AMHS系统（自动化物料搬送系统）对于生产芯片的晶圆厂在提高生产效率和缩短产品的生产周期等方面起着关键作用，尤其是现在主流的12寸晶圆厂对于AMHS系统更是必不可少。
在这里把AMHS系统也归类到了CIM系统领域，可能有的厂商不认为AMHS隶属于CIM系统，但个人认为AMHS系统的核心是软件部分，且与MES等CIM系统有密切交互，因此把AMHS系统也划分到CIM系统旗下。
本文是半导体CIM系统之AMHS系统介绍的开篇之作，主要分享学习AMHS系统的组成结构，发展历史，国内外发展现状以及未来展望等基础知识，后续再对细节技术进行探讨。
AMHS系统组成结构
AMHS(Automatic Material Handling System，自动化物料搬送系统)，一般特指在无尘室环境下，通过软件系统的控制和调度，按照生产系统的指令，实现物料在生产线工序间的自动搬运、缓冲存放的系统。AMHS具备减少物料的闲置时间，提高无尘室车间的利用率，提高产品良率，减少人员误操作，降低人力成本等诸多优势，广泛应用于半导体硅片厂、半导体晶圆制造厂、半导体封装测试厂、显示面板厂以及新能源电池工厂等领域。该系列文章主要基于半导体晶圆制造厂业务进行介绍，但是系统在各行业有一定相似度。
半导体AMHS大致模型图
AMHS主要由硬件设备和控制软件组成，其中硬件设备包含搬运设备和存储与净化设备，控制软件包括MCS，STC，TSC等等。
搬运设备
根据不同晶圆厂的需求，AMHS系统主要分为半自动化和全自动化解决方案。其中，8寸晶圆制造厂通常采用半自动化解决方案，涉及的搬运设备主要有AGV自动导航车、RGV有轨制导车和AMR机器人等地面传送设备和OHT天车设备。12寸晶圆制造厂现基本采用全自动化解决方案，涉及的搬运设备有OHT天车设备。
OHT(Overhead Hoist Transport) 能够在空中轨道上行驶，并能够通过皮带传动起重机直接进入保管设备或工艺设备的装卸口取放货，应用于工序区内部，也应用于工序区间或工厂间运输。目前在12寸晶圆制造厂，OHT系统被广泛认定为FAB工厂的主力搬送系统。
弥费科技OHT
AMR(Autonomous Mobile Robot)，协作机器人，用于半导体晶圆厂地面搬运FOUP/POD，对接MRC进行任务调度；实现设备与设备间搬运、设备与E-Rack间搬运。
弥费科技AMR
Conveyor，洁净室传送线，主要用于实现POD中短距离的传递输送，实现机台设备、STK、TW STK等设备之间FOUP的输送传递。按照工艺流程将不同设备有机串联起来的同时，能够缓存一定数量的POD。
弥费科技Conveyor
RGV(Rail Guided Vehicle)，轨道式导引机器人，
RGV又称轨道穿梭小车，沿轨道将Cassette在工艺设备、Stocker和Buffer之间进行传输。
Mirle RGV
AGV(Automated Guided Vehicle)，移动机器人，AGV是带有SCARA 机械臂的自动化运输系统，可以“直接”访问储料器和加工设备，灵活地将载体运送到加工设备。
AGV in Fab
地面方案AGV/RGV/AMR可以相互配合；在搬运量较小的情况，AGV/RGV/AMR系统相比天车系统费用更低，在搬运量较大情况下，其费用反而比天车更贵。而且AGV/RGV/AMR存在搬运量上限，会占用洁净间，在12寸晶圆厂中使用较少。
存储与净化设备
存储设备是无尘室的临时存储库，可缩短工艺设备流程结束到下一工艺设备流程开始之间的时间差。存储设备主要包括用于存储载具 （晶圆载具Foup、光罩盒Reticle等的存储柜（Stocker）以及工艺设备流程开始之前的暂时存储设备（NTB）。随着先进制程工艺向窄线宽发展，40nm及以下先进工艺节点存储设备需要配套净化设备，主要包括空中缓存净化(OHBP)。Foup/Pod Stocker，晶圆盒存储设备，Stocker用于半导体洁净室内生产工序与工序之间晶圆载具的传送和存储，支持多种载具Pod/Foup，以及净化功能。
Foup/Pod Stocker
Reticle Stocker，光罩盒存储设备， Reticle Stocker用于半导体洁净室内光罩盒存储及传送，可实现与天车自动对接，人工对接，保证光罩品质，从而达到提高晶圆厂整体产品良率的目的。
