大福社會基礎設施的基本技術透過大福的半導體生產線系統提高可靠性和生產力

2024年1月15日

創新

對於半導體製造而言，能夠全年 365 天、每天 24 小時運作的高度可靠的運輸和儲存系統至關重要。我們與大福潔淨室部門的工程和設計人員代表討論了大福的半導體生產線系統，例如Cleanway、用於最大限度地延長設備正常運行時間的潔淨室運輸系統以及有助於半導體小型化的氮氣吹掃存儲系統。

半導體製造工廠的趨勢：整合和規模擴大

半導體是電腦和智慧型手機等許多日常電子設備中使用的重要組件。它們也是自動駕駛技術、電動車 (EV) 和人工智慧 (AI) 等不斷發展的領域的重要組成部分。世界各地的半導體製造商必須提高產能才能滿足不斷增長的需求。全球各國政府紛紛宣布補貼區域內投資的政策，為製造商持續強勁的資本投資鋪平了道路。

為了更好地滿足不斷增長的需求，該行業的許多主要參與者正在整合並擴大其生產設施的規模。將半導體製造工廠 (fabs) 集中放置而不是分散在多個不同地點有助於降低製造成本並節省製造資源。整合也有利於運作昂貴的最先進設備，因為這些設備更容易被不同工廠共享。

考慮到這些行業趨勢，大福集團提供了各種解決方案，不僅確保晶圓廠內的順利運輸，而且確保相連晶圓廠之間半導體晶圓的高效運輸。

擴大合併半導體工廠規模的範例解決方案

用於前端和後端流程的大福系統

半導體是在無塵室環境中製造的，其中灰塵和其他空氣中的顆粒受到嚴格控制。首先將矽原料熔化製成矽錠。此鑄錠被切成均勻的薄片。目前主流的晶圓切割成直徑300毫米的圓盤狀。然後晶圓經過數十次光刻和蝕刻過程，將積體電路壓印到表面上。這稱為前端處理。以下從晶圓上切割晶片並將其轉化為CPU和其他產品的過程稱為後端加工。

大福透過Cleanway（一種使用電動車輛的無塵室輸送系統）為前端和後端處理提供半導體製造輸送。在前端處理中，晶圓儲存在稱為 FOUP 的密封容器中，以在各種處理設備之間移動時保持晶圓清潔。大福的Cleanway系統會自動在裝置之間傳輸所有 FOUP。由於Cleanway系統的運輸軌道橫跨天花板而不是鋪設在地板上，因此無塵室中有空間安裝許多其他設備，使其成為許多半導體工廠的熱門選擇。車輛車輪所使用的材料也經過精心設計，以盡量減少灰塵的產生。

無塵室自動倉儲是與Cleanway系統一起使用的臨時儲存設備。雖然前端處理任務會重複執行，但每次操作所需的時間各不相同。包含等待發送到下一工序的晶圓的 FOUP 被儲存在稱為儲料器的穩定的臨時儲存設備中。隨著製造週期變長和半導體變小，用氮氣填充 FOUP 以防止氧化變得越來越普遍。大福提供具有氮氣吹掃功能的系統來滿足這一不斷增長的需求。

具有氮氣吹掃儲料器的半導體生產線系統

儘管儲料器提供的大容量 FOUP 儲存很有幫助，但它們通常遠離傳輸路線，並且在某些晶圓廠佈局中，往返儲料器可能需要一些時間。側軌緩衝器（STB）——安裝在運輸軌道之間的開放空間中的接收平台——正在成為解決這個問題的流行解決方案。在某些情況下，使用STB可以將最新CPU的180天製造時間縮短約5天。雖然乍一看，180 天的製造計劃縮短 5 天似乎並不算多，但對於任何尋求提高效率和生產力的半導體工廠來說，交付時間持續縮短 3% 是一項重大成就。

