Gian máy sản xuất (bay) và hệ thống tủ lưu trữ (stocker)

trong một nhà máy sản xuất thiết bị bán dẫn (fab), thiết bị bán dẫn được sản xuất (fabricate) qua nhiều bước quy trình, thực hiện trong nhiều tháng

nhà máy (fab) có hàng nghìn thiết bị, thường chia ra những khu vực xử lý (processing zone) như: in thạch bản, cấy ion...

Bụi bẩn, tế bào da chết
trong mỗi khu vực xử lý, lại có những hàng/cụm thiết bị, gọi là "gian máy sản xuất" (bay)
ở một số nhà máy (fab) lớn, những gian máy (bay) có thể được gộp vào những "trạm sản xuất tự động" (cell)
wafer được vận chuyển giữa các công cụ trong cùng một gian máy (bay) được gọi là "nội bộ một gian máy" (intrabay)
wafer được vận chuyển giữa những gian máy (bay) khác nhau được gọi là "giữa các gian máy" (interbay)
bên cạnh các công cụ, mỗi gian máy (bay) cũng có những hệ thống tủ lưu trữ (stocker) dung lượng 150-250 hộp wafer

stocker đã thay thế "giá đỡ mở" (open rack) để theo dõi wafer bán-thành-phẩm (work-in-progress)
stocker cũng đóng vai trò "chỗ chứa tạm" (buffer) chống "tràn" (overflow)
cuối thập niên 1990 một wafer 200-milimet trong một node quy trình 400-bước có thể di chuyển 13-16 km cho qua 250 công cụ ở bên trong một nhà máy bán dẫn (fab)
ngày nay, node quy trình tiên tiến (leading edge node) đã có hơn 1000 bước
"khu vực xử lý" và "gian máy sản xuất" được thiết kế để phù hợp với đặc điểm của quy trình sản xuất: ví dụ những vấn đề nhiễm chéo hóa chất (comtamination)
trong quá trình sản xuất wafer, một wafer nhiều lần trải qua cùng một quy trình: ví dụ ở node quy trình 45-nanomet, một wafer được in thạch bản 12 lần... cho nên wafer nhiều lần được cho qua cùng một gian máy sản xuất

Interbay
ở những fab thế hệ cũ hoặc fab quy mô nhỏ (wafer 150 milimet tức 6 inch), hộp chứa wafer chuyên dụng FOUP (front opening unified pod) có thể được đặt trên xe đẩy (cart) cho người đẩy đi giữa các gian máy... khá rủi ro vì giá trị wafer trong FOUP bấy giờ đã lên đến 100 000 USD

thập niên 1980 xuất hiện hệ thống vận chuyển vật tư tự động AMHS (automated material handling system) đầu tiên chỉ là những xe tự hành AGV (automated guided vehicle) được điều hướng nhờ có gắn camera góc nhìn từ-trên-xuống hoặc vạch sơn kẻ sẵn dưới sàn (tape on the floor)

xe tự hành AGV là "giữa các gian máy", sẽ lấy 4-5 FOUP chứa wafer dở-dang từ "hệ thống tủ lưu trữ" của một gian máy và vận chuyển đến một gian máy khác
ở các gian máy, kỹ thuật viên sẽ lấy wafer ra khỏi stocker để cho vào công cụ
AGV được thiết lập tốc độ tối đa 30 cm/giây kèm tính năng tự động giảm tốc và dừng an toàn

Xe tự hành trên ray RGV
bấy giờ, phòng sạch wafer 200-milimet mất chi phí xây dựng 3770-7535 USD mỗi mét vuông
ngày nay, phòng sạch tiêu chuẩn ISO Class 4 và ISO Class 3 cho một nhà máy bán dẫn (fab) tiên tiến (leading edge) mất chi phí xây dựng 26922-80162 USD mỗi mét vuông
năm 1988 nhà máy bán dẫn (fab) phổ biến AMHS (automated material handling system) có xe-chuyên-chở chạy trên đường ray treo-trên-trần-nhà OHT (overhead hoist transport) giữa các gian máy

năm 2007-2008 doanh nghiệp PRI Automation (Precision Robotics Incorporated), thành lập thập niên 1980 ở Hoa Kỳ, trình làng AeroTrak phục vụ wafer 300-milimet nặng hơn
sau khi một công cụ đã xong một lô wafer, kỹ thuật viên sẽ mất 30-90 giây lấy lô wafer ấy ra và cho vào stocker