Reticle Stocker
Tower Stocker，塔式存储设备，用于半导体晶圆厂洁净室内物料的跨楼层存储和传送。
Tower Stocker
OHB(Over Head Buffer) (with Purge), 空中缓存净化设备，配合天车轨道系统，为光罩盒提供空中批量存储货位，提高晶圆厂得空间利用率，最大化晶圆载具在各个工序间得传送效率。通过Purge管路布局，加装净化单元充入纯净气体，保证光罩盒内微环境，提高良品率。
OHB
除此之外，存储设备还有NTB(Near Tool Buffer，近机台缓存设备)，TLP(Tool LoadPort Station，机台净化设备)，E-Rack(电子货架)等等。
控制软件
控制单元主要有STC(Stocker Controller),TSC(Transport Controller)和 MCS(Material Control System)，其中MCS是AMHS软件部分的核心，是AMHS系统能够正常运行的大脑。它们之间的关系如下图所示。
学术界AMHS软件架构
STC是存储单元Stocker的控制器。它负责接收并执行上一层控制系统MCS的 动作指令；记录Stocker内所存储的FOUP信息和所有指令信息；协调和控制Stocker各部分的行为动作；并把Stocker的状态和存储记录报告给上层控制系统MCS。
TSC是搬送单元自动搬送车的控制器。它负责接收并执行上一层控制系统MCS 的动作指令；记录Stocker内所存储的FOUP信息和所有指令信息；更重要的是，TSC需要负责OHT的状态管理，搬送指令的管理，OHT的任务派遣等。从而完成MCS下达的搬送指令，及时准确地将FOUP搬送到MCS指定的目的设备中。最后，TSC需要将搬送指令的完成结果和OHT的运行状态报告给上层控制系统MCS。
MCS系统是整个AMHS系统的中央控制系统，它负责接收并执行上一层控制系统MES的动作指令。首先，MCS系统会将上一层HOST下达的搬送指令进行分解，根据搬送指令的进行状态，分别发送到相应的STC系统和TSC系统，从而共同完成一个完整的搬送指令。一般而言，MCS系统本身并不会生成搬送指令，它的使命是去执行和监控MES系统所生成的搬送指令。除了搬送指令的执行，MCS系统还会具备一些更高级的存储单元和搬送单元的优化管理功能。例如，当搬送指令指定的目的地Stocker发生故障的时候，MCS系统会选择合适的备用Stocker作为搬送目的地；当AMHS系统内具有多套TSC系统的时候，MCS系统会选择更优化的TSC系统来执行搬送指令。
工业界TAIZHITECH MCS架构
AMHS系统发展历史半导体工厂大规模采用AMHS系统的原因在于它不仅可以作为临时存储晶圆的 自动仓库，同时还可以实现不同工作区域间快速转送的功能。例如台积电在不到0.5平方公里的区域内，拥有超过50公里长的轨道、5000个以上的路口以及2000台晶圆传输车，每日运量约60万车次。在早期兴建的6寸晶圆厂中，由于wafer本身重量不是很大，因此对于wafer的自动搬送需求并不是非常迫切。随之后来8寸晶圆厂的兴建，生产技术人员开始意识到AMHS系统的应用对于提升半导体工厂生产能力的巨大作用，AMHS系统的应用这才逐渐兴盛发展起来，现在AMHS系统在主流的、全自动化的12寸晶圆厂更是标配。 到目前为止AMHS系统经历了四代的发展，分别是200mm自动化搬送系统，早期的300mm自动化搬送系统，Tool to Tool的直接搬送方式，高度智能化的自动搬送系统。
1. 第一代的AMHS系统：200mm自动化搬送系统
对于早期的200mm半导体工厂来说，大部分WIP传送、存储和分发是通过人工 操作完成的。后来的200mm半导体工厂在人工操作基础上结合了interbay自动传送和存储系统，然而WIP和设备之间的流通仍然没有实现自动化。200mm 半导体工厂向AMHS自动化搬运系统的转变是迫于半导体工厂规模扩大和产量提高所带来的压力。为了提高生产效率和生产更多种类的产品，许多200mm 半导体工厂采用了OHT和OHS(早期一种自动化搬送装置，现已被OHT替代)相结合的AMHS系统（如下图所示）促进生产或改善多种产品共线生产的管理，最终开发出更先进的半导体工厂布局，充分利用AMHS系统Interbay高效率自动搬运的优点。
