用以改进集成电路工厂吞吐量及循环时间的高容量自主材料处置系统

摘要

用作工艺间运输机构的异步输送机网络消除了集成电路IC制造环境中基于运载工具的系统的运输能力约束。在不使用例如贮藏库等离线存储装置的情况下，可缓冲需求变化性。还消除了运输服务的等待时间上的变化性。因此，减少了总工厂循环时间，而同时增加了制造能力。自主输送机网络自动化材料处置系统将清洁无摩擦输送机原理与唯一网络布局组合以满足IC制造环境的物流要求。机械输送机对工具界面，还称为设备递送界面EDi，将所述输送机网络桥接到个别工具。操作软件模块将所述输送机网络与EDi的功能性集成在一起。结果是全能力工厂物流系统。

说明书

本申请案主张于2018年6月11日提出申请的美国临时专利申请案第62/683,185号的优先权。

技术领域

本发明一般来说涉及用于制造环境的输送机网络系统的领域，且特定来说涉及一种基于输送机的运输系统，所述基于输送机的运输系统具有多个经分路的舱区内循环路径、工件缓冲区、舱区间运输路径及工具界面，所述输送机由实现载具的无碰撞无摩擦运输的个别可控制的自主分段组成。

背景技术

当代集成电路(IC)工厂构建有经设计以使工艺间衬底移动自动化的材料处置系统。这些当前材料处置系统模仿先前流行衬底载具的工艺间手动运输及处置。此类系统是基于如下离散方法：经由自动化离散机器人运载工具(称为架空运输(OHT)，以在架空轨道上运行的将单个批次从处理工具载运到处理工具的个别机器人运载工具命名)逐个将批次从工具移动到工具。此类离散运输系统的缺点在于其有限的能力，这是因为运载工具使共享轨道系统饱和。此外，此类系统还由于无法对制造工艺变化性(例如，移动在制品(WIP)载具的需求的突然增加)作出充分响应且因此需要针对溢出使用中途停留贮藏库而为不利的。但最重要的是，此类系统在将运输服务提供到下一工艺之前，针对待由机器人运载工具移动的在制品引入等待时间。此等待时间是变化的，正如具有有限数目个运载工具的出租车系统一样。这些变化本身及通过使其它工艺变化性倍增而将不确定性引入到制造中。这些变化性阻碍工厂能力且增加循环时间。

发明内容

当前所揭示的系统及方法将异步输送机网络引入到IC制造中。这些输送机网络用作工艺间运输，借此消除了基于运载工具的系统的运输能力约束。在不使用例如贮藏库等离线存储装置的情况下，可缓冲需求变化性。还消除了运输服务的等待时间上的变化性。因此，减少了总工厂循环时间，而同时增加了制造能力。

尽管之前已在IC工厂中使用输送机，但尚未使用具有直接自动化工具界面的集成自主输送机网络系统或将其理解为用于从相关联工艺或向相关联工艺直接移动载具的独立式工厂物流系统的有益解决方案。

现今及过去二十年内，针对现代高能力在制品(WIP)物流系统的唯一接受的设计是仅根据使晶片载具在处理工具之间的个别移动自动化的原理而设计的离散行进机器人、基于运载工具的自动化材料处置系统(AMHS)。与此类基于运载工具的系统相比，输送机网络物流是使用排队网络理论的预测而设计的，目标是使制造变化性最小化。对于在IC制造中使用AMHS的所属领域的技术人员来说，输送机网络如何能够将单个衬底载具从变化的来源递送到变化的目的地(正如传统出租车系统一样)并非显而易见的。这主要归因于错误地将输送机系统想象成充当需要调度的线性轨道网络。相反，输送机网络就遵循直线交叉路径(就像城市街道)的意义来说并非线性的。接着将此类路径与能够在不发生碰撞的情况下自主地且异步地移动大量载具的输送机组合。

自主输送机网络AMHS将清洁无摩擦输送机原理与唯一网络布局组合以满足IC制造环境的物流要求。机械输送机对工具界面，还称为设备递送界面(EDi)，将所述输送机网络桥接到个别工具。操作软件模块将所述输送机网络与EDi的功能性集成在一起。结果是全能力工艺间工厂物流系统。

