人工智能（AI）和机器人技术正在承担更大、更复杂、越来越自主的任务，但与现有设备和流程的集成仍然是一个巨大挑战。

不同类型的更精确和移动性更强的机器人开始应用于半导体制造，事实证明它们既可靠又经济有效。

机械手已经在晶圆厂中使用了多年，但现在补充了协作机器人、自主移动机器人（AMRs）,和自主仿真机器人，满足不断增长和扩大的需求。

波士顿动力公司Spot的副总裁兼总经理马可·达·席尔瓦（Marco da Silva,）说：“机器人会自动执行任务，否则就需要由人类手动完成。对机器人来说，对人危险的地方是应用价值最适合或者最大的地方。部署机器人技术进行自动检查、定期巡视和读数，可以减少维护团队寻找问题的时间，因此他们有更多的时间来积极解决问题。”　　

图1：波士顿动力公司的机器人Spot等待穿过Semicon West外的一条繁忙的街道。资料来源：Ed Sperling/Semiconductor Engineering

尽管如此，机器人应用潜在的好处仍然是显著的。对精密晶圆的精确处理，对工厂的自动监测，机器人已经成为半导体制造中不可或缺的一部分。

UMC智能制造部门经理张昌表示：“我们预计未来几年将不断发生变化和数字化。技术的快速进步，以及半导体制造中对更高效率和精度要求不断增长，推动我们不断发展和升级我们的机器人系统和自动化过程。”

机器人进化

半导体制造中机器人技术的发展经历从简单的自动化到复杂自主系统的过程，机器人应用可以在最少的人工干预下执行大量的任务。最初，机器人主要执行晶圆处理和其他需要精度的重复任务。今天，新一代的机器人既可以处理精致材料，也可以使用人工智能（AI/ML）学习、适应，甚至在问题出现之前预测。

GlobalFoundries自动化高级工程师阿德里安·普劳夫（Adrien Plouffe）说：“最先进的半导体制造设施从一开始就集成了自动化。自主和半自主机器人能够为现有设施注入新的生命，并显著延长它们的使用寿命。物流、工具检查、设施过程控制和生命安全只是这些机器人显示出令人难以置信的前景的一部分。”

机器人技术现在被设计成能够在高度动态的环境中自动操作，在工作过程中做出实时决策和调整。这种能力在半导体晶圆厂中尤其重要，在晶圆制造过程中，即使是工艺条件的微小变化也会对产量和质量产生负面影响。

韩国Amkor科技公司高级总监兼自动化工程部经理尹博士说：“由于半导体工厂的机器人处理贵重的材料，它们的传感器、视觉系统和驱动马达必须非常精确，需要一直到亚毫米级。机动性也至关重要，需要足够的速度、稳定性和经济的能源消耗。”

随着半导体制造的不断发展，对能够完成类人任务的多功能机器人的需求正在增长。当前这一代的机器人擅长于特定的、重复的任务，但下一个趋势是开发多功能机器人应用，可以适应工厂内的各种角色。这些机器人被设计成与人类一起工作，通过接管对人类工人来说太危险或太单调的任务来提高生产力和安全性。

Lam研究公司首席执行官蒂姆·阿彻（Tim Archer）在最近的一次电话会议上表示：“最近，我们的客户支持将行业第一个协作维护机器人，或cobot，投入了客户的生产工厂。Cobots机器人应用以精确度和可靠性帮助执行了复杂的维护任务，从而提高了对工具的性能匹配和更高的设备可用性。此外，我们相信随着半导体制造业的扩张和更加区域化，协同机器人作为一种新的装备，可以在解决预期的熟练劳动力短缺方面发挥重要作用。”

这种机器人技术向多功能发展是由在制造过程中需要更大的灵活性来驱动。随着半导体晶圆厂变得越来越复杂，不需要大量重新编程或设备更改的情况下快速适应不同任务的能力正变得越来越有价值。配备了先进传感器、人工智能和机器学习能力的机器人应用处于这一转变的前沿，使它们能够执行多项任务，并以具有一定程度的自主性进行操作，从而减少了对人类的工作量。