200mm工厂下的AMHS系统
2. 第二代的AMHS系统：早期的300mm自动化搬送系统
早期的300mmAMHS系统实际上是200mm interbay传送系统的延伸，它在已有Interbay传送系统上增加了intrabay传送系统。当然，Stocker需要增加额外功能Interbay/Intrabay之间的传送界面；此外，还要增加Stocker容量，用于取代intrabay WIP的存储。300mm AMHS系统还增加了一种新型的运输工具-intrabay OHT，它可以将FOUP直接传送到设备。这样就可以进行物料FOUP的全自动搬运了。
首先，AMHS系统将FOUP从工艺设备的LoadPort转移到OHT搬运车上并传送到各区所在的Stocker 里面；然后Stocker机械手将FOUP转移到Stocker的interbay的LoadPort上，并从这里装载到interbay的空中搬运车（OHS）上；接着，OHS将FOUP运送到离下一道工序最近的Stocker中存储起来；需要加工这个FOUP时，intrabay OHT到Stocker自动调取该FOUP，将其运送到生产设备端并放置在设备的LoadPort上。这种早期的AMHS设计实际上是建立在早期fab工艺流程的基础上的，它必须根据intrabay的生产速度为各个intrabay分派许多空中运输车。分离式的布局限制了AMHS的灵活性，它不能对工艺流程或其它异常事件做出快速反应。
300mm工厂的分离式搬送的AMHS系统
3. 第三代的AMHS系统：Tool to Tool的直接搬送方式
在第二代的AMHS系统中，不同生产区域间的Wafer搬送必须通过Stocker的中转才能完成，这种方式不仅影响搬送效率，而且在Stocker发生故障的时候，对于关键制程的生产机台的生产会带来灾难性的影响， 因此他们在第一代AMHS系统的基础上加以改进，设计出了第三代的AMHS系统。第三代的AMHS系统对于关键生产区域的机台可以由OHT来完成跨区域的搬送， 即通常所说的Tool to Tool 的直接搬送。这种设计的搬送特点是，关键区域的Wafer搬送不必依赖Stocker的中转来完成，从而提高了AMHS的搬送效率。
4. 第四代的AMHS系统：高度智能化的自动搬送系统
在早期300mm分离式系统经验的基础上，AMHS供应商正在尝试对其进行修改，改善AHMS自动化系统的灵活性和柔性。 首先，OHT系统被延伸到interbay区域，OHT运输车可以在fab内的任何地方漫游。就像200mm fab中操作工人将前道工序完成的lot事先搬送到下一代工艺设备附近一样，现代化的AMHS系统中可以将FOUP存储位置从Stocker转移到靠近下一道工艺设备最近的地方，通常称为轨道下方存储（under-track storage，UTS）或零占地面积存储（zero-footprint storag，ZFS）系统。UTS使用了洁净室的部分空中预留空间，但是不会占用工艺设备空间。
300mm工厂的具有UTS装置的智能式AMHS系统
国内外发展现状
半导体AMHS行业壁垒较高，不仅需要强大的软件开发实力，也需要有半导体制造业务的know-how能力。长期以来全球AMHS市场一般被日韩企业主导，目前全球半导体行业所使用的AMHS系统超过九成均来自日本大福和村田这两家企业，它们几乎垄断了高端市场，尤其是12寸的晶圆厂市场。
根据 Gartner 测算，全球AMHS市场规模约占半导体设备总量的3%。根据赛迪顾问测算，2015—2022年全球AMHS市场的复合增长率为24%。特别是随着12寸晶圆厂的建设，AMHS被广泛应用，市场规模实现高速增长。尽管2022年受新冠肺炎疫情、全球消费疲软等影响，全球半导体晶圆厂建设进度放缓，但AMHS市场规模仍逆势增长至30.6亿美元，同比增长12%。
根据赛迪顾问测算，2015—2022年全球AMHS市场的复合增长率为24%。特别是随着12寸晶圆厂的建设，AMHS被广泛应用，市场规模实现高速增长。尽管2022年受新冠肺炎疫情、全球消费疲软等影响，全球半导体晶圆厂建设进度放缓，但AMHS市场规模仍逆势增长至30.6亿美元，同比增长12%。
