在半导体制造中，晶圆厂处于前道，生产规模大，对生产效率、精度和稳定性的要求极高。近年来，空中走行式天车系统（OHT）已逐渐成为现代晶圆制造厂的标配。本文对晶圆厂的物流升级需求、OHT软硬件系统构成及主要功能、物流系统项目落地难点与要点，以及核心技术创新发展趋势进行了详细分析。

晶圆制造厂物流升级需求分析

芯片是集成电路经过一系列复杂工艺后形成的最终的、可使用的产品。晶圆厂是芯片制造过程的起点，处于前道。

芯片制造是一个极其复杂、耗时且资本密集的过程，整个流程涉及数百甚至上千个步骤，需在高度洁净的无尘室中进行，主要由光刻、蚀刻、扩散及薄膜环节组成，目标是在硅晶圆上构建出晶体管、电容、电阻等基本元器件。通常需要循环（光刻、蚀刻、沉积等）重复数十次，以构建出复杂的多层电路结构。整个前道工艺的周期时间，通常长达数周甚至数月。

晶圆

芯片的制造过程，像是通过一层层夯土、雕刻、填充等方式进行微观高楼大厦的建设，需要在硅片这个“地基”上按照需求分层建设，每一层的“建设”过程中还需要根据需求布置不同功能。通常主要分为“物理层”与“功能层”建设。

在“物理层”建设方面，首先在“硅片”这个地基上通过薄膜长一层新的楼层，再通过光刻设备铺上一层空白图纸（光刻胶），再通过曝光、显影把掩模版上的空间布置图印上去，最后通过刻蚀按照布置图把空间挖出来。

在“功能层”建设方面，与物理层相似，通过“扩散－光刻－注入”，按照光刻的图形分区域注入相应的“功能属性”。

“物理层”与“功能层”的往复实施，才最终铸就为芯片，即便是只有“一层”建筑，其制造过程也是比较复杂的。以CMOS（互补金属氧化物半导体）的漏极工程进行说明，看似简单的“一层”建筑，在实际生产过程中需要经过多工艺间的加工，包括清洗、二氧化硅沉积、氮化硅沉积、刻蚀、N+型光刻（铺胶、曝光、显影、去胶）、N+型离子注入、回火、P+型光刻（铺胶、曝光、显影、去胶）、P+型离子注入和快速退火。而CMOS的一般整体制造过程非常复杂，需要数百步的来回加工，对物料传送的需求很高。

近年来，随着晶圆制造工艺向更高制程（如14nm以下节点）和更大尺寸（12英寸成为主流）演进，晶圆厂对自动化物料搬运系统（Automated Material Handling System，AMHS）的需求大幅上升。AMHS最核心的部分——空中走行式天车系统（Overhead Hoist Transport, OHT）已成为现代晶圆制造厂的标配。其核心原因在于OHT通过空间效率、良率保障、生产稳定性及智能化协助四大维度，解决了大尺寸晶圆制造的关键瓶颈。以下结合产业的需求展开分析。

新施诺半导体行业物流解决方案

1.晶圆大型化与工艺复杂促使物流升级

相比于中小尺寸晶圆制造厂（如6英寸、8英寸），12英寸晶圆制造厂具备显著的生产效率优势、长期成本效益以及对先进制程的技术适配性，同时顺应了全球半导体产业向高性能计算和AI驱动的升级需求，已成为主流趋势。大尺寸晶圆对搬运系统也带来物理约束，如12英寸晶圆盒（FOUP）满载时重量达8～15kg，晶圆直径增大导致受应力形变风险加剧，人工搬运不仅效率低且易造成晶圆损坏，以上已成为影响晶圆制造厂的生产效率及良率的重要因素。同时，工艺复杂度加大了搬运强度，以12 英寸先进晶圆制造厂台积电为例，其一片晶圆需要在数百台设备间流转，经历上千道工序，单次生产周期中晶圆传输里程超过20公里，而整厂OHT轨道总长超过50公里，每日需要完成超过50万次运输任务，其复杂性堪比都市交通系统，远超传统制造业的物流强度。因此，晶圆制造厂的物料传送系统是整个工厂的核心之一。

