本文摘要：半導體是整個工業界最核心的領域之一。據國際半導體設備與材料產業協會(SEMI)報告，中國是半導體市場增速最快的國家[1]。隨著新一輪產業浪潮的來襲，在半導體行業出現了供不應求和加倍提升產線效率的現象。傳統的自動物料運輸系統(AMHS)的產能瓶頸更加突出，
半導體是整個工業界最核心的領域之一。據國際半導體設備與材料產業協會(SEMI)報告，中國是半導體市場增速最快的國家[1]。隨著新一輪產業浪潮的來襲，在半導體行業出現了供不應求和加倍提升產線效率的現象。傳統的自動物料運輸系統(AMHS)的產能瓶頸更加突出，業界已經對以天車(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，整個行業都在期待階段性的突破。
半導體制造技術戰略聯盟(SEMATECH)是1987年由美國半導體制造商成立的一個非營利協會。其在1999年提出并構建了一個晶圓制造廠模型，結合了當時最先進的生產技術。實際上，現有AMHS系統并未完全實現SEMATECH標準，單一的使用OHT而忽略了其它技術的應用，是造成目前生產效率瓶頸的原因之一。
完全實現SEMATECH模型的關鍵是其它技術和產品的跟進，包括自動巡航車(AGV)、工業機器人和協作機器人等。半導體是生產要求最嚴苛的領域，以至于大多數生產設備是為其特別定制開發的，比如取放晶圓的半導體機械臂(又稱青蛙腿機械手，frog-legarm)等。但有極少數制作精良的通用設備，如某些工業機器人，也通過了半導體生產的嚴苛要求。新興起的工業協作機器人，為大幅突破半導體AMHS效率這一課題，提供了方案和模板。
半導體晶圓制造的相關概念
由于半導體行業的專業和復雜程度高，專業術語眾多，要準確厘清其范圍是件困難但重要的事情。絕大多數人都擁有半導體相關的產品，但經常把電子和半導體混為一談。業內人士也經常會使用“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，即本文所提的半導體行業包括硅晶圓制造、芯片設計、半導體器件制造和集成電路封裝等領域。這些領域主要對應了傳統半導體巨頭Intel、TexasInstrument所建立的IDM(集成設備制造)模式。
FAB是半導體器件制造的生產工廠，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用，如果沒有特別說明，均是指FAB工廠內的生產應用。工廠內部通常是潔凈度等級在FS209ECLASS100及以上等級(本文所提到的潔凈度都以FS209E為標準)。
半導體晶圓制造自動物料運輸系統的發展歷程和研究現狀
在2000年前后，半導體產業開始從200mm的晶圓制造，跨越到300mm的晶圓制造。制造產線的大幅升級不僅對制造專機提出挑戰，對晶圓制造傳輸系統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，人工搬運并不會對生產效率和產品良率產生足夠明顯的影響。但是300mm晶圓的所受應力、形變導致的不良率、相關聯設備空轉等因素深刻影響了生產線的運轉，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。
為了協助工業界過渡到300mm的晶圓制造，SEMATECH成立了300mm組織(I300I)，提出并建立了一套半導體自動化生產的標準模型，通過天車(OHT)、AGV、RGV和PGV的協作努力，提升整條產線的生產效率[3-5]。在這個模型中，生產設備是中央區域(Interbay)延伸出的許多區塊(Intrabay)。每一個區塊對應著一個用于該區塊存儲的存儲棧(Stocker，又名晶圓庫)和屬于自己區域的走道，如圖1所示。
只是在實際的發展中，OHT的速度和成熟度遠高于混合模型的其它部分，幾乎壟斷了半導體晶圓制造的全部AMHS系統。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的速度直到現在還未穩定地實現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、路徑優化、配給優化等方面做了大量的研究[6-10]。從AMHS實現點對點開始，FAB工廠的自動化生產系統已經非常接近當前的智能制造了;OHT在越過Stocker進行不同工藝的直接送料時，已經將各個工作臺的生產信息匯集到一個中央調度系統。相關研究很快到達了瓶頸，FAB工廠也基本實現了現有設備最大可利用效率的90%或者更高[11]。
FAB工廠的晶圓制造AMHS要進一步提升產能和效率，僅依靠OHT工作效率的提升是不現實的。近十年的研究和實踐表明，我們可以從以下方面發力:增加離散的存儲點以減少最后一段運輸的距離、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設備等[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。因為只有少數公司能為半導體生產提供不一樣的產品和服務，在形成一定的規模前，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協會組織和交流，在最新的工藝和產品的基礎上，形成共識和產業基礎，最后才對相關研究機構開放。這也是半導體最神秘的特點:企業引領產業潮流，極少數科學家參與這個過程，而大多數研究人員是被動跟隨的。
最新的產業潮流就是工業協作型機器人在晶圓制造AMHS中的深入應用。OHT受制于軌道鋪設、單維運動等因素，在未覆蓋區域的人工干預是必要的。而柔性極強的復合機器人可以打通這些節點，并且連通了FAB工廠凈室和非凈室的物料交互，實現了整個FAB工廠的智能制造。
工業機器人在半導體產業的應用現狀
根據國際機器人聯合會(IFR)的定義，工業機器人是自動化、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。“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機器人。其創立的Unimation公司主力研發可編程、通用的組裝機器(PUMA)，是現有多關節機器人(articulatedrobot)的鼻祖，后者在工業機器人中的占比是最大的。PUMA機器人的結構圖如圖2。1989年在Unimation公司被瑞士精工企業Staubli公司收購后，PUMA機器人的設計理念和控制方法被充分地融合到新一代的產品之中，至今仍發揮著重要的作用。
