支持社会基础设施的大福技术利用大福的半导体生产线系统提高可靠性和生产率

2024年1月15日

创新

对于半导体制造而言，能够一年 365 天、每天 24 小时运行的高度可靠的搬运和存储系统至关重要。为此，我们就大福的半导体生产线系统，例如用于最大限度地提高生产设备利用率的洁净室单轨输送系统（Cleanway），以及应对半导体微细化的氮气吹扫存储系统等，与大福Cleanroom事业部的工程和设计人员代表进行了讨论。

半导体制造工厂的趋势：整合和规模化

半导体广泛应用于计算机和智能手机等许多日常电子设备中。它们也是自动驾驶技术、电动汽车 (EV) 和人工智能 (AI) 等不断发展领域的重要组成部分。为了满足不断增长的需求，世界各地的半导体制造商都在增加生产基地提高产能。而且，全球各国政府纷纷出台半导体补贴政策，激励半导体厂商在域内进行投资，因此，预计半导体制造商的设备投资将保持持续强劲的势头。

为了更好地满足不断增长的需求，该行业的主要半导体制造商正在通过整合工厂来推动大规模生产。将半导体制造工厂集中在一起，与分散在多个不同地点相比，有助于降低建设成本，并可以节省在制造过程中使用的电力和水等资源。而且，整合也有利于运营昂贵的尖端设备，因为这样更容易共享设备。

根据这些行业趋势，大福提供了各种解决方案，不仅可以确保晶圆的顺利搬运，而且还可以连接多个晶圆工厂，确保半导体晶圆高效且顺畅的输送。

大规模化半导体工厂的解决方案示例

大福分别向前道工序和后道工序提供搬运系统

半导体的生产一般是在洁净室环境中进行的，针对空气中的灰尘和颗粒物有相当严格的要求。在制造过程中，首先将原料硅熔化后制成硅锭，再将其切割成均匀的薄片，这便是晶圆。目前主流的晶圆一般为圆形，直径为300毫米。晶圆经过数十次的曝光、显影以及蚀刻等工艺后，再将集成电路压印到其表面上，以上这些工艺称为前道工序。而从晶圆上切割芯片并将其加工成CPU等产品的过程称为后道工序。

大福通过洁净室单轨输送系统（Cleanway）（一种使用电动小车的洁净室输送系统），为半导体制造的前道工序和后道工序提供输送系统。在前道工序中，晶圆存储在密封容器——前开式晶圆传送盒(FOUP)中，以在各种处理设备之间移动时保持晶圆清洁。大福的洁净室单轨输送系统（Cleanway）自动在设备之间输送所有晶圆传送盒。由于洁净室单轨输送系统（Cleanway）的输送轨道悬挂在天花板上而不是铺设在地板上，因此洁净室中有大量空间可以安装许多其他设备，所以该系统被广泛应用于半导体工厂。另外，搬运小车的车轮所使用的材料也经过多次改进，最大限度地减少了粉尘的产生。

洁净立库（Clean Stocker）是与洁净室单轨输送系统（Cleanway）一起使用的临时存储设备。虽然前道工序的加工作业会重复执行，但加工时间却各不相同。为此，等待发送到下一工序的晶圆盒(FOUP)被存储在洁净立库（Clean Stocker）中，以实现稳定的临时存储。随着制造周期变长和半导体的微细化，用氮气填充晶圆盒（FOUP）以防止氧化变得越来越普遍。大福提供具有氮气吹扫功能的系统来满足这一不断增长的需求。

用于半导体生产线的搬运系统：配备氮气吹扫功能的洁净立库

尽管洁净立库（Clean Stocker）可以批量存储晶圆盒(FOUP)，但它们一般远离输送路线，而且在某些晶圆厂的布局中，往返洁净立库可能需要很长时间。为了解决这一课题，最近在输送轨道之间空出来的空间上安装接收平台——侧轨缓冲器（STB）已逐渐成为主流。最新的CPU大约需要180天的制造时间，但在某些情况下，使用STB可以将制造时间缩短约5天。虽然180 天中的5天看似不多，只是缩短了3%，但对于任何寻求提高效率和生产力的半导体工厂来说，交付时间能够缩短3%可以说是一项重大的突破。

