過(guò)了半導(dǎo)體生產(chǎn)的嚴(yán)苛要求。新興起的工業(yè)協(xié)作機(jī)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(yǔ)眾多，要準(zhǔn)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(huì)使用“前道”、“后道”這些意義會(huì)隨場(chǎng)景變化的詞語(yǔ)。本文界定了一個(gè)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(jì)、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(duì)應(yīng)了傳統(tǒng)半導(dǎo)體巨頭Intel、TexasInstrument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(gè)字母，有時(shí)候也被稱為“foundry”。本文所提及的自動(dòng)化應(yīng)用，如果沒(méi)有特別說(shuō)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(jí)在FS209ECLASS100及以上等級(jí)(本文所提到的潔凈度都以FS209E為標(biāo)準(zhǔn))。
半導(dǎo)體晶圓制造自動(dòng)物料運(yùn)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(jí)不僅對(duì)制造專機(jī)提出挑戰(zhàn)，對(duì)晶圓制造傳輸系統(tǒng)的自動(dòng)化要求更是前所未有的。因?yàn)樵?00mm晶圓及之前的生產(chǎn)，人工搬運(yùn)并不會(huì)對(duì)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(yùn)轉(zhuǎn)，而且密封性更高的晶圓盒總重量超過(guò)10kg，人工長(zhǎng)距離搬運(yùn)開始變得不實(shí)際。
為了協(xié)助工業(yè)界過(guò)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(dòng)化生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)模型，通過(guò)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(gè)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(gè)區(qū)塊對(duì)應(yīng)著一個(gè)用于該區(qū)塊存儲(chǔ)的存儲(chǔ)棧(Stocker，又名晶圓庫(kù))和屬于自己區(qū)域的走道，如圖1所示。
只是在實(shí)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，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(duì)比，OHT的移動(dòng)速度在3~5米/秒，RGV的移動(dòng)速度可以超過(guò)1米/秒，而AGV的速度直到現(xiàn)在還未穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)1米/秒的速度。相對(duì)于其它專機(jī)的投入，如ASML的EUV光刻機(jī)賣出1.5億歐元的高價(jià)，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(duì)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方式、實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)開始，F(xiàn)AB工廠的自動(dòng)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(guò)Stocker進(jìn)行不同工藝的直接送料時(shí)，已經(jīng)將各個(gè)工作臺(tái)的生產(chǎn)信息匯集到一個(gè)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(shí)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(jìn)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(shí)的。近十年的研究和實(shí)踐表明，我們可以從以下方面發(fā)力:增加離散的存儲(chǔ)點(diǎn)以減少最后一段運(yùn)輸?shù)木嚯x、減少出入stocker的時(shí)間以減少運(yùn)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(shí)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?yàn)橹挥猩贁?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(méi)有機(jī)會(huì)接觸到的。這個(gè)情形和1999年很類似，主要的FAB工廠通過(guò)SEMATECH協(xié)會(huì)組織和交流，在最新的工藝和產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，形成共識(shí)和產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，最后才對(duì)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)開放。這也是半導(dǎo)體最神秘的特點(diǎn):企業(yè)引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)潮流，極少數(shù)科學(xué)家參與這個(gè)過(guò)程，而大多數(shù)研究人員是被動(dòng)跟隨的。