C-Hawk科技公司的首席运营官Peri Kasthuri说：“我们正处于一个重大转型的时期。更快计算、实时解释数据以及在机器层面做出更好决策的能力正在推动机器人技术的发展。随着机器人技术的发展，对能够处理多种任务并适应工厂内各种角色机器人应用的需求只会增加。”

解决制造方面的挑战

半导体制造中的机器人技术不仅仅涉及更快或更准确地执行任务。机器人应用还可以用来解决该行业中一些最紧迫的挑战。例如，它们在提高半导体制造过程的效率和可靠性方面发挥着关键作用。

Kuka 机器人公司半导体业务发展经理克里斯蒂安·费尔克尔（Christian Felkel）说：“在空间有限的传统晶圆厂，我们看到了自主移动机器人技术的巨大潜力。这使得AMRs 成为机器人应用自动化的关键解决方案。”

图2：自主移动机器人（AMR）。资料来源：Kuka

机器人的设计和外形因素是在半导体制造中成功部署的关键。随着机器人应用从固定单元发展到能够导航的复杂移动平台，它们的设计必须解决这些环境的独特限制。这不仅包括机器人的物理尺寸，还包括它们与现有基础设施无缝交互的能力。

“在半导体制造中，设计和施工对于自动化解决方案的应用至关重要，”Amkor的Yun解释说。“必须考虑诸如厂房天花板高度、专用机器人运输电梯、垂直传输系统（VTS）等因素，确保机器人应用能够在工厂内有效运行。”

在实现需要自由移动和在设施的不同区域执行任务的移动机器人时，这些环境方面的考虑尤为重要。波士顿动力公司的机器人，名为Spot，是一个紧凑设计很好的例子，能满足半导体晶圆厂的具体需求。

达席尔瓦（da Silva）说：“像Spot这样的机器人应用设计专注于多功能性和适应性，使它们能够执行广泛的任务，从视觉检查到监测热条件。这些机器人被用于监测热条件，读取模拟仪表，检测空气泄漏，并提供关键的见解，帮助维护设施操作和跟踪性能指标。”

这种机器人应用设计上的适应性至关重要，因为晶圆厂变得更加复杂，需要机器人能够狭窄的空间导航，处理精致的材料，并集成到现有的机器人应用工作流程中，而无需对环境进行重大修改。

要实现完全自主机器人，它们必须具有与人类类似的特殊处理和躲避能力，这要求机器人应用不仅要高度准确地感知自己的环境，还要根据这种感知做出实时决策。

人工智能/机器学习（AI/ML）和机器人融合

人工智能/机器学习和机器人技术的融合正在推动机器人应用感知和认知能力的重大进步，使它们能够以更大的自主性执行更复杂、更多样的任务。这种集成允许机器人应用从他们的经验中学习，适应新的情况，甚至在潜在的问题出现之前预测它们。

“就自动检验而言，海量数据从来都不是问题，” GlobalFoundries的员工说。“如今的机器人有能力来监视设备，这已被证明是当前经济的一个重大挑战。”

在这种融合中，最有希望的发展之一是机器人应用可以直接连接到fab的制造执行系统（MES）。这些机器人可以接收有关生产过程的实时数据，使它们能够不等待人工干预即可立即进行调整。这种能力大大减少了解决问题所需的时间，提高了整体设备的效率。

“自动检查是移动机器人技术的另一个令人难以思议的应用，”普劳夫（Plouffe）补充道。“内置传感器的空间有限，如果用一个传感器进入设备，代替许多传感器来监控，可以大大降低成本。”

这种集成允许在不等待人工干预的情况下立即进行调整，从而提高机器的正常运行时间并减少延迟。当机器偏离其最佳参数时，互联机器人应用可以自动进行必要的调整，从而不需要人工操作人员来诊断问题。这节省了时间，并显著降低了错误的风险。