附图说明

下文参考附图详细描述所揭示技术的说明性实施例，附图以引用方式并入本文中且在附图中：

图1是图解说明现有技术运输系统及根据本发明的系统的工厂操作曲线的图表；

图2是根据本发明在工具舱区内使用的具有外部环路的内部运输环路链的示意图；

图3是由外部环路路径加框的图2的多个工具舱区运输环路的示意图；

图4A是根据本发明的工具舱区运输环路配置的第一实施例的示意图；

图4B是根据本发明的工具舱区运输环路配置的第二实施例的示意图；

图5A是介接到与相应处理工具相关联的设备递送界面(EDi)的图4A的工具舱区运输环路的第一实施例的部分的示意图；

图5B是介接到与相应处理工具相关联的EDi的图4B的工具舱区运输环路的第二实施例的部分的示意图；

图6是根据本发明的模块化输送机网络元件的示意图；

图7是用于工厂运输系统及根据本发明的方法的散布式控制路径的示意图；

图8是根据本发明的EDi实施例的示意图；及

图9是图8的EDi实施例的组件的示意图。

具体实施方式

IC的制造可由在单个衬底晶片上依序执行的一千多个操作组成。工艺序列通过编号为数百到一千或更大的工具以递归方式获取衬底晶片，其中工具在序列中被重复地使用。在制造期间，工具的累积处理时间可通常为十二到三十天，而衬底晶片从制造开始到结束的时间(还称为循环时间)可耗费三倍长。一般来说，物流基础设施(所谓的自动化材料处置系统(AMHS))在三分之二的总循环时间内拥有在制品，因此在制造执行中成为关键元件。超出实际制造时间的此额外或开销时间由制造工艺中的变化性导致，变化性通过分派以及固有变化引入。总制造工艺的变化性充当工厂加速在制品进程的阻力。因此，工厂管理层有理由专注于减少此类变化性，且因此使循环时间最小化。

工厂性能由其操作特性或“OC”来表征。此通过以下方程式使归一化循环时间与工厂的吞吐量函数相关

其中CT＝循环时间，且α表示变化性的系数。参见图1，其中上部曲线表示现有技术基于运载工具的AMHS的操作特性。在处理工具处及在物流基础设施中，遍及工厂分派制品可存在变化性。在本发明中，所揭示物流的目标是减少或绕过现有技术基于运载工具的AMHS系统中固有的变化性，且因此改进循环时间及工厂吞吐量。此通过多组件集成输送机网络系统而实现，所述系统提供图1中的下部操作特性曲线。

在制造环境内布局运输路径的目标是以时间上最短的方式使得WIP载具能够从工厂环境中的任何工具移动到任何其它工具。此可通过在每一工具岛台或舱区内形成路径环路而最高效地实现，这是因为工具通常针对功能性布置于岛台或单元格中。参考图2。与相应舱区相关联的一每环路20a到20e(还称为舱区内输送机环路)具有相同单方向路径；单元格内的每一环路上的WIP载具仅(举例来说)以顺时针方向行进，如所图解说明。环路路径20接着级联成个别环路的汇总，其中个别环路彼此邻近。相邻环路虽然相互邻近，但不共享任何共同的输送机分段。因此，相邻舱区内输送机环路被视为彼此接近但不彼此重合。

为了使得WIP载具能够从环路到环路一起移动，围绕较小环路链叠对环形较大框架环路22(还称为舱区间输送机环路)，从而作为框架包围较小环路链。因此，外部框架环路与较小环路中的每一者间隔地共享路径。最左边环路20a与较大框架环路22共享其路径的大部分，而次最左边环路20b与较大框架环路22共享其路径的顶部及底部。此较大框架环路22假定与被围封的较小环路的流动方向相同，在图2的所图解说明实例中是顺时针方向。在舱区间输送机环路与舱区内输送机环路中的一者共享输送机分段的情况下，舱区间输送机环路被视为与舱区内输送机环路重合。在舱区内输送机环路20彼此相邻的情况下，最接近的环路部分中的行进流的方向彼此相反，如由最左边环路20a、20b内的垂直箭头所展示。