最新的產(chǎn)業(yè)潮流就是工業(yè)協(xié)作型機(jī)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(yùn)動(dòng)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(qiáng)的復(fù)合機(jī)器人可以打通這些節(jié)點(diǎn)，并且連通了FAB工廠凈室和非凈室的物料交互，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)FAB工廠的智能制造。
工業(yè)機(jī)器人在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀
根據(jù)國(guó)際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)(IFR)的定義，工業(yè)機(jī)器人是自動(dòng)化、可編程和在3個(gè)及以上自由維度上運(yùn)行的機(jī)器人制造系統(tǒng)。“機(jī)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(jī)器人。其創(chuàng)立的Unimation公司主力研發(fā)可編程、通用的組裝機(jī)器(PUMA)，是現(xiàn)有多關(guān)節(jié)機(jī)器人(articulatedrobot)的鼻祖，后者在工業(yè)機(jī)器人中的占比是最大的。PUMA機(jī)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(gòu)后，PUMA機(jī)器人的設(shè)計(jì)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(jī)器人的核心技術(shù)是機(jī)械部件的精密制造和運(yùn)動(dòng)軌跡的高速控制，前者是后者實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，因此是更核心的技術(shù)因素。工業(yè)機(jī)器人精密制造的核心是機(jī)器人關(guān)節(jié)，機(jī)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(jì)，80%的減速器是日系品牌，大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人使用的是RV減速器，但傳統(tǒng)協(xié)作機(jī)器人使用的是諧波減速器(又稱HD減速器)。極少有機(jī)器人廠家自己生產(chǎn)減速器。在全球銷量前十的機(jī)器人品牌中，Staubli是唯一自主研發(fā)和生產(chǎn)減速器的機(jī)器人本體廠家，其專利產(chǎn)品簡(jiǎn)稱JCS。圖3是針對(duì)這3個(gè)類型減速器圖片和性能對(duì)比，僅以高、中、低三個(gè)等級(jí)來(lái)評(píng)判。
在IFR所統(tǒng)計(jì)的機(jī)器人使用報(bào)告中，半導(dǎo)體的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和液晶屏等多個(gè)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(shí)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(jī)器人的數(shù)量增長(zhǎng)迅速，特別是在2015年之后[16]。
從表1可以看出，機(jī)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(jī)械手和搬運(yùn)LCD的定制機(jī)械手，工業(yè)機(jī)器人的數(shù)量只有數(shù)百臺(tái)。根本原因在于，絕大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人無(wú)法達(dá)到半導(dǎo)體行業(yè)的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。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(hù)等級(jí)、人機(jī)協(xié)作程度等。篇幅限制，僅針對(duì)高效率和高良率的智能制造做出具體說(shuō)明。
FAB工廠對(duì)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(shí)滿負(fù)荷生產(chǎn)來(lái)降低其設(shè)備的折舊成本。從建廠、設(shè)備、運(yùn)轉(zhuǎn)的角度來(lái)看:TSMC(臺(tái)積電)對(duì)其2010年在臺(tái)灣中部科技園十五廠的投資為93億美元，凈室造價(jià)超過(guò)5萬(wàn)美元/平方米，每天折舊200多萬(wàn)美元;其中荷蘭光刻機(jī)制造商ASML的光刻機(jī)售價(jià)約1億歐元，即假設(shè)一片芯片在其中運(yùn)作的時(shí)間為15分鐘，僅該設(shè)備的折舊費(fèi)用就高達(dá)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(wú)缺陷，還要求在各晶圓間保持高水準(zhǔn)的一致性。例如德國(guó)某工廠內(nèi)為沉積爐整理晶圓的大型機(jī)械手RX160，最多時(shí)可搬運(yùn)40多片晶圓，1次跌落可造成的直接損失超過(guò)100萬(wàn)美元，而造成的廠房污染和設(shè)備停工所帶來(lái)的損失，數(shù)倍或數(shù)十倍于此。