“在我们推动零缺陷的过程中，机器人应用自动化不仅仅是为了效率。是为了确保我们的生产过程中的每一步都达到最高标准，”Brewer Science.公司的制造和物流执行董事迈克·马修斯说。“通过减少人为因素，我们可以专注于一致性和精确度，这对于满足客户严格的质量要求至关重要。”

人工智能/机器学习在机器人技术中的应用并不局限于实时调整。这些机器人技术还可以实现预测维护，机器人可以在故障发生之前预测故障。通过持续监测机器的状况，配备了AI/ML的机器人可以提醒人类操作员注意潜在的问题，通过提前维护，防止停机。这种能力在半导体晶圆厂中特别有价值，因为意外设备故障的成本可能很高。

“预测性维护改变了我们行业的游戏规则，”Amkor的Yun补充道。“通过使用人工智能/机器学习实时监测设备状况，我们可以在问题导致停机之前解决问题，确保我们的操作顺利和高效地运行。”

随着AI/ML 和机器人技术继续共同发展，它们对半导体制造的影响只会不断增长。机器人学习、适应和自主管理复杂过程的能力正在为下一代半导体工厂自动化和智能设施奠定基础。

UMC的Chang说：“我们致力于迈向全自动机器人应用，正在从自动工厂发展到智能工厂，最终目标是一个全自动工厂。这一策略确保了我们不断集成先进的机器人技术和自动化技术，提高我们的生产能力和效率。例如，我们已经在我们的Fab 12A中使用自主移动机器人（AMR）进行检查，并取得了成功，我们打算在我们的晶圆厂内部署AMR巡查。”

劳动力影响

半导体制造业中最紧迫的问题之一是持续的劳动力短缺。通过接管重复的和需要体力劳动的任务，机器人技术可以解放工人，专注于更有战略性和增值性的活动，从而提高整体生产力。这种机器人应用方法优化了人力资源的使用，同时确保关键的制造过程的持续性。

图3： e-Atlas仿人机器人。来源：Boston Dynamics

人类和机器人之间的这种合作不仅仅是为了取代体力劳动。这是关于创造一种协同关系，让双方都能发挥最好的作用。辅助机器人应用在这方面特别值得注意。这些机器人被设计成与人类安全工作，处理需要精确和重复性的任务。

在SEMICON West展，Teradyne Robotics机器人公司战略产品和解决方案总监阿斯克·巴赫·拉森（Aske Bach Lassen）解释说：“机器人技术不仅必须精确地执行任务，还必须与现有的制造系统无缝集成，确保它们补充而不是扰乱人类劳动力。我们的重点一直是构建能够适应半导体制造的动态特性的系统，确保每项任务都以最高水平的精度执行。”

在半导体制造中使用机器人技术也显著降低了与危险任务相关的风险，如在高风险环境中的化学处理和维护。这些任务往往使工人暴露在危险物质中，并增加了污染的可能性，这两种物质都可以通过自主机器人或辅助机器人应用更有效地进行管理。例如，配备了先进传感器和人工智能能力的机器人应用可以精确地执行化学运输和监测等任务，从而将事故和暴露的风险降至最低。

马修斯（Mathews）补充道：“我们对零缺陷的关注确实促使我们在生产过程中让人为因素最小化。自动化对于实现这一目标至关重要，它可以确保我们整个化学处理和生产业务的一致性和精确性。”

在像半导体晶圆厂这样的环境中，保持一个清洁和受控制的环境是至关重要的，使用机器人技术可以帮助尽量减少人类与敏感材料的接触，从而减少污染的可能性。机器人应用可以在严格的洁净室中进行操作，保持制造过程所需的一致性和精度。

Kuka的Felkel说：“在人为失误或污染可能性严重的情况下部署机器人有明显的好处。机器人技术提供了一种精度和可靠性的水平，这对保持半导体生产的质量和一致性至关重要。”