在这些相邻位置处，提供从环路到环路的至少一个分路或短的桥接输送机路径21以允许沿着路径逆转WIP的行进方向。分路可由每一环路与分路之间的界面处的单向或双向输送分段构成。这些单向或双向输送分段可被称为与相应舱区内输送机环路及分路两者重合，且选择性地使得WIP能够沿着相应输送机环路向前输送或正交于相应环路路径移动到分路上。分路可在双向输送分段之间具有一或多个线性输送的输送机分段。下文进一步论述此类分段。在另一实施例中，分路可仅由两个双向输送分段组成。

在图3中，使用关于图2所揭示的行进的环路布置及方法来在工厂(例如IC制造工厂)中形成运输路径。运输路径表示形成网络(在制品(WIP)载具将在所述网络上行进)的输送机线，从而在IC工厂中互连大多数工具。块20a、20b指示可能多达十个到三十个的工具舱区或单元格。工具舱区之间的空间称为舱区内空间24。工具舱区中的工具面对这些舱区内空间。每一工具的端面配备有工具端口，以将WIP载具接纳到工具中。输送机路径的网络展示WIP流的方向。

为了清晰起见，在图4A中放大图3的输送机网络中的两个最左下部工具舱区20a、20b。此图展示两个工具舱区或单元格20a、20b及此两者之间的舱区内空间24，WIP载具在所述空间处进入到处理工具中。为了解用于WIP载具移动的此输送机网络的使用，将在网络上跟踪单个WIP载具。举例来说：WIP载具可正在输送机网络的舱区间输送机线36上移动，从而在点A处进入所述图。随着WIP载具接近左边舱区20a，其将进入到所述舱区中，向南前进到最左边舱区内输送机线30上。如果此WIP为高优先级WIP，且需要绕过彼舱区内输送机线上的所有其它载具并进入所述舱区的左侧上的工具中的一者，那么所述WIP将被移动到左边I/O优先级输出端口32上。在此上下文中，“输出”是相对于相应舱区内输送机线30来说。此处，WIP将由EDi 40拾取(下文将详细论述)且递送到所期望工具的工具端口(未展示)。如果此为非优先级载具，那么其将继续向南直到分路CL为止，在分路CL处可作出决策以在舱区的右侧将载具传送到与第二舱区20b相关联的平行北向舱区内输送机30，或继续向南且排队以在相应舱区20a的底部处的常规输送机I/O端口34处进入。此处，EDi 40将载具递送到工具。起源于舱区20a的左侧上的工具处的载具将由EDi 40在舱区的底部处的通向南向输送机30的输入38处移动到所述输送机。从此处，输送机30将WIP载具移动到底部处的舱区间线36，且继续向西到达点BB。

从舱区20b在右边进入的载具将以类似方式在最右边舱区内输送机30上继续向北。起源于工具处且在由顶部箭头指示的端口处进入输送机域的载具将退出舱区20b到北向舱区间线36上且继续向东到达点B。应强调，这些仅是当前所揭示的经模块化输送机网络提供的WIP载具移动的灵活性的实例。如在图3中所见，形成舱区内输送机环路的侧的舱区内输送机可延伸跨越舱区间输送机环路，从而在舱区间输送机之间形成分路且垂直连接邻近舱区内输送机环路。

所属领域的技术人员可预期，舱区中的此载具逻辑允许载具递送作为优先级，正如到EDi的FIFO队列的常规直接目的地递送一样，且允许在进入EDi处的队列之前重新指派载具优先级。关于后者，举例来说，可通过以下操作而使载具再循环：降低其优先级且允许其它载具前进到其前面，例如通过经由分路CL从南向舱区内输送机30移动到北向舱区内输送机30，使其向北移动，接着经由分路CR使其移动回到南向舱区内输送机30，借此在先前在其前面的载具之后列队。

针对载具移动的所描述布置为实例，且不同应用可需要其它输送机线布置及个别移动。举例来说，在单个舱区内可存在多个输送机端口及EDi，或在舱区内输送机30之间可存在多个分路。替代地，可根本不存在分路。

举例来说，关于图4B，图解说明与舱区内输送机30介接的多个I/O端口。在此图解说明及非限制性实例中，每一舱区内的每一工具具备两个输出及一个输入。再次，在此上下文中，“输出”及“输入”是相对于舱区内输送机30来说。还在图4B的实施例中图解说明每工具的单个EDi 40。