近1~2年來(lái)，協(xié)作機(jī)器人受到各FAB工廠的注意，已經(jīng)開始測(cè)試其在專機(jī)設(shè)備外的人機(jī)協(xié)作(MRC)的性能，即滿足ISO-10218等標(biāo)準(zhǔn)的各項(xiàng)要求，達(dá)到重復(fù)高強(qiáng)度運(yùn)作也不危害到人的最高安全等級(jí)。然而傳統(tǒng)協(xié)作機(jī)器人讓各廠商屢次失望，只因?yàn)槠渖a(chǎn)效率離預(yù)期相去甚遠(yuǎn);既然沒(méi)有廣泛的生產(chǎn)，良率也就無(wú)從談起。從稍長(zhǎng)的時(shí)間角度看，至少在半導(dǎo)體這樣高嚴(yán)格要求的領(lǐng)域，使用HD減速器的傳統(tǒng)協(xié)作機(jī)器人，是無(wú)法滿足工廠生產(chǎn)要求的�，F(xiàn)在和未來(lái)的協(xié)作機(jī)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(rèn)知不同，工業(yè)機(jī)器人同樣可以滿足協(xié)作要求;相反，部分工業(yè)機(jī)器人因?yàn)楹诵牟考牧己锰匦�，在急停時(shí)間上更有優(yōu)勢(shì)，實(shí)際上更安全可靠。事實(shí)上，讀者應(yīng)該區(qū)分傳統(tǒng)協(xié)作機(jī)器人和工業(yè)協(xié)作機(jī)器人的區(qū)別。工業(yè)協(xié)作機(jī)器人已經(jīng)在一些場(chǎng)合證明了其實(shí)用性，如在FAB工廠內(nèi)大范圍活動(dòng)，既需要避免和人的碰撞，還需要避免和其它設(shè)備碰撞。機(jī)器人的生產(chǎn)信息通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)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(gè)關(guān)節(jié)的速度溫度等運(yùn)行狀態(tài)都可被實(shí)時(shí)記錄，MES可以智能地調(diào)節(jié)每個(gè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度、根據(jù)其狀態(tài)安排檢修等。
工業(yè)協(xié)作機(jī)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(biāo)準(zhǔn)模型中，我們看到了RGV/AGV/OHT三種運(yùn)輸工具交互使用的一種綜合自動(dòng)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(yùn)行速度等，正在一一被克服，達(dá)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(gè)AMHS階段性突破的方向可以更加明細(xì)化，不再局限于OHT的路徑優(yōu)化。首先，增加離散的存儲(chǔ)點(diǎn)以減少最后一段運(yùn)輸?shù)木嚯x。在AGV/RGV的地面運(yùn)輸系統(tǒng)的輔助下，晶圓匣盒的離散存儲(chǔ)點(diǎn)可以分布在車間的任何一個(gè)位置，可以實(shí)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(chǔ)(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(shí)間以減少運(yùn)輸交通的擁堵。OHT單個(gè)維度的上下取放動(dòng)作，對(duì)stocker的接收/發(fā)放系統(tǒng)有較高要求，入庫(kù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)20多秒，非常容易造成堵塞;相比較于工業(yè)機(jī)器人3-5秒的入庫(kù)速度，后者的優(yōu)勢(shì)非常明顯。如在晶圓庫(kù)，由工業(yè)機(jī)器人實(shí)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(shí)實(shí)現(xiàn)晶圓在庫(kù)中進(jìn)行檢測(cè)、計(jì)數(shù)、入庫(kù)等流程。其來(lái)料方式多樣:人工搬運(yùn)、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(kù)為例，使用工業(yè)機(jī)器人，不僅可以利用地面的空間，建立地面運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)，同樣可以倒置在廠房上空，利用上層空間。對(duì)于某些層高突出的工廠，可以為機(jī)器人增加升降臺(tái)，實(shí)現(xiàn)最大的空間利用效率。
未來(lái)3年，僅考慮在中國(guó)完成建設(shè)生產(chǎn)的FAB工廠，平均每年就超過(guò)10座，而在2000年前后建立的FAB工廠，只能依靠地面系統(tǒng)來(lái)升級(jí)AMHS，如圖6所示的人工搬運(yùn)會(huì)被逐步取代。
顯而易見(jiàn)，工業(yè)協(xié)作機(jī)器人在半導(dǎo)體行業(yè)中的應(yīng)用還會(huì)繼續(xù)擴(kuò)大，增加了智能工廠的覆蓋范圍，同時(shí)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(chǎng)規(guī)模來(lái)估算，未來(lái)工業(yè)協(xié)作機(jī)器人在其中所占的市場(chǎng)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(biāo)準(zhǔn)可以被用來(lái)指導(dǎo)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的升級(jí)發(fā)展，有非常積極的潛在作用。
人工智能論文范文閱讀：復(fù)雜環(huán)境下農(nóng)業(yè)機(jī)器人路徑規(guī)劃優(yōu)化方法
摘 要：針對(duì)在復(fù)雜室外環(huán)境下作業(yè)的農(nóng)業(yè)機(jī)器人，存在因能量受限降低工作完成率的問(wèn)題，提出了一種基于改進(jìn)的啟發(fā)式搜索的ECA*路徑規(guī)劃算法，可以在資源受限的情況下完成能量損耗最優(yōu)路徑的規(guī)劃。首先，通過(guò)建立機(jī)器人距離-能量損耗模型，計(jì)算機(jī)器人在移動(dòng)中行進(jìn)的路程和損耗的能量，并對(duì)未來(lái)的路徑和能耗趨勢(shì)進(jìn)行評(píng)估。
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