全球AMHS市场规模及增速
中国大陆方面，根据赛迪顾问测算，2015至2022年中国大陆AMHS市场的复合增长率为38%，随着中国半导体产业的崛起以及工业智能化的持续推进，中国半导体产业的物流自动化整体实现高速增长。2022年受新冠肺炎疫情、消费疲软、中美贸易战等影响，中国大陆半导体晶圆厂建设进度放缓，国外半导体企业在中国的投资减少，中国大陆AMHS市场规模达47.6亿元，当年增速放缓，低于全球平均增速。
中国大陆AMHS市场规模及增速
在中美贸易摩擦加剧、高科技领域遭受封锁以及半导体供应链安全问题日益凸显的背景下，半导体关键设备的国产化替代越来越重要，而AMHS系统作为被卡脖子的关键设备之一，其国产化进程正在加速推进。其中，弥费科技作为行业新秀，凭借其四大“护城河”技术，通过十年的发展，成为国内首批通过8寸和12寸晶圆厂验收的AMHS解决方案供应商，实现了从技术服务提供商到自主研发AMHS系统的华丽转身。
另外，在这个卡脖子领域也有和弥费科技类似的优秀企业在发光发热，比如新施诺、欣奕华、成川科技、格创东智、华芯智能、尊芯半导体等等AMHS企业，在这重要且需要“坐冷板凳”的工业软件领域，它们是一颗颗璀璨的明星！
未来展望
在这特殊的时代背景下，对国内AMHS企业的发展是一个很好的契机，应当好好把握国产化替代的机遇，加强自身技术实力，相信总有一日赶上甚至超越国外巨头。
为国内AMHS产业更好地发展，以下整理一些不错的建议：
1. 企业加强整体解决方案能力
目前国内AMHS企业大多是单点突破半导体晶圆制造厂，较少企业具有整厂配套能力，AMHS企业应当加强整体解决方案能力，完善硬件、软件、服务等一体化方案，完善且强大的产品矩阵有助于提高企业在半导体产业中的竞争力。
同时，重视特色工艺半导体市场。特色工艺半导体厂主要包括光电器件、功率器件和传感器。随着半导体行业的发展，近几年，特色工艺领域投资、建厂速度逐渐加快， 基本都是8寸及12寸的晶圆厂，自动化需求较高，对于AMHS厂商来说存在一定发展机遇。建议AMHS企业加强与特色工艺半导体厂商的交流、合作，挖掘AMHS系统在特色工艺半导体产业的潜力，扩大行业市场。
此外，加强与上游其他CIM系统的密切配合，引入主流AI技术，为物料搬送提供最优路径和提高系统的运行效率，从而提高晶圆厂的生产效率。
2. 建立统一的行业标准
标准是引领行业质量的基础，高标准才有高质量的行业发展。 由于AMHS系统早年被海外企业垄断，因此导致相关标准化基础较为薄弱，急需建立统一的行业标准以引领国内企业更好地发展。
对于硬件方面，AMHS 硬件系统由具备传送、存储、净化不同功能的十多种设备组成，每一个设备在进入晶圆厂前都需花时间 打磨以满足晶圆厂无尘室的生产条件和产品行业标准。
对于工厂自动化方面，AMHS系统的主要组成部分是设备、FOUPS、自动化仓储系统、OHS和OHT。所有这些组件的整合均需要相当程度的互操作性特征和接口。由于这些部件的供应商存在竞争关系，并且每个供应商对于互操作性的含义和实现可解释性所需的功能看法不一，因此需要制定一个系统内部统一的行业标准，以规范系统整体共同的框架和操作窗口。
在2023年，弥费科技承担了“半导体晶圆制造前端自动物料搬运系统制造标准化试点”项目，旨在推进 AMHS核心企业标准建设，夯实企业标准化基础，建立健全AMHS系统所涵盖的硬件设备与自动物料搬运软件系统全过程、全要素的制造验收标准体系，以高质量标准化引领企业创新发展。
目前AMHS行业已具备部分团标和企标，需要进一步统一其他行业标准，例如设备与系统中文名称与定义，产品质量标准，底层通信协议标准等等，在这一过程中需要各企业、科研机构和高校通力合作，才能更好地制定符合行业的标准。
道阻且长，行则将至。相信在AMHS系统在内的CIM国产厂商与半导体产业的通力努力下，国产化替代终将成功，行业终见曙光！
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参考资料:
- 弥费科技，赛迪顾问等企业公开资料
- 高明亮，300mm半导体工厂AMHS系统的分析、设计和控制策略的仿真研究
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