在图5A中展示来自图4A的单个舱区20b的详细视图。图解说明沿着舱区的外围运行的舱区间输送机36、舱区内输送机30、优先级输出端口32(其还可用作输入端口)、常规输出及输入端口34、38、一或多个EDi 40以及多个处理工具26a到26d。此图的EDi 40展示为包括用作机器人载具操纵器的缓冲区的输送机部分，下文将更详细地描述。

图5B中展示来自图4B的单个舱区20b的详细视图。图解说明沿着舱区之周边运行之舱区间输送机36、一舱区内输送机30、输出及输入端口34、38、一一或多个EDi 40及多个处理工具26a至26e。

在一个操作实施例中，EDi具有以下优先化功能。首先，其从相应工具端口拾取已在工具处完成处理的WIP且将其存放到相关联缓冲区上。如果不存在准备好从工具端口移除的WIP，那么EDi将WIP从相关联缓冲区装载到工具端口。如果相关联缓冲区中不存在用于从工具端口移除的WIP的空间，那么EDi将所述WIP直接释放到输送机网络。

第一实施例中的舱区内输入/输出端口优先化包含：在将下一WIP从舱区内输送机30释放到输出端口34之前，将WIP卸载到输入端口38。借此使缓冲区容量最大化。如果WIP为可用的，那么工具缓冲区保持满的。然而，WIP是完成的且在工具端口处可用，那么将所述WIP移动到下一处理舱区且相应缓冲区具有最高优先级以便使处理延迟最小化。

输送机运输路径由共同地执行为基础设施网络的个别依序对准的输送机分段50构成。在图6中，图解说明两种长度的输送机分段。最短长度分段50a是由WIP载具尺寸界定的最小输送机长度。此分段长度必须长于最大WIP载具长度。较长输送机分段50b是最小输送机分段50a的长度的整数倍数。尽管图解说明两种长度的分段，但可提供不同整数倍数的更多分段。分段在几何上经构造以顺应WIP载具尺寸，模块性通过汇总可除以近似WIP载具的长度特性的各种模块长度而提供运输路径的灵活构造。举例来说，对于300mm标准晶片载具，模块长度可为0.5m；1m；1.5m；2m等。一些输送机分段可仅以线性方式移动载具。其它输送机分段(例如安置在输送机路径的拐角处或多个输送机路径之间的交叉点处的输送机分段)实现载具的多方向平移，包含旋转载具的选项(如果需要)。

此经分段模块性功能上满足自然及简单网络构造的要求，以及使得嵌入式控制系统能够以异步无碰撞方式移动载具。因此，将输送机部分或模块(例如图6中所展示)分段为一或多个整数数目个单位输送机长度。每一输送机分段50a、50b具备相应独立的感测及驱动元件。感测可包含载具存在、加速或减速、速度及方向。如此，每一模块可具有传感器，所述传感器经由光学检测、感应感测、重量感测、旋转部件(载具在其上于模块内行进)的旋转速率等检测载具的存在或移动。

序列输送机分段50能够在其间传达状态。当载具沿着输送机路径移动时，每一载具可独立于任何其它载具而移动，只要下游输送机分段不被不同载具占用即可。因此避免了载具的碰撞。此提供输送机上的异步载具移动。每一分段的输送机驱动经构造以便在加速、减速或恒定驱动期间在输送机驱动与WIP载具之间不导致相对摩擦移动，从而保证由摩擦引起最少微粒产生或无微粒产生。

输送机模块60内的每一分段50由相应嵌入式固件及硬件个别地控制。举例来说，此输送机模块可包含输送机分段及与连续工具舱区20a、20b相关联的EDi，且可被称为控制区带。关于图7，每一输送机分段包含至少一个马达以用于选择性地使驱动部件加速、减速、运行及停止，所述驱动部件耦合到可在其上输送载具的至少一个驱动带。因此可使所述带上的WIP载具66相对于每一分段选择性地停止、启动及/或前进。在一个实施例中，分段马达控制板及/或与其相关联的输入/输出板61编程有嵌入式控制固件，所述嵌入式控制固件控制每一WIP载具到不被固定载具占用的下游位置的自主移动。每一WIP载具经由嵌入式控制件从分段到分段自主地向前移动，同时还传送与相应载具相关联的数据(举例来说，载具目的地、ID等)。