使用STB还有助于促进可持续发展。安装洁净立库需要一定的占地面积，而STB是悬挂在天花板上的缓存平台，这可以为其他设备的设置节省洁净室空间，从而减少设施的整体占地面积。为此，STB作为节省能源和提高效率的设备备受瞩目。

利用人工智能（AI）控制10000余台搬运小车，避免运行拥堵

随着半导体工厂的规模不断扩大，洁净室单轨输送系统（Cleanway）的轨道总长度可达200多公里，运行小车超过10000辆。尽管晶圆加工工序有固定的顺序，但完成每道工序所需要的时间差异很大，因此搬运小车可能会集中在某些设备周围，造成运行拥堵。而发生运行拥堵必然会降低生产力，为此大福将人工智能（AI）引入到洁净室单轨输送系统（Cleanway）的控制软件中，以避免拥堵的发生并提高搬运效率。就像汽车导航系统一样，利用人工智能（AI）确定避免交通拥堵的路线，将搬运小车引导至最佳路线。传统系统只能根据最短距离选择路线，但是人工智能（AI）的采用使动态确定和选择最佳路线成为可能，即使这条路线实际上距离长且绕远，但却可以避免堵塞。由于人工智能（AI）是一项发展潜力巨大的技术，为此我们将继续探索研发更好的系统。

通过先进控制技术改进半导体制造

此外，一年 365 天、每天 24 小时运营大型设备绝非易事，因此大福不仅致力于提供能够承受长期使用的耐用硬件，还致力于开发软件以及维护系统运营，从而确保晶圆厂的稳定运行。
例如，洁净室单轨输送系统（Cleanway）采用HID非接触式供电系统，最大限度地减少如接触式供电磨损产生的粉尘。HID 系统还采用冗余措施，准备另一台具有相同功能的设备，以确保为搬运小车持续供电。另外，控制器和服务器等重要的系统运行设备也各配备了两台，这样即使其中一台设备出现故障，另一台设备也能确保持续运行。

再者，以前将控制器安装在轨道交叉口以防止搬运小车的碰撞，而当前的系统采用无线控制，无需放置控制设备。接近路口的小车之间通过无线方式共享信息，只有在确定小车不会相互碰撞后才允许继续行驶。我们通过减少安装在轨道上的设备数量，降低成本并缩短了工期，而且还可以减少所使用的材料和能源，从而使其更加环保。

满足后道工序的自动化需求

目前，半导体制造后道工序对自动化的需求与日俱增。迄今为止，半导体的生产率通过加工晶圆的前道工序的进步而提高，但为了进一步提高生产效率，提高晶圆切割和芯片封装等后道工序的效率也是至关重要的。与前道工序相比，后道工序更加依赖人工，但是通过在洁净环境下实现工序之间的自动化输送，晶圆厂有望以更高的效率生产更高质量的产品。

另一方面，是应对矩形晶圆的搬运。在目前的前道工序中，电路通常被烘烤到圆形晶圆上，但由于晶圆最终会在后道工序中被切割成方形芯片，因此晶圆不一定是圆形的。为了尽量减少后道工序中不必要的浪费，使用更类似于最终产品的方形包装备受瞩目。
大福利用在 OLED 面板输送中积累的技术，开发了用于面板级封装 (PLP) 的晶圆盒（FOUP）搬运系统，能够处理 600 毫米的方形基板。我们通过应对方形基板以及其他改进，为半导体工厂进一步提高生产效率做出了贡献。

半导体制造后道工序解决方案

利用世界各地的生产基地实现本地化响应

除了大福的旗舰制造工厂滋贺工厂外，Cleanroom事业的全球业务还在中国、台湾和韩国设有生产工厂，并在美国和新加坡设有子公司。虽然设备的核心部件是从日本引进的，但输送轨道等部件都是在当地工厂进行设计和组装。这通常被称为“本地生产本地消费”。当地子公司不仅拥有销售人员，还有工程师，可以与客户进行更细致的沟通。我们的子公司工程师可以直接与客户进行交流，响应客户的要求和意见，而无需日本设计人员前往当地进行沟通。这种快速响应客户的独特能力是大福的优势之一，这也使得我们能够将世界各地用户的反馈纳入到产品的设计和开发中。