Intrabay
một nhà máy bán dẫn (fab) có rất nhiều công cụ, và được cài đặt một âm thanh thúc giục các kỹ thuật viên "nạp" lô wafer mới vào nếu công cụ đang để trống, và AMHS nội bộ một gian máy sản xuất (intrabay) sẽ khắc phục "nút nghẽn cổ chai" này
khác với AMHS giữa các gian máy (interbay), một AMHS nội bộ một gian máy (intrabay) phải biết được tình trạng hoạt động của công cụ (đang chạy, đang trống, hỏng hóc) và có khả năng "kết nối" (interface) với công cụ
mới đầu AMHS nội bộ một gian máy cũng giống AMHS giữa các gian máy, là AGV và xe đẩy trên đường ray

thời kỳ wafer 200-milimet không có nhiểu tự động hóa
ví dụ, một lô ưu tiên (hot lot) là một lô wafer được khách hàng săn đón nên sẽ được làm nhanh nhất có thể, thậm chí có những lô siêu ưu tiên (super hot lot) tập trung mọi công cụ và kỹ thuật viên ở nhà máy

Wafer đường kính 300 milimet
cuối thập niên 1990 wafer 300-milimet thay thế wafer đường kính 200 milimet để tăng lợi thế quy mô, hệ thống chuyên chở FOUP trở thành "kinh tế học thiết bị" (tool economic); công cụ đắt đỏ đến nỗi không còn khả thi kinh tế nữa, trừ khi liên tục chạy

giữa thập niên 1990 SEMATECH nghiên cứu thấy rằng công cụ ở những nhà máy bán dẫn (fab) cũ lãng phí 15-20% thời gian chờ FOUP
wafer 300-milimet cũng to gấp 2.25 lần wafer 200-milimet cũ
trung bình FOUP chứa 25 wafer 300-milimet, nếu full tải FOUP nặng 9 kg là đã nặng hơn "khối lượng nâng tối đa có thể chấp nhận" MAWL (maximum acceptable weight of lift) cho nhân viên fab có thể nâng FOUP nhiều lần trong mỗi 8 giờ làm, mà không gây chấn thương
khảo sát công nhân fab 200-milimet ở Đài Loan cho thấy 40-60% phàn nàn nhức mỏi vai gáy, 30-50% phàn nàn đau lưng... vì nâng FOUP suốt ngày

không chỉ nặng gấp đôi 200-milimet, wafer 300-milimet đắt hơn cũng làm tăng lưu lượng vận chuyển: hơn 300 lượng luân chuyển wafer mỗi giờ ở những gian máy sản xuất tần-suất-vận-chuyển-dày so với con số 125-175 lượng luân chuyển 200-milimet cũ

Đường ray treo-trên-trần-nhà
OHT (overhead hoist transport) hạ xuống một pa-lăng (hoist) để lấy hoặc thả FOUP từ/xuống công cụ, và có thể di chuyển ở tốc độ 60 mét/phút
hợp tác với các nhà cung cấp công cụ, tất cả công cụ đều có một giao diện front-end nhận FOUP, mở FOUP trong một tiểu-môi-trường sạch, rồi bắt đầu quản lý xếp hàng (queue) wafer bên trong công cụ
hiệp hội công nghiệp vi mạch và điện tử SEMI (semiconductor equipment & materials international) đã trình bày những tiêu chuẩn phổ biến, định nghĩa cách thức các cổng nạp (load port) của các công cụ được cài đặt (configure) và những ánh sáng tín hiệu giữa phương tiện vận chuyển và công cụ