与相应控制区带60相关联的控制器64跟踪所述区带内的所有WIP载具，包含WIP的唯一标识符。通过控制区带控制器与WIP相关联的其它信息可包含在针对所述WIP的总体处理要求内的WIP的状态。一旦WIP从相应控制区带输送到下一序列控制区带，WIP信息便(例如)经由以太网连接68从旧控制区带控制器传递到新控制区带控制器。在一个非限制性实例中，控制区带由大约50个输送机分段构成，尽管预期每控制区带的较高或较低数目个输送机分段。

尽管在集中式移动协调系统72(其将WIP移动与制造环境内的例如工具控制等其它操作集成在一起)的控制下，但载具在网络上从载具输入到载具输出点的总体分派以散布式方式发生；输送机网络由散布式处理器控制。网络的功能控制阶层大体上由3个层级组成。层级1是通过体现在与每一分段控制器相关联的固件中的功能性而从输送机分段50到输送机分段的载具的异步独立自主无碰撞移动。层级2将大量此类分段级联为在嵌入式处理器64(称作传送管理单元(TMU))控制下的控制区带60。此处理器跟踪其区带内的所有载具，连同与载具相关联的数据。当载具退出此处理器的区带时，与所述载具相关联的所有数据被传递到下一相邻控制区带嵌入式处理器上。层级3的控制被称作分派控制器(DC)70，其将大量嵌入式TMU处理器级联为区。此DC连接到其它此DC，借此实现输送机网络与在其上移动的载具的全工厂集成。每一DC包括任何数目个图形用户界面(GUI)，所述GUI显示载具移动且提供到基于输送机的AMHS网络的操作者界面，同时还用作到工厂主机控制件71的界面。

输送机分段50之间的通信(包含下游输送机分段是否被载具占用的指示)通过使用通信总线62(例如控制器区域网络(CAN)总线)而实现，所述通信总线与分段50中的序列分段的控制器61互连。与输送机的控制区带60相关联的本地区带控制器/CPU 64一方面与通信总线62进行通信且另一方面与网络通信信道68(例如以太网连接)进行通信。来自多个区带控制器的数据因此由优选地具有图形用户界面GUI的相应分派控制器70收集。以此方式，用户可视需要监视、调整或以其它方式操纵输送机网络的性能。在所图解说明实施例中，分派控制器70还经由网络通信信道68(例如以太网连接)与可实施为机器协调系统(MCS)或制造执行系统(MES)的集中式移动协调系统72(还称为工厂主机控制件)进行通信。这些系统与(举例来说)相应WIP优先级、相关工具状态信息及网络状态信息协调地对载具移动实施集中式控制。

共同地，实现载具流式传输及载具的无碰撞积累，此取决于是否检测到固定下游载具。因此，嵌入式控制件替代通常实践的外部WIP流控制件，所述外部WIP流控制件以同时保留用于待发送到目的地的载具的空闲输送机空间的方式管理载具的分派，此为本质上低效的实践。因此，在具有输送机模块的分段及散布式本地输送机控制的情形下，当前所揭示的嵌入式控制方法通过自主地填充所有输送机空间而实现较快、较密集或较高容量的WIP流，而无需集中地保留用于到目的地的每一分派的空间。

实施载具传送管理的逻辑控制软件驻存于嵌入式经连结且散布式CPU中，包含分段马达控制器61及控制区带控制器/CPU 64。分派控制器70将散布式且嵌入式逻辑软件连接到工厂主机72及散布式GUI。功能上，此逻辑软件控制整个输送机网络上大量并存的载具流，其中多个来源到目的地载具同时移动经过网络的数个分支及分支节点。通过EDi进入网络域的载具的来源是数百个或更多个处理工具中的一者。类似地，此载具的目的地可为数百个或更多个处理工具中的任一其它者。尽管工艺序列处方是由工厂主机(取决于被制造的IC装置)来确定，但其精确执行是通过运输网络及其嵌入式软件以区域层级进行。

EDi用作针对放置在WIP输送机运输与处理设备之间的模块的术语。其功能性是在I/O端口处将WIP载具从输送机移动到处理工具且反之亦然。所述EDi为输送机网络的机器人扩展。每EDi是运输网络的域的一部分，此意指通过EDi的WIP载具移动由输送机网络的逻辑软件控制。

