全自动化晶圆厂的概念已经有一段时间，随着引入高生产能力的300mm制造技术，它亦更加接近现实。最终用户与设备制造商、研发人员和业界组织机构紧密合作，通过技术开发和标准化，产业界建立“操作有序”的工厂，提供了极具价值的思路。成功的自动化制造厂需要正确的规划和组成因素（fab设计、自动化材料处理系统AMHS、工具规格和软件应用程序）以及对fab转换（增长、能力、扩展）的规划。然而，需要解决的问题仍然存在：设备和运载工具的互用性、软件的稳定性以及硬件的可靠性。

200与300 mm的比较

数年前，fab被建造得既灵活又强健，包括自始至终对微尘进行严格的控制、足够的高架空间、在fab上下的支持空间以及用以确保振动控制的厚重板层。布局时通常会考虑尽量缩短材料通过 fab 的路程。工具被分成组，以方便制造人员操作多个工具。这些因素不再重要，300 mm 制造厂的设计现在受成本、人机工程学和自动化的影响。

在 300 mm中，材料在标准的密封运载工具－－前开口的标准容器（FOUP）中储存和运输 ，而且工具已与微环境整合。这使得清洁级别降低至ISO5（100 级），为节省成本。举例而言，Intel的Fab D1C/F25在多方面都与其从前的 fab 不同。它用于“100级”，而不是“1级”，将更大的风扇用于普通的送气再循环，而不是使用风扇架上的再循环部件。其直接结果是：风扇数量削减了 62％，而且高架结构大幅降低。通过重新布置设备，Intel 削减了基座空间，并把非刻印区中的振动要求降低至 2 mil/sec。这使得烘干板的厚度从 28 英寸减至 19英寸，建筑物中非刻印一侧的支柱数量减少了 75％。已装料的 FOUP 重量接近 10公斤，不能采用人工运输。这?制造厂以AMHS而不是以人工运送材料?基础进行布局创造了商机。过去，工具存放在能够缩短材料运送距离的地方。多数情况下，相似的工具存放于相同的货架中。货架必须足够宽，以使人员和材料出入无碍。使用设计精良的 AMHS，材料至工具的运输可以相对独立于产品流动；材料通常从高空送入，对进入货架人员少有要求。相似的工具可以被分成组以共享服务区域（版架）而不是共享货架，侧重于考虑维护（而不是操作）的便利性。

《图一 Asyst FastLoad和壁挂托架为本地暂存的范例》

AHMS是全自动晶圆厂的关键因素。它可以是一个完全标准系统，保证工具到到工具的无缝传送；或者是一个混合系统，一个处理系统用于在货架间移动、另一个用于货架内的移动，在转换区域通常有储料器。目前，大部分 300 mm fab设计采用一个高空运输工具系统，用于在中央信道储料器间移动材料；并采用一个高空提升传输（OHT）系统，用于一个或者一组货架（连接在一起的货架）内部，在储料器工具、或者工具和工具之间移动材料。由于OHT单向移动，因此应当仔细考虑货架内部的工具布局。材料处理中所考虑另一个因素是材料存储。为优化利用率（确保工具在等待自 AMHS 的传送料时不会无料可用），I300I 为在各种工具中应备的材料总量提供标准参考值。待用库存可以放工具的加料口或其本身的暂存区域中（它可以是 AMHS 的部分，也可与工具暂存区或连接装置整合）。带有 AMHS 本地暂存的范例：Asyst FastLoad 和壁挂托架，如(图一)所示，具有内部暂存区域的典型工具是湿台面和熔炉。

一般而言，把本地材料储存进工具不需要额外的空间，它会利用工具台面的上部和内部空间。但储料器在 300 mm 制造厂中可能会造成问题：300 mm FOUP的尺寸明显大于 200 mm容器的尺寸，因此，较之相等台面的 200 mm储料器，一个 12 英尺高的 300 mm 储料器的能力会下降一半以上。正因为如此，300 mm储料器的高度设计超过6米（大约 20 英寸）。为了容纳更大的储料器，Intel 设计出高中心信道，留出了 12 英尺的货架高度，并将储料器放在烘干板上，而不是放在地面上。 以AMHS 为工具传送材料时，还要求将工具准确放置在fab中（误差在 0.5 cm 之内）。其因在于OHT 的横向调节（跟踪位置之外）能力较弱。设备布局线路请参照SEMI E15.1。

在 200 mm 中，在 SMIF 加料器和工具之间通常有一个平行连接装置，在两者中间提供安全的互锁（防止所加入的材料与工具门或输送装置发生碰撞）。在300mm 中，AMHS和工具加料口之间也需要一个平行连接装置（用于防止到达的材料之间发生碰撞及加料口处出现干扰）。SEMI E84 中有该要求的概述。