使用機上盒也有助於促進永續發展。安裝儲料器需要一定的佔地面積，而機上盒則使用懸掛在天花板上的平台，有助於為其他設備節省無塵室空間，從而減少設施的整體佔地面積。由於這些原因，機上盒正在成為節省能源和提高效率的流行方法。

利用人工智慧指揮交通

隨著半導體工廠規模不斷擴大，Cleanway軌道總長度可達200多公里，運行車輛超過10,000輛。儘管晶圓加工工序有固定的順序，但完成每個工序所需的時間差異很大，這可能會導致交通擁堵，因為車輛在某些時間集中在某些設備周圍。這些交通擁堵限制了生產力，大福已開始在Cleanway系統控制軟體中使用人工智慧來防止此類擁塞的發生。就像車載導航系統一樣，人工智慧用於確定避免交通擁堵的路線，將每輛車引導至最佳路線。傳統系統根據最短距離選擇路線，而人工智慧的採用使得動態確定和選擇可能的最快路線成為可能，即使該路線實際上距離較長。人工智慧技術的預期進步意味著它具有進一步改進系統的巨大潛力，大福將繼續探索其用途。

透過先進控制技術改良半導體製造

一年 365 天、每天 24 小時運營大型設施絕非易事，因此大福不僅致力於提供能夠承受長期使用的耐用硬件，還致力於開發輔助系統並提供冗餘支持晶圓廠運行穩定、順利。
例如，Cleanway系統採用HID非接觸式供電系統，最大限度地減少接觸式供電磨損產生的灰塵。 HID 系統還採用冗餘措施，以確保為車輛持續供電。控制器和伺服器等重要的系統運作元件也都準備了兩份，即使設備故障也能確保持續運作。

此外，先前將控制器安裝在鐵路交叉口以防止車輛碰撞，而目前的系統採用無線控制，無需放置控制設備。接近路口的車輛之間以無線方式共享訊息，只有在確定車輛不會相互碰撞後才允許繼續行駛。透過減少安裝在軌道上的設備數量，該系統成本更低，安裝速度更快，並且使用更少的材料和能源，使其更加環保。

滿足後端流程的自動化需求

近年來，半導體製造後端製程對自動化的需求日益增長。雖然以前通常透過前端製程的進步來提高生產率，但晶圓切割和晶片封裝等後端製程的進步對於提高晶圓廠的效率也至關重要。與前端製程相比，後端製程更依賴人工，包括晶片的運輸，並且經常在潔淨室外進行，因此透過轉移到受控的潔淨環境並實現製程之間的自動化傳輸，晶圓廠可以能夠以更高的效率生產更高品質的產品。

對矩形晶圓的支撐也日益增長。在目前的前端製程中，電路通常被烘烤成圓形矽晶圓，但由於晶圓最終在後端處理中被切割成方形晶片，因此晶圓不一定需要是圓形的。因此，使用更類似於最終產品的方形包裝正在成為防止後端流程浪費的流行方法。
利用在 OLED 面板運輸中累積的技術，Daifuku 開發了用於面板級封裝 (PLP) 的 FOUP 運輸系統，能夠處理 600 毫米方形基板。透過適應方形基板和其他系統改進，大福解決方案進一步提高了半導體工廠的效率。

半導體製造後端加工解決方案

利用世界各地的辦事處進行在地化回應

除了大福的旗艦製造工廠滋賀工廠外，無塵室全球業務還在中國、台灣和韓國設有生產工廠，並在美國和新加坡設有子公司。雖然設備的核心部件是從日本運來的，但運輸軌道等部件都是在當地工廠設計和組裝的。這通常被稱為「本地生產本地消費」。當地子公司不僅聘請銷售代表，還聘請工程師，以便與客戶進行更細緻的溝通。這使得工程師可以直接與客戶合作，包括回應請求和回饋，而無需日本員工進行現場訪問。這種立即回應客戶的獨特能力是大福集團的最大優勢之一，它使得將世界各地用戶的回饋納入產品的設計和開發成為可能。