关于图8，通过输送机网络(图8中未展示)将载具80运输到工具舱区的I/O端口81。接着将载具移动到形成EDi的一部分的水平输送机路径82上。横向地或在Y轴上移动载具，直到其安置在梁83下方为止。吊运车84经配置以在梁上来回行进，此可界定为X方向。在吊运车下方通过多个缆索87悬挂抓握器85，所述抓握器经配置以选择性地抓握其下方的载具且上下移动载具，此可界定为Z轴。水平输送机路径、梁、吊运车、缆索及抓握器共同地构成EDi。CPU可与EDi相关联，以用于执行本地存储的逻辑控制固件来配合输送机网络的其余部分实施载具操纵。输送机及EDi控制器两者经由例如以太网的数据通道而与网络的集中式分派控制器连接。用于EDi的CPU及控制单元可集成到例如吊运车等EDi组件中，或可在本地传送管理单元(TMU)控制器内实施，所述本地TMU控制器接着(例如)经由无线以太网或蓝牙而与EDi无线地进行通信。EDi与其自身的TMU一起充当输送机网络内的TMU区带。

因此，吊运车84在输送机路径82上方移走，接着经由缆索87降下抓握器85。吊运车可具有机动化的线轴，以用于经由缆索而升降抓握器。举例来说，EDi可包含螺旋线卷轴及起重伺服单元。EDi可具备主电源或电池电源，所述电池电源由连同吊运车84一起安装的电池供应。此电池可无线地充电。一旦与载具80接触，抓握器便机械地接合载具且经由缆索而提升载具。吊运车在工具及工具端口86上方移入，接着使载具降下到端口。

在由工具86处理有效负载之后，EDi的抓握器85及吊运车84使载具80返回到水平输送机路径82。接着通过输送机网络朝向另一工具运输载具，且最后通过可共享同一水平输送机路径82的另一EDi传送到所述工具。替代地，接着将载具转运到舱区输出端口且接着传送到相应舱区内输送机。同样地，EDi充当输送机网络的指状物延伸。其通过执行三种机器方向类型来执行其功能：(1)在线性梁83上从输送机端口81到工具端口86的水平移动且反之亦然；(2)在输送机82处及在工具端口86处降下或提升WIP载具的垂直移动；及(3)通过载具的SEMI标准顶部“蘑菇形”特征抓握所述载具。抓握器可具有用于接合此类特征的选择性向内凸出的指状物(未展示)。

图9图解说明EDi的例示性物理元件。具有正时带90的伺服驱动与四线螺旋卷轴91一起使用，以用于操纵与蘑菇形抓握器85相关联的缆索87。可提供有线电源。替代地，可提供无线电源，在此情形中，EDi包含与电池92(例如12V锂离子电池)相关联的无线谐振电源线圈94。到或从本地EDi CPU及控制单元的通信可经由机器控制及监视系统及CAN总线界面97。用于控制EDi的无线通信还将经由无线收发器(未展示)来实践。吊运车包含具有相关联正时带及马达93A的线性滑块或线性马达93B。防摇电子器件95集成到EDi的驱动机构中以防止在运输期间载具的非线性移动。

在前述论述中，已参考WIP载具的输送。然而，应理解，在不具有载具的情况下，本发明对直接输送WIP具有适用性，且还可适于各种工件或载具的输送。

前述描述已涉及特定实施例。然而，在实现一些或所有其等优点的情况下，可对所描述实施例作出其它变化及修改。所属领域的技术人员将进一步了解，在不背离本文中所揭示概念的情况下，可作出对上文所描述系统及方法的修改。因此，本发明不应视为由所揭示实施例限制。此外，可在不相应地使用其它特征的情况下使用所描述实施例的各种特征。因此，本描述应理解为仅图解说明各种原理，且不限制本发明。

所属领域的技术人员可鉴于上文含有的教示在本文中所描述及图解说明的细节、材料及部件的布置及步骤上作出许多改变。因此，应理解，所附权利要求书不应限制于本文中所揭示的实施例，且可包含除具体描述的哪些之外的实践，并且应在法律允许的范围内广义地解释。