《图二晶片分类器，如SMSMS3300，在自动化中有着重要的作用，可识别每个晶片并报告槽位置》

芯片分类器在自动化晶圆厂中也扮演着重要的角色，如(图二)所示。通常采用芯片级追踪，因此使用分类器识别每个芯片并报告槽的位置。另外，还需要添加和移除芯片──?品（预处理芯片、再处理芯片等）和非?品（处理监视器、测试芯片等）均有此需要。将分类器与储料器彼此相连会有以下益处：更为接近非?品芯片、削减了整体台面、并缩短了循环时间（可以在正常排队期间执行分类）。

虽然可以给 AMHS 选择一个集中的度量区域，但度量工具通常被放在紧邻输送的工具和处理设备的地方。由于内部货架传送系统存在单向性，当在货架环或连接货架组中包含度量工具时，应当认真考虑度量工具的布局。一策略是将度量整合成处理工具，使其成为一体，可缩短循环周期并能快速识别潜在的问题。但也由于整合成了度量工具，材料传送的灵活性会因此降低；而如果度量系统停止工作，处理工具也将停止工作。另外，在多数情况下，度量系统的生?能力要高于主工具的生产能力。尽管如此，对于特定的处理和测量，趋势仍然是二者整合。

在全自动晶圆厂中，现在对处理工具有额外的要求。除了能用可靠和可重复的方式处理芯片之外，现在必须包含一个用于装卸材料的标准化连接装置，可向晶圆厂的自动化系统通报设置状态，并且最好具备电子诊断的能力。可靠性非常重要，当需要重新安排材料传送时（特别是当材料已经在工具中等待处理时），它是一个关键环节。对于 300mm来说，MBTI是一个比MTBF更实用的监视器。接口需要能够准确标识材料、映像内容并管理来自不同销售商的 FOUP。

制造厂自动化的主要元素是软件。过去由团队规划批次移动、为客户安排计划表、考虑工具操作材料使用的选项、进行物理盘存和移动材料等工作，现在则由电子组件盒承担此任，它尽可能把所学习的课程、思考方法以及先前团队所用的逻辑合并为一体。当然，在组件之间仍然存在一些语言屏障。现今制造厂自动化的总体策略已发生转变。在以前及200 mm 时期是以工具?中心；现在则是以制造厂为中心。如同200 mm，300 mm自动化制造厂以制造执行系统（MES）为中心。自动化方案的新内容是一个更先进的调度程序及制造厂操作系统（FOPS）。FOPS 通过在工具、调度程序和 MES 之间提供接口帮助实现“集中化”fab控制。调度程序定义运行规则；FOPS 提供工具可用性状态并为材料控制系统（MCS）提供指导，而 MCS 则向 FOPS 和 MES 报告它所执行的操作。高级处理控制（APC）和电子诊断就潜在的工具问题对MES和FOPS进行管理。MES自己标识处理流数据和工具方法需求的状态。在200 mm应用程序中，MCS 的主接口面向AMHS系统，在300 mm中，MCS的关键接口面向计算机整合制造（CIM）系统（MES、FOPS、调度程序），此表现以制造厂为中心操作的转变趋势。这些系统之下是更多的本地化接口包──MCS和装料口间的E84接口、工具和MES/FOPS间的设备接口。此外，FOUP需要通过某些自动标识符形式加以识别，可以在已安装FOUP的设备间使用红外线发送，或在脉冲转发器（在 FOUP 上）和天线（通常在加料口处）之间使用rf传送。如(图三)所示，显示基于对象的设备模型及其工具级连接要求的范例。

《图三 基于对象的设备模型及其工具级别连接要求图》

12吋晶圆厂运作方式

在fab中仍然有许多人力资源，他们都是技术人员或工程师。最理想的情况为：生产材料通过自动化分配在工具间传送，材料被识别，然后向工具提供处理指令。几乎所有这些功能都包括在一个或者多个由业界组织（SEMI、I300I、Selete 等）所开发的标准中。虽然建立了标准（该标准对工具制造者的产品做出了定义），最终的用户仍然有提出他们自己要求的自由。其结果是：标准不是用限定性的要求编写，而是指明可根据客户的要求用多种方法配置工具。简言之，所有的工具供货商应当?客户提供相同的产品，但是每个客户的要求各不相同。这种情况产生了额外的成本，并要求能提供可积体化的标准组件（例如设备前端模块）。部分人员强调标准化处理在混合及匹配来自多个供货商的组件能力方面所取得的成功。另一部份人员却注意到真正实现标准化面临的困难，比如需要额外的集成开支、增加传送时间，这些开支甚至能从设备制造商那里订购一个完全整合的系统。

