晶圆制造堪称当今世界最为复杂的制造业之一。芯片制造流程之复杂、厂房环境要求之苛刻，都驱动着晶圆厂向着更高的自动化、智能化前进。在这一过程中，如何提高整个工厂的空间利用率、减少机台闲置时间、提升生产效率以及产品良率成为晶圆厂运营最关心的问题，自动物料搬送系统AMHS（Automatic Material Handling System）在这一诉求下日益成为晶圆厂建设过程中不可或缺的“生命线”。
从早期的6英寸晶圆厂，到如今的8英寸、12英寸厂成为主流，半导体制造工艺越来越先进，产线中的工序成倍增长，关键机台的吞吐量也在一代代的更迭中迅速增加，使得传统人力在产线设备间的物料搬运，成为制约生产效率和生产质量的瓶颈。AMHS从8英寸厂开始显露头角，如今在12英寸厂中早已成为标配。在封测领域，随着先进封装技术的发展，AMHS也开始展露拳脚。
“一般AMHS投资约为晶圆厂固定投资的3%左右，比如一座大规模12英寸厂的投资约需200亿美元，国内AMHS市场规模每年达到了30~40亿元。”睿新库总经理赵建勇指出，“目前这一领域近90%的市场被国外企业垄断，在我国半导体产业规模持续扩张以及半导体设备国产化的趋势下，国产AMHS厂商拥有巨大的前景。”
图示：睿新库总经理赵建勇
晶圆厂稳定运转的“生命线”，AMHS市场也面临国际厂商垄断
2000年前后，半导体产业开始从8英寸的晶圆制造，跨越到12英寸。制造产线的大幅升级不仅对半导体制造设备提出挑战，对晶圆制造传输系统的自动化要求更是前所未有的。因为在12寸晶圆及之前的生产，人工搬运并不会对生产效率和产品良率产生足够明显的影响。但是12寸晶圆的所受应力、形变导致的不良率、相关机台闲置等因素极大地影响了生产线的效率。
AMHS是在软件系统的控制和调度下，按照生产系统的指令，通过物料搬运设备，实现物料在生产线各工序间的自动搬运、缓冲存放，还可实现制造过程的数据跟踪，在出现产品不良和设备异常时可快速找到源头，及时消除问题并实现根本性改善。赵建勇介绍，一个完整的AMHS系统包括传输硬件设备（OHT、AGV/AMR、Lifter等）、存储设备（Foup&Reticle Stocker、Reticle Cabinet、NTB、OHCV、OHB）、净化设备（TLP、OPS、FPS等）及软件系统（MCS、OHTC、STKC等）。
如同人体的血液循环，哪怕是一根小血管不通畅，都可能引发全身的大问题一样，AMHS对于晶圆厂的生产效率和良率如此关键，已然成为晶圆厂持续稳定运转的“生命线”。从8英寸厂应用兴起至今，AMHS系统先后经历了第一代的单元空中搬送系统、第二代的EQtoEQ的部分跨区域直接搬送、第三代全厂性的EQtoEQAMHS系统、再到目前第四代的STK+OHT+ZFS系统。
“其中核心设备包括OHT（Overhead Hoist Transport，天车）、NTB（Near-Tool Buffer，机台侧仓储设备）、STK（Stocker，智能晶圆存储设备）等，对于减少人员参与，提高制程和大规模生产时的效率和良率起到至关重要的作用。”赵建勇指出，“一些特制设备还能够单独提高瓶颈功率的设备开动率。”
他举例解释到，由于工艺的差异，会使得某些机台在某一段时间内，积累的晶圆比较多，如果是依赖人力搬运，难免出现调度、转运不及时的情况，从而造成瓶颈机台的拥塞以及部分机台运行不饱和。而NTB则通过暂时存放来不及运至下一工序的晶圆，从而打通“淤堵”，可提高瓶颈工序约10%的效率，在外延、切片、刻蚀等独立、小机台工序上需求较大，也是全厂需求最多的AMHS设备之一。此外，在当前的AMHS系统中，STK不再具有搬送中转的作用，而仅仅作为晶圆的存储单元，但是会占用很大的寸土寸金的无尘室空间，于是研发人员设计了设置在空中的存储装置OHB（Over Head Buffer），该装置可以设置在轨道的侧面，称之为STB（Side Track Buffer），也可以设置在轨道下面，称之为UTB(Under Track Buffer)，都对提高工序间转运效率起到了重要作用。
另一方面，在12英寸厂中，采用OHT负责空中轨道高速传输作业的方案逐渐成为标配，它通过空中铺设的轨道，小车在轨道上行走，进行生产物料的自动搬运和设备上下料，充分利用了洁净室的高度和空间，可增加有效使用面积，实现点对点的灵活搬运。其要求是速度快、搬运量大、振动小，以及成熟稳定的软件调度系统。
根据统计，2022~2025年大陆地区已公布的晶圆厂投资扩产计划，4年间晶圆厂（8英寸和12英寸）的平均设备投入资金约1732亿/年，对AMHS的需求与日俱增。赵建勇表示，当前日本的村田机械和大福等国际厂商长期以来垄断了中国乃至全球的AMHS市场。这两家公司覆盖了国内90%以上的晶圆厂，在国际市场占有率更高达95%以上。国内晶圆厂长期依赖进口，且价格高昂。
近年来国内厂商在AMHS领域开始逐步单点突破，多家厂商在不同细分市场取得了国内晶圆厂的技术评估、Demo测试机会。然而，由于晶圆厂的AMHS系统一旦出现故障将会影响整体产线的运营，会造成巨额损失，目前阶段晶圆厂出于谨慎原则仍较少选用国产AMHS厂商。