虽然机器人技术取代人类工人的想法是一个有争议的话题，但现实是，机器人应用更有可能与人类一起工作，而不是取代他们。这一转变为工人们发展机器人管理、人工智能和其他新兴技术方面的技能提供了新的机会。

C-Howks说：“整个工厂的机器人应用普及取决于容量，特别是半导体领域。只要我们能够利用资金，并提供定制解决方案所需的资源，人类和机器人的共存就是未来。”

实施过程的挑战

这种协作环境中的关键挑战之一是需要具有高级处理能力的机器人应用。机器人必须能够在有限的空间中操作，并对其环境中的意外变化做出反应，如工艺条件的变化或工人的存在。虽然今天的机器人在执行预定义的任务方面非常有效，但仍然需要提高它们处理异常和半导体晶圆厂复杂任务的能力。

在 SEMICON West展览中，Samsung Austin 半导体的工程师乔尔·华纳（Joel Warner）强调了目前机器人灵活性的局限性，特别是与人类操作员相比。我们已经看到了动态运动的进步，但将O形环放进工具或拧入螺丝等任务所需的精细、灵巧的动作仍然是一个重大挑战。

华纳（Warner）解释说，人类的手有23个自由度，可以进行各种精确运动，并能够高度灵巧地操纵物体。相比之下，目前大多数机械手的自由度更少，这限制了它们以与人类机械手相同的精度和灵活性执行复杂任务的能力。他强调，扩大机器人手的自由度是需要克服的最后一个主要障碍之一，使机器人在需要精细操作的任务中更有效，特别是在精度至关重要的半导体制造中。

布鲁尔科学（Brewer Science）公司的工程经理马特·里奇（ Matt Rich）说：“随着材料和工艺变得越来越复杂，我们面临的挑战正在演变。我们现在管理的系统控制点要多得多，任何小的偏差都可能影响整个过程。”

机器人技术在半导体制造中的实际应用也受到诸如电池寿命、成本和定制需求等因素的严重影响。最重要的考虑因素之一是实施机器人系统所需的高初始投资。这包括机器人的成本，以及将它们集成到现有的制造过程中、培训人员和持续维护的费用。

Kuka的Felkel说：“机器人必须具有成本效益和可靠性，特别是在一个利润紧张、风险很高的行业。挑战在于平衡前期成本和机器人可以带来的效率、精度和减少劳动力依赖性方面的长期利益。”

实现这些目标的一个主要障碍是缺乏具有将机器人无缝集成到现有半导体制造环境中所需的专业系统集成商。这一问题往往导致执行阶段的延误和成本增加。Felkel补充说：“我们面临的最大挑战是缺乏同时了解移动机器人和半导体制造的经验丰富的系统集成商。如果没有正确的专业知识，集成过程可能会成为一个瓶颈，使得机器人解决方案的部署推迟，并影响整体生产力。”

电池寿命是影响在半导体晶圆厂中部署机器人的实用性的另一个关键因素。机器人必须能够长时间不中断，特别是在运行时间至关重要的环境中。这需要电池技术和电源管理系统的进步，确保机器人能够满足半导体制造的苛刻需求，而不需要频繁地充电或停机。

C-Hawk的Kasthuri说：“半导体工厂中机器人的投资回报率并不总是短期的，但长期利益可能是巨大的。随着电池技术的进步和机器人变得更加自主，其实施的经济理由也变得更加充分。”

定制也是一个关键的考虑因素，因为每个半导体工厂都有独特的要求和限制。现成的机器人解决方案可能无法无缝地适应现有的操作，需要进行一定程度的定制，确保最佳性能。这可能会增加实现的总体成本和复杂性，但通常对于实现预期的结果是必要的。

波士顿动力公司的达席尔瓦（da Silva）补充道：“目前机器人定制和适应性的限制是重大障碍。然而，随着技术的发展，我们希望看到更灵活的解决方案，可以进行定制，满足半导体制造商的具体需求。”

