全自動化晶圓廠的概念已經有一段時間，隨著引入高生產能力的300mm製造技術，它亦更加接近現實。最終用戶與設備製造商、研發人員和業界組織機構緊密合作，通過技術開發和標準化，產業界建立“操作有序”的工廠，提供了極具價值的思路。成功的自動化製造廠需要正確的規劃和組成因素（fab設計、自動化材料處理系統AMHS、工具規格和軟體應用程式）以及對fab轉換（增長、能力、擴展）的規劃。然而，需要解決的問題仍然存在：設備和運載工具的互用性、軟體的穩定性以及硬體的可靠性。

200與300 mm的比較

數年前，fab被建造得既靈活又強健，包括自始至終對微塵進行嚴格的控制、足夠的高架空間、在fab上下的支援空間以及用以確保振動控制的厚重板層。佈局時通常會考慮儘量縮短材料通過 fab 的路程。工具被分成組，以方便製造人員操作多個工具。這些因素不再重要，300 mm 製造廠的設計現在受成本、人機工程學和自動化的影響。

在 300 mm中，材料在標準的密封運載工具－－前開口的標準容器（FOUP）中儲存和運輸 ，而且工具已與微環境整合。這使得清潔級別降低至ISO5（100 級），為節省成本。舉例而言，Intel的Fab D1C/F25在多方面都與其從前的 fab 不同。它用於“100級”，而不是“1級”，將更大的風扇用於普通的送氣再迴圈，而不是使用風扇架上的再迴圈部件。其直接結果是：風扇數量削減了 62％，而且高架結構大幅降低。通過重新佈置設備，Intel 削減了基座空間，並把非刻印區中的振動要求降低至 2 mil/sec。這使得烘乾板的厚度從 28 英寸減至 19英寸，建築物中非刻印一側的支柱數量減少了 75％。已裝料的 FOUP 重量接近 10公斤，不能採用人工運輸。這?製造廠以AMHS而不是以人工運送材料?基礎進行佈局創造了商機。過去，工具存放在能夠縮短材料運送距離的地方。多數情況下，相似的工具存放於相同的貨架中。貨架必須足夠寬，以使人員和材料出入無礙。使用設計精良的 AMHS，材料至工具的運輸可以相對獨立於產品流動；材料通常從高空送入，對進入貨架人員少有要求。相似的工具可以被分成組以共用服務區域（版架）而不是共用貨架，側重於考慮維護（而不是操作）的便利性。

《圖一　Asyst FastLoad和壁掛托架為本地暫存的範例》

AHMS是全自動晶圓廠的關鍵因素。它可以是一個完全標準系統，保證工具到到工具的無縫傳送；或者是一個混合系統，一個處理系統用於在貨架間移動、另一個用於貨架內的移動，在轉換區域通常有儲料器。目前，大部分 300 mm fab設計採用一個高空運輸工具系統，用於在中央通道儲料器間移動材料；並採用一個高空提升傳輸（OHT）系統，用於一個或者一組貨架（連接在一起的貨架）內部，在儲料器工具、或者工具和工具之間移動材料。由於OHT單向移動，因此應當仔細考慮貨架內部的工具佈局。材料處理中所考慮另一個因素是材料存儲。為優化利用率（確保工具在等待自 AMHS 的傳送料時不會無料可用），I300I 為在各種工具中應備的材料總量提供標準參考值。待用庫存可以放工具的加料口或其本身的暫存區域中（它可以是 AMHS 的部分，也可與工具暫存區或連接裝置整合）。帶有 AMHS 本地暫存的範例：Asyst FastLoad 和壁掛托架，如(圖一)所示，具有內部暫存區域的典型工具是濕臺面和熔爐。

一般而言，把本地材料儲存進工具不需要額外的空間，它會利用工具檯面的上部和內部空間。但儲料器在 300 mm 製造廠中可能會造成問題：300 mm FOUP的尺寸明顯大於 200 mm容器的尺寸，因此，較之相等臺面的 200 mm儲料器，一個 12 英尺高的 300 mm 儲料器的能力會下降一半以上。正因為如此，300 mm儲料器的高度設計超過6米（大約 20 英寸）。為了容納更大的儲料器，Intel 設計出高中心通道，留出了 12 英尺的貨架高度，並將儲料器放在烘乾板上，而不是放在地面上。 以AMHS 為工具傳送材料時，還要求將工具準確放置在fab中（誤差在 0.5 cm 之內）。其因在於OHT 的橫向調節（跟蹤位置之外）能力較弱。設備佈局線路請參照SEMI E15.1。

在 200 mm 中，在 SMIF 加料器和工具之間通常有一個平行連接裝置，在兩者中間提供安全的互鎖（防止所加入的材料與工具門或輸送裝置發生碰撞）。在300mm 中，AMHS和工具加料口之間也需要一個平行連接裝置（用於防止到達的材料之間發生碰撞及加料口處出現干擾）。SEMI E84 中有該要求的概述。