赵建勇表示，在OHT领域，国产厂商仍在验证过程中，取得的份额仍然非常小，需要持续迭代，与国外先进水平差距至少3年以上。STK及其余设备（包括lifter、Conveyor、NTB、TW STK等）则仅有极少数厂商具备制造及装机经验。“挑战在于行业验证时间较长、人才匮乏、供应链配套不完善等。并且由于晶圆厂现场结构及环境不同、工艺不同、效率不同等因素，每个客户都存在不同的订制需求，AMHS系统的标准化程度约为70%，极高的定制化需求比例也对国产厂商的设计和施工经验带来了极大的挑战。”
新贵睿新库，立志成为中国的“村田”和“大福”
在国内晶圆厂建设如火如荼，晶圆厂自动化、智能化趋势及整体国产化浪潮下，发展我们自主的AMHS系统迫在眉睫。与此同时，美国、日本、欧洲等也相继掀起兴建晶圆厂的潮流，使得海外AMHS龙头面临着交期拉长、服务难以满足国内客户需求的局面，为国产厂商创造了绝佳的发展良机。
成立于2021年的江苏睿新库智能科技有限公司总部位于苏州昆山，是国内领先的AMHS解决方案提供商，致力于为客户提供高效率、高密度、高柔性、快交付、低成本的解决方案。睿新库智能专注于NTB，STK，OHT，OHCV，EFEM，晶圆机械手等设备，拥有全价值链研发能力。公司在昆山设有研发生产基地，已推出多款此类型设备在各大FAB厂投入使用近3年。
赵建勇介绍，从成立之初，睿新库就坚定不移的研发OHT，目前是国产唯一采用PCB控制的小车，已迭代至第三代，完全具备量产化条件；STK及其余设备（包括lifter、Conveyor、NTB、TW STK等）均有不同数量的项目落地案例，其中自研12英寸TW STK、自研12英寸Converyor均为国产唯一，自研STK为国产装机量最多的企业。“可以说，公司产品线丰富，是目前为数不多的具备落地AMHS解决方案的国内企业，并且在国内多家头部大厂已有设备落地并验收的成功案例。”
成立仅两年的睿新库俨然已成为国内冉冉升起的AMHS新贵，那它是如何做到的？
赵建勇指出，首先，睿新库具有一批资深的AMHS行业从业者，在系统设计、迭代优化、现场施工等方面都具有深厚的经验，有力支撑了公司的全自主研发。在硬件方面，睿新库具有部分创新技术，比如OHT的控制采用自主研发的PCB控制，而市场上基本都是基于传统的PLC控制，在精度、模块化方面远胜于后者。在软件方面，睿新库的AMHS系统调度软件基于AI算法优化，每年可进行1~2次技术迭代。相比之下，日系公司的软件基于传统权重技术，迭代周期长达2~3年，难以满足市场需求变化。
其次，在项目实施方面，睿新库的交期仅6~8个月，软硬件均在国内组装测试，后续维护本土化团队能够给予客户需求及时响应，同时零配件也在本地存储，更新迅速。而日系公司的交期为10~12个月以上，硬件调试更是主要在日本进行，运行中的重要技术问题需要反馈到日本，关键零配件也需要从日本订购，难以及时、灵活响应客户运维需求。
最后，睿新库在保证利润的前提下，价格仅为日系厂商的50%-80%，更具弹性。相比之下，日系公司价格变动流程繁琐，议价空间极小。
“随着睿新库的产品通过更多晶圆厂客户的验收，我们也在加快产品研发迭代、无尘室建设、知识产权建设等工作。”赵建勇表示，在OHT方面，客户验收指标包括振动值、直线/曲线速度、加/减速度、车重、载重等等。通过这些参数可以评估OHT的效率，目前睿新库的OHT效率约为日系厂商的80%左右，还有进一步优化的空间。
“效率上的差异会使天车数量有所增加，但是对整体成本基本没有影响，对生产良率也不会有影响。因此下一步OHT的研发迭代，主要集中在改善振动值、提升车速、动作流畅性等方面。”他指出，“车重在很大程度上决定了车速，越轻的车越有优势。目前世界先进水平是105公斤，睿新库已经达到108公斤，当前工作重点之一也是在车身减重进行很多测试，新材料的选型等。”
值得一提的是，睿新库所有AMHS产品的零部件国产化程度达到了85%。“睿新库落地昆山后，就带动了一批零部件供应商一起落地，形成了良好的产业聚落，利于双方在优化零部件性能方面共同攻克难关。”赵建勇表示，有些关键零部件，比如电气、安全相关的传感器仍然依赖进口，国内厂商正在最后的冲击，AMHS厂商处于可靠性考虑，尚待实际验证才能采用。
写在最后
随着AMHS在先进制程领域扮演着愈来越重要的角色，未来技术将会更加智能化，与制造工艺及软件配合更加密切，睿新库认为行业将会形成CIM软件+AMHS融合的新生产模式。
然而近几年国内部分先进晶圆厂扩产进程由于外部环境的影响而减慢，在一定程度上影响了国产AMHS系统的验证进度，因为它需要在建厂之初就伴随着土建进行规划，确保整个工厂的有序运行。
不过换个角度来看，赵建勇认为这也给国产AMHS在内的半导体设备厂商们带来更多准备空间，得以继续优化自身技术和产品，让其在下一个设备集中进场期到来时，更有机会把握住国产化的大势。
在他看来，国内的AMHS市场完全能培育出两家大规模的AMHS系统厂商，睿新库有信心成为其中之一。未来公司将依托硬件设备，做好工厂的基石，与工艺设备、制造软件等制造商建立深度的、高效的、全面的合作关系，成为中国的“村田”和“大福”，为中国半导体事业竭尽全力！