该行业必须专注于克服这些障碍，确保未来全自动晶圆厂的高效运行。华纳说：“我们不会从一夜之间变成全自动的晶圆厂。这将会有一个相互协作的过程，随着技术的发展，它们会逐渐承担更复杂的任务。”

全自动自主机器人的趋势

机器人技术在半导体制造中的未来与行业投资，以及旨在提高自动化水平的全球举措密切相关。《美国芯片法案》和世界范围内的类似项目正在推动重大投资，包括采用先进的机器人技术和自动化技术。这种提高自动化程度的推动预计将加速晶圆厂中机器人的开发和部署，解决劳动力短缺问题，提高效率，并提高行业的整体竞争力。

Kasthuri说：“机器人技术和自动化不仅仅是为了降低成本。他们是为了建立一个更有弹性、更灵活和更具有竞争力的行业。半导体制造的未来将取决于我们如何整合这些技术，创造出更智能的自我学习和更高效的生产环境。”

向全自动半导体晶圆厂的发展是一个复杂的过程，需要在技术和基础设施方面的重大进步。全自动晶圆厂的潜力取决于具有先进移动性和多功能机器人的发展，这些机器人能够在半导体制造的高度专业化的环境中执行操作，并且能够处理数据和独立行动，实时响应生产环境的需求。

“最大的挑战是跨系统的集成，”普劳夫（Plouffe）说。“移动机器人在其软件参数范围内工作得很好，但试图向工业系统发送/接收命令或通知，需要一些独特的解决方案来实现最终目标。”

机器人技术和环境方面的挑战是巨大的，诸如布局限制、厂房天花板高度和需要专用的机器人运输系统等问题。机器人必须能够在有限和复杂的空间中高度精确和自主地操作。这不仅需要先进的机器人技术，还需要重新考虑工厂的布局和建筑条件等。

安全问题也需要得到解决。被潜在黑客抢去知识产权的风险是所有半导体制造商最关心的问题。黑客在一个数十亿美元的设施中控制协同机器人或自主机器人的风险，令人担忧。

“安全是一个主要问题，也是我们需要克服的最大挑战之一。由于我们的目标是使系统更可互操作，不仅在有限的空间，而且与外部世界，我们不可避免地开辟新的交流渠道。”这增加了被攻击的可能性。不幸的是，有人对利用这些漏洞非常感兴趣。我们拥有的系统越紧密，这些攻击的动机就越大。

除了技术障碍之外，人们越来越需要培训和教育，为下一代工厂工人做好准备。职业学校和社区大学将在为工人配备与这些先进的机器人系统一起工作的必要技能方面发挥至关重要的作用。标准化的工作条件和材料，以及对安全和效率的关注，将对确保顺利向自主晶圆厂过渡至关重要。

“为半导体制造业的未来准备劳动力与发展技术本身一样重要，”卡瑟里（ Kasthuri）补充说。“我们需要确保工人们不仅对这些新系统感到满意，而且能够在一个协作/共存的环境中最大限度地发挥他们的潜力。”

结论

随着先进的机器人技术和自动化技术的集成，半导体制造的未来将发生变化。随着我们越来越接近全自动晶圆厂的实现，其在效率、精度和可靠性方面的潜在好处太重要了，不容忽视。然而，这种转变将需要技术开发人员、工厂运营商和教育机构之间的仔细规划、投资和协作。

费尔克尔（Felkel）说：“通往全自动晶圆厂的道路充满挑战。但随着持续的投资和创新，我们正处于半导体制造业新时代的前沿。”

随着机器人技术和人工智能/机器学习（AI/ML ）的不断发展，它们在半导体晶圆厂中的作用将会扩大，使自动化和操作效率达到新的水平。这些技术的逐步整合，在强有力的培训和教育项目的支持下，将确保半导体行业保持在技术进步的前沿，准备好迎接未来的挑战和机遇。