《圖二　晶片分類器，如SMSMS3300，在自動化中有著重要的作用，可識別每個晶片並報告槽位置》

晶片分類器在自動化晶圓廠中也扮演著重要的角色，如(圖二)所示。通常採用晶片級追蹤，因此使用分類器識別每個晶片並報告槽的位置。另外，還需要添加和移除晶片──?品（預處理晶片、再處理晶片等）和非?品（處理監視器、測試晶片等）均有此需要。將分類器與儲料器彼此相連會有以下益處：更為接近非?品晶片、削減了整體臺面、並縮短了迴圈時間（可以在正常排隊期間執行分類）。

雖然可以給 AMHS 選擇一個集中的度量區域，但度量工具通常被放在緊鄰輸送的工具和處理設備的地方。由於內部貨架傳送系統存在單向性，當在貨架環或連接貨架組中包含度量工具時，應當認真考慮度量工具的佈局。一策略是將度量整合成處理工具，使其成為一體，可縮短迴圈周期並能快速識別潛在的問題。但也由於整合成了度量工具，材料傳送的靈活性會因此降低；而如果度量系統停止工作，處理工具也將停止工作。另外，在多數情況下，度量系統的生?能力要高於主工具的生產能力。儘管如此，對於特定的處理和測量，趨勢仍然是二者整合。

在全自動晶圓廠中，現在對處理工具有額外的要求。除了能用可靠和可重復的方式處理晶片之外，現在必須包含一個用於裝卸材料的標準化連接裝置，可向晶圓廠的自動化系統通報設置狀態，並且最好具備電子診斷的能力。可靠性非常重要，當需要重新安排材料傳送時（特別是當材料已經在工具中等待處理時），它是一個關鍵環節。對於 300mm來說，MBTI是一個比MTBF更實用的監視器。介面需要能夠準確標識材料、映射內容並管理來自不同銷售商的 FOUP。

製造廠自動化的主要元素是軟體。過去由團隊規劃批次移動、為客戶安排計劃表、考慮工具操作材料使用的選項、進行物理盤存和移動材料等工作，現在則由電子元件盒承擔此任，它盡可能把所學習的課程、思考方法以及先前團隊所用的邏輯合併為一體。當然，在元件之間仍然存在一些語言屏障。現今製造廠自動化的總體策略已發生轉變。在以前及200 mm 時期是以工具?中心；現在則是以製造廠為中心。如同200 mm，300 mm自動化製造廠以製造執行系統（MES）為中心。自動化方案的新內容是一個更先進的調度程式及製造廠作業系統（FOPS）。FOPS 通過在工具、調度程式和 MES 之間提供介面幫助實現“集中化”fab控制。調度程式定義運行規則；FOPS 提供工具可用性狀態並為材料控制系統（MCS）提供指導，而 MCS 則向 FOPS 和 MES 報告它所執行的操作。高級處理控制（APC）和電子診斷就潛在的工具問題對MES和FOPS進行管理。MES自己標識處理流資料和工具方法需求的狀態。在200 mm應用程式中，MCS 的主介面面向AMHS系統，在300 mm中，MCS的關鍵介面面向電腦整合製造（CIM）系統（MES、FOPS、調度程式），此表現以製造廠為中心操作的轉變趨勢。這些系統之下是更多的本地化介面包──MCS和裝料口間的E84介面、工具和MES/FOPS間的設備介面。此外，FOUP需要通過某些自動識別字形式加以識別，可以在已安裝FOUP的設備間使用紅外線發送，或在脈衝轉發器（在 FOUP 上）和天線（通常在加料口處）之間使用rf傳送。如(圖三)所示，顯示基於物件的設備模型及其工具級連接要求的範例。

《圖三　基於物件的設備模型及其工具級別連接要求圖》

12吋晶圓廠運作方式

在fab中仍然有許多人力資源，他們都是技術人員或工程師。最理想的情況為：生產材料通過自動化分配在工具間傳送，材料被識別，然後向工具提供處理指令。幾乎所有這些功能都包括在一個或者多個由業界組織（SEMI、I300I、Selete 等）所開發的標準中。雖然建立了標準（該標準對工具製造者的產品做出了定義），最終的用戶仍然有提出他們自己要求的自由。其結果是：標準不是用限定性的要求編寫，而是指明可根據客戶的要求用多種方法配置工具。簡言之，所有的工具供應商應當?客戶提供相同的產品，但是每個客戶的要求各不相同。這種情況產生了額外的成本，並要求能提供可積體化的標準元件（例如設備前端模組）。部分人員強調標準化處理在混合及匹配來自多個供應商的元件能力方面所取得的成功。另一部份人員卻注意到真正實現標準化面臨的困難，比如需要額外的集成開支、增加傳送時間，這些開支甚至能從設備製造商那裡訂購一個完全整合的系統。