nhà máy bán dẫn Fab 12 của TSMC ở Tân Trúc chạy node quy trình 150 nanomet, sau đó nâng cấp lên 130 nanomet, có 2000 phương tiện vận chuyển FOUP chạy trên đường ray treo-trên-trần-nhà với lưu lượng hằng ngày 60 vạn chuyến
một hệ thống interbay kết hợp intrabay đường ray treo-trên-trần-nhà hoàn chỉnh sẽ tốn kém 50-100 triệu USD và 2 năm lắp đặt

Phương tiện điều phối (dispatch)
gian máy (bay) thường có 1 đường ray (rail loop), chỉ cần 1 phương tiện trì hoãn việc lấy và thả FOUP cũng có thể làm chậm tất cả các chuyến FOUP khác... chưa kể đến "tắc nghẽn" (deadlock), công cụ hỏng...

rồi dự tính những trường hợp đặc biệt như "lô wafer ưu tiên" (hot lot) hoặc "làm lại" (rework)
kỹ thuật viên nhà máy fab thường chạy những trình mô phỏng để tối ưu một số mục tiêu: thời gian giao wafer trung bình (average delivery time), tỷ lệ đáp ứng hạn giao DDSR (due date satisfaction rate), thời gian chu kỳ (cycle time), thông lượng tuyệt đối (sheer throughput)

Daifuku
năm 1937 Daifuku thành lập là doanh nghiệp máy rèn (forge) cho ngành thép
ngày nay Daifuku đã mở rộng sang cần cẩu (crane) và tàu nâng hạ (hoist ship)
giữa thập niên 1940 Daifuku có tên Kanematsu Kiko Company trực thuộc công ty thương mại Kanematsu

sau chiến tranh, Kanematsu Kiko Company đổi tên làm Daifuku, có thể để tránh những chính sách giải thể các zaibatsu của tướng Douglas MacArthur
cái tên Daifuku lấy 2 ký tự Kanji đầu tiên của tên 2 thành phố Osaka và Fukuchiyama, nơi đặt nhà máy, ghép thành
cuối thập niên 1940 đầu 1950 Daifuku sản xuất máy cán hạt (grain crusher), máy nạo đá (ice shaver), ghế ngồi cho rạp chiếu phim
năm 1919 chủ tịch Kenjiro Masuda ký hợp đồng đối tác cấp phép với doanh nghiệp Jervis B. Webb của kỹ sư Jervis Bennett Webb sản xuất băng-tải xích không-chốt (rivetless chain conveyor) cho Ford Motor
năm 1959 Daifuku cung cấp cho nhà máy Motomachi của hãng Toyota một hệ thống băng-tải xích
năm 2007 Daifuku mua lại Jervis B. Webb

Murata
giữa thập niên 1980 Daifuku sản xuất stocker và những "tàu con thoi" Cleanway (ảnh dưới) vận chuyển wafer

thời kỳ 200-milimet wafer, Daifuku gặp đối thủ cạnh tranh Murata Machinery (Muratec) là một công ty Nhật Bản sản xuất máy dệt và máy tiện, trong khi PRI Automation sở hữu một số bằng sáng chế 200-milimet
khi ngành bán dẫn chuyển từ 200-milimet sang wafer đường kính 300 milimet, PRI không đủ tiền nghiên cứu phát triển cho hệ thống đường ray treo-trên-trần-nhà Aeroloader, sau đó Brooks Automation mua lại PRI Automation với giá nửa tỷ USD
sau đó Brooks Automation thoái lui khỏi mảng đường-ray-treo-trên-trần-nhà và bán đi những bằng sáng chế
ngày nay Intel và TSMC tiếp tục thí nghiệm: những quy luật làm đường (routing rule), thuật toán, tình huống điều phối (dispatch)... để cắt ngắn thời gian chu kỳ (cycle time)