《图四 AdvanTag CFATR为可携无线RFID阅读器》

全自动晶圆厂操作中的另一问题是来自人的干扰。如果晶圆厂是真正的有序操作，其目标应是：晶圆厂自动化系统了解材料类型、下料位置、芯片类型及插槽位置。然而，由于制造厂中仍然有人，因此工具可以脱机操作，芯片可以从一个槽到另一个槽、从一个运载工具到另一个运载工具移动，FOUP 可以从一个点向另一个点移动──所有这些都无需MES知晓。批次跟踪本身也可能是个问题，因此材料可能被移动到一个架子或桌子上，而自动化不可能在那里找到它（即没有 IR 阅读器或天线）。多数情况下，RFID系统没有显示器，因此人工操作者无法轻松识别没有纸卷标或 ID 卡的批次。现在可以使用无线可携阅读器从容器读取RFID，如(图四)所示。同时，少了人工干扰，工具将知道何时需要材料，送到哪个加料口，并且材料做好再次提取准备后，会通知MCS（通过E84）。在一个半自动化的制造厂里，FOUP放置和移除常无规律可言，而且经常发生在工具准备好之前。当处于转换模式下时，安全也是一个值得关注的问题。由于高空起重装置要移动重达 10公斤的 FOUP，因而需要安全互锁和或物理屏蔽。

多数300 mm制造厂的生产能力尚未达饱和状态。如Intel的Fab 11X每月生产6600片芯片，远低于计划能力。在规划全自动制造厂时，必须在制造厂自动化和硬件（指 fab 空间和扩展区域）这两方面考虑成长规划和扩展能力。AMHS 应当具备可扩展性，不受规划限制／约束的制约，以适应成长需要。

人力资源应当处于何位置？

换言之，现阶段位处在实现晶圆厂全自动过程的哪一阶段？fab仍由人力资源操作。其原因包括：需要对设备或工艺的整体效能进行干预；在调度及纠错过程中需要人为干预等。一般情况下，制造厂会按照设计运行。所有的材料，包括合格的芯片，在fab中按批次运行。通常来自度量工具的数据将通过自动化转发，有问题的处理工具将由自动化关闭，并根据来自监视器芯片的数据专门进行检查。调度程序仍然在开发中（包括排序规则等），许多材料移动依旧由手工发动。从心理角度解释，在决策和调度过程中保留部分人为介入操作的感觉会舒服一些。

工作存在一个成熟过程，在此过程中有一系列新的问题需要应对和处理，200mm 自动化中未出现过这些问题。此外，工具可靠性并未达到其应有的程度，即无需中断就能够运行。工具稳定性的不足经常在纠错期间导致工具软件和自动化之间丢失事务。此外，在自动化根据运载工具管理器对芯片映像所做的期望与映像时工具报告的结果之间会有偶然差异（例如：由于脱机添加或移除芯片，或者在槽间移动）。

虽然标准晶圆厂自动化中所有组件间的接口类型提供良好的基准，但却没能完全解决接口的问题。Nanya Technology Corp. 指出标准的弱点。为了在制造厂自动化领域取得进一步的提升，尤其是从更正错误的角度出发，需要开发更多“基于假定情况的标准”。换句话说，最终用户需要与OEM合作，就设备软件如何在不同假定情况下做出回应提出意见，而不仅局限于设置消息。

发展趋势

未来发展方向仍是实现晶圆厂的全自动化。在晶圆厂设计和布局的思考过程中，转型已经发生并将继续存在。设计越来越侧重于制造厂维护而不是制造厂操作，并以自动化材料传输和储存而不是填充货架为中心。AMHS的将来趋向于一种标准化、工具到工具的直接传送系统、与ITRS和其他研究相符，包括一些 Eskay（现在是SK Daifuku）所做的初步研究。在初步研究中（该研究假设处理工具的使用没有限制），直接传送模型表明生产能力提高50％，并减少所需的运载工具。制造厂自动化将继续精益求精并实现“标准化”。自动化策略将继续努力实现以fab?中心、面向对象的编码、致力于埠到埠的材料传送等目标。

成功实现全自动化晶圆厂的关键是设备本身。为了使晶圆厂能够高效运作，必须改进设备可靠性（由MTBI定义）。电子诊断是实现此目标所必需之因素，特别是当软件问题引发越来越多的中断时：如果工具和自动化能够认识到它们存在通讯问题，它们就能从失误中自我恢复而无需人工干预，或者至少可以通过干预而远程恢复。另外，电子诊断可以监视工具状态，增加预防性维护的时间并对需要处理的问题提供一些前瞻性预测。这允许MES在材料加入工具队列之前变更材料的传送路线。

在工具开发方面有相当多的机会。来自“集成动态工程”的团队所提供的报告发布自动化集群的观点。该观点的含义是：今后工具的发展将是适应中央自动化系统的处理工具模块化－－类似现在的平板印刷系统，但是更加灵活。

结论

对于操作有序的制造厂概念尚不完整，即使制造厂全自动化所需要的主要软件和硬件组件已经到位，但要将其整合成一个功能系统仍需要作许多准备。未来的成功取决于OEM和最终用户之间的合作，这种合作能够更好地定义工具的操作需求（基于假定情况），同时也取决于工具的高可靠性和自动恢复能力。（作者Roy Hunter任职于TI；Chris Humphreys任职于Asyst）