《圖四　AdvanTag CFATR為可攜無線RFID閱讀器》

全自動晶圓廠操作中的另一問題是來自人的干擾。如果晶圓廠是真正的有序操作，其目標應是：晶圓廠自動化系統瞭解材料類型、下料位置、晶片類型及插槽位置。然而，由於製造廠中仍然有人，因此工具可以離線操作，晶片可以從一個槽到另一個槽、從一個運載工具到另一個運載工具移動，FOUP 可以從一個點向另一個點移動──所有這些都無需MES知曉。批次跟蹤本身也可能是個問題，因此材料可能被移動到一個架子或桌子上，而自動化不可能在那裡找到它（即沒有 IR 閱讀器或天線）。多數情況下，RFID系統沒有顯示器，因此人工操作者無法輕鬆識別沒有紙標籤或 ID 卡的批次。現在可以使用無線可攜閱讀器從容器讀取RFID，如(圖四)所示。同時，少了人工干擾，工具將知道何時需要材料，送到哪個加料口，並且材料做好再次提取準備後，會通知MCS（通過E84）。在一個半自動化的製造廠裏，FOUP放置和移除常無規律可言，而且經常發生在工具準備好之前。當處於轉換模式下時，安全也是一個值得關注的問題。由於高空起重裝置要移動重達 10公斤的 FOUP，因而需要安全互鎖和或物理遮罩。

多數300 mm製造廠的生產能力尚未達飽和狀態。如Intel的Fab 11X每月生產6600片晶片，遠低於計劃能力。在規劃全自動製造廠時，必須在製造廠自動化和硬體（指 fab 空間和擴展區域）這兩方面考慮成長規劃和擴展能力。AMHS 應當具備可擴展性，不受規劃限制／約束的制約，以適應成長需要。

人力資源應當處於何位置？

換言之，現階段位處在實現晶圓廠全自動過程的哪一階段？fab仍由人力資源操作。其原因包括：需要對設備或工藝的整體效能進行干預；在調度及糾錯過程中需要人為干預等。一般情況下，製造廠會按照設計運行。所有的材料，包括合格的晶片，在fab中按批次運行。通常來自度量工具的資料將通過自動化轉發，有問題的處理工具將由自動化關閉，並根據來自監視器晶片的資料專門進行檢查。調度程式仍然在開發中（包括排序規則等），許多材料移動依舊由手工發動。從心理角度解釋，在決策和調度過程中保留部分人為介入操作的感覺會舒服一些。

工作存在一個成熟過程，在此過程中有一系列新的問題需要應對和處理，200mm 自動化中未出現過這些問題。此外，工具可靠性並未達到其應有的程度，即無需中斷就能夠運行。工具穩定性的不足經常在糾錯期間導致工具軟體和自動化之間丟失事務。此外，在自動化根據運載工具管理器對晶片映射所做的期望與映射時工具報告的結果之間會有偶然差異（例如：由於離線添加或移除晶片，或者在槽間移動）。

雖然標準晶圓廠自動化中所有元件間的介面類型提供良好的基準，但卻沒能完全解決介面的問題。Nanya Technology Corp. 指出標準的弱點。為了在製造廠自動化領域取得進一步的提升，尤其是從更正錯誤的角度出發，需要開發更多“基於假定情況的標準”。換句話說，最終用戶需要與OEM合作，就設備軟體如何在不同假定情況下做出回應提出意見，而不僅局限於設置消息。

發展趨勢

未來發展方向仍是實現晶圓廠的全自動化。在晶圓廠設計和佈局的思考過程中，轉型已經發生並將繼續存在。設計越來越側重於製造廠維護而不是製造廠操作，並以自動化材料傳輸和儲存而不是填充貨架為中心。AMHS的將來趨向於一種標準化、工具到工具的直接傳送系統、與ITRS和其他研究相符，包括一些 Eskay（現在是SK Daifuku）所做的初步研究。在初步研究中（該研究假設處理工具的使用沒有限制），直接傳送模型表明生產能力提高50％，並減少所需的運載工具。製造廠自動化將繼續精益求精並實現“標準化”。自動化策略將繼續努力實現以fab?中心、面向物件的編碼、致力於埠到埠的材料傳送等目標。

成功實現全自動化晶圓廠的關鍵是設備本身。為了使晶圓廠能夠高效運作，必須改進設備可靠性（由MTBI定義）。電子診斷是實現此目標所必需之因素，特別是當軟體問題引發越來越多的中斷時：如果工具和自動化能夠認識到它們存在通訊問題，它們就能從失誤中自我恢復而無需人工干預，或者至少可以通過干預而遠端恢復。另外，電子診斷可以監視工具狀態，增加預防性維護的時間並對需要處理的問題提供一些前瞻性預測。這允許MES在材料加入工具佇列之前變更材料的傳送路線。

在工具開發方面有相當多的機會。來自“集成動態工程”的團隊所提供的報告發佈自動化集群的觀點。該觀點的含義是：今後工具的發展將是適應中央自動化系統的處理工具模組化－－類似現在的平板印刷系統，但是更加靈活。

結論

對於操作有序的製造廠概念尚不完整，即使製造廠全自動化所需要的主要軟體和硬體元件已經到位，但要將其整合成一個功能系統仍需要作許多準備。未來的成功取決於OEM和最終用戶之間的合作，這種合作能夠更好地定義工具的操作需求（基於假定情況），同時也取決於工具的高可靠性和自動恢復能力。（作者Roy Hunter任職於TI；Chris Humphreys任職於Asyst）