工業機器人的核心技術是機械部件的精密制造和運動軌跡的高速控制，前者是后者實現的基礎，因此是更核心的技術因素。工業機器人精密制造的核心是機器人關節，機器人關節的核心是減速器，一切性能上的差異都與減速器密切相關。據各大廠商的統計，80%的減速器是日系品牌，大多數工業機器人使用的是RV減速器，但傳統協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是唯一自主研發和生產減速器的機器人本體廠家，其專利產品簡稱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所統計的機器人使用報告中，半導體的統計數據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原理，比如微光刻、離子刻蝕等關鍵工藝，讀者可以將其理解為廣義的半導體行業。但實際應用中，液晶屏的生產設備、工藝要求與FAB工廠是完全不同的。從表1的數據中，我們可以發現該類別使用機器人的數量增長迅速，特別是在2015年之后[16]。
從表1可以看出，機器人為半導體行業生產的數量很少。除去專門定制的青蛙腿機械手和搬運LCD的定制機械手，工業機器人的數量只有數百臺。根本原因在于，絕大多數工業機器人無法達到半導體行業的應用標準。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;有些是要區別討論的，比如潔凈度、防護等級、人機協作程度等。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小時滿負荷生產來降低其設備的折舊成本。從建廠、設備、運轉的角度來看: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，即假設一片芯片在其中運作的時間為15分鐘，僅該設備的折舊費用就高達285歐元;晶圓要在數周的生產中輾轉于微光刻、清洗、離子刻蝕、化學沉積等各設備之間，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備停工所帶來的損失，數倍或數十倍于此。
近1~2年來，協作機器人受到各FAB工廠的注意，已經開始測試其在專機設備外的人機協作(MRC)的性能，即滿足ISO-10218等標準的各項要求，達到重復高強度運作也不危害到人的最高安全等級。然而傳統協作機器人讓各廠商屢次失望，只因為其生產效率離預期相去甚遠;既然沒有廣泛的生產，良率也就無從談起。從稍長的時間角度看，至少在半導體這樣高嚴格要求的領域，使用HD減速器的傳統協作機器人，是無法滿足工廠生產要求的。現在和未來的協作機器人，既要滿足和人分工合作，還要提供比人快得多的生產效率。
與大多數人的認知不同，工業機器人同樣可以滿足協作要求;相反，部分工業機器人因為核心部件的良好特性，在急停時間上更有優勢，實際上更安全可靠。事實上，讀者應該區分傳統協作機器人和工業協作機器人的區別。工業協作機器人已經在一些場合證明了其實用性，如在FAB工廠內大范圍活動，既需要避免和人的碰撞，還需要避免和其它設備碰撞。機器人的生產信息通過現場總線傳遞給制造執行系統(MES)，在開放的軟件環境內，各個關節的速度溫度等運行狀態都可被實時記錄，MES可以智能地調節每個機器人的運動強度、根據其狀態安排檢修等。
工業協作機器人在晶圓制造AMHS的發展方向和應用前景
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發展的原因有很多:電池續航、定位精度、運行速度等，正在一一被克服，達到FAB廠商的生產要求。
在此基礎上，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的路徑優化。首先，增加離散的存儲點以減少最后一段運輸的距離。在AGV/RGV的地面運輸系統的輔助下，晶圓匣盒的離散存儲點可以分布在車間的任何一個位置，可以實現多層的復雜排列。而現有的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/發放系統有較高要求，入庫時間長達20多秒，非常容易造成堵塞;相比較于工業機器人3-5秒的入庫速度，后者的優勢非常明顯。如在晶圓庫，由工業機器人實現的物料中轉，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;同時實現晶圓在庫中進行檢測、計數、入庫等流程。其來料方式多樣:人工搬運、AGV/RGV、OHT等，可嵌入在任何產能瓶頸突出的生產環節中。
最后，提升空間利用效率以增加更多生產設備。還是以晶圓庫為例，使用工業機器人，不僅可以利用地面的空間，建立地面運輸網絡，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，實現最大的空間利用效率。
未來3年，僅考慮在中國完成建設生產的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，工業協作機器人在半導體行業中的應用還會繼續擴大，增加了智能工廠的覆蓋范圍，同時也提升產業的整體規模。以晶圓制造AMHS現有的市場規模來估算，未來工業協作機器人在其中所占的市場規模將近百億元。而且該領域對其下游行業的影響巨大，SEMATECH標準可以被用來指導相關產業的升級發展，有非常積極的潛在作用。
人工智能論文范文閱讀：復雜環境下農業機器人路徑規劃優化方法
摘 要：針對在復雜室外環境下作業的農業機器人，存在因能量受限降低工作完成率的問題，提出了一種基于改進的啟發式搜索的ECA*路徑規劃算法，可以在資源受限的情況下完成能量損耗最優路徑的規劃。首先，通過建立機器人距離-能量損耗模型，計算機器人在移動中行進的路程和損耗的能量，并對未來的路徑和能耗趨勢進行評估。
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