2.晶圆制造厂建设成本与生产成本促使物流升级

12英寸晶圆制造厂的建设成本及运维成本极高。根据晶圆产品制程先进性的不同，通常初期建设资本就达百亿元甚至超过千亿元（如3nm晶圆厂），且每年运维成本也高达数十亿元（原料费、动力费、人力费、设备折旧费等）。如此高昂的成本压力，促使晶圆制造厂必须在物流系统上实现高效升级，以降低整体运营成本。物流系统的升级不仅可以提高传输效率，还可以减少晶圆在传输过程中的损耗，从而提高生产良率。因此，自动物料传送系统（特别是高效的OHT）成为晶圆制造厂不可或缺的关键技术之一，直接关系到工厂的盈利能力与竞争力。

3.晶圆制造厂洁净度与稳定性要求促使物流升级

晶圆制造对洁净度要求极高，通常12英寸晶圆制造厂的洁净室等级要达到Class100（每立方英尺≥0.5μm微粒数≤100个）或更高。人工搬运易引入微粒污染源，这些微小的污染物可能导致晶圆上的电路短路或性能下降，从而影响最终产品的良率和稳定性。为此，晶圆制造厂的物流系统不仅需要高效、快速，还必须具备极高的洁净度保持能力，以确保晶圆在传输过程中不受污染。这进一步推动物流系统升级和创新，以适应晶圆制造的高标准需求。

晶圆制造厂生产的产品具有高价值属性（单批价值甚至超百万美元），其对物流传送的稳定性要求极高，任何微小的振动或失误都可能导致巨大经济损失。为确保晶圆在传送过程中的安全与稳定，物流系统必须采用先进的稳定控制技术和高精度的传送机构，以减少振动和误差。

此外，晶圆制造厂还要求物流系统具备24小时不间断的运行能力，以满足其连续生产的需求。这进一步增加了对物流系统稳定性和可靠性的要求。

晶圆制造厂整厂物流系统

4.晶圆制造厂的全自动化生产需求促使物流进行升级

随着科技进步和产业发展，同时为确保产品质量和生产效率进一步提升，全自动化已不再是12英寸晶圆厂的“可选项”，而是确保其生存与发展的“必需品”。全自动化生产在提高产能、稳定良率、降低单位成本、缩短产品上市周期等方面，展现出无与伦比的优势。

全自动化生产模式对物流系统提出全新的挑战与要求。在传统半自动化或人工辅助生产模式下，物流环节可能存在一定灵活性和容忍度；但在全自动化生产线上，任何物流环节的延迟或错误都可能直接导致整个生产线的停滞，造成巨大时间和资源浪费。因此，物流系统必须具备高度的智能化和自动化水平，能够与生产线无缝对接，实现精准、高效的物料搬运和传输。这要求物流系统不仅需要具备先进的传感器和执行机构，还需要集成先进的控制算法和调度系统，以实现物流过程的实时监控和智能调度。同时，为适应晶圆制造厂复杂多变的生产环境，物流系统还需要具备一定的自适应能力和可扩展性，以满足未来生产线升级和扩展的需求。自动化物料搬运系统（AMHS）与计算机集成制造系统（CIM）深度融合成为必然趋势，二者共同构建起现代12英寸晶圆厂高效运作的“神经网络”与“大脑”。

晶圆制造厂物流升级解决方案

针对晶圆制造厂在物流系统方面高洁净度、高稳定性、高效率传送、高复杂度、低振动以及全自动化系统对接的需求，OHT系统凭借其卓越的性能，将成为晶圆制造厂物流自动化方案的核心。下文将以新施诺OHT系统为例，从系统构成与系统核心优势两方面进行说明。

1. OHT系统构成详解

OHT系统是一个复杂的软硬件集成系统，主要由硬件系统和软件系统两大部分构成。

OHT天车

（1）硬件

硬件是实现物料自动化搬运的物理基础，主要包括以下4个部分：

①核心搬运单元：空中走行式天车（OHT Vehicle）

这是OHT系统的执行主体，也被称为天车。它沿着天花板下方的轨道行驶，通过内置的升降机构取放物料，其关键性能指标直接决定了整个AMHS的效率和稳定性。

新施诺OHT小车的技术规格已达到非常高的水准：

• 速度与加速度：直线最高速度可达5.3m/s，转弯最大速度可达1.0m/s，加速度、减速度分别可达2m/s²、3m/s²。

• 负载能力：标准负载能力为15kg（可定制最大负载50kg），可兼容标准的300mmFOUP、FOSB，200mmSMIF POD、CST，PLP600mm FOUP等载具。

• 定位精度：重复定位精度可达±1mm，确保与工艺设备端口（Load Port）的精准对接。

• 可靠性：平均无故障时间（MTBF）在2000小时以上，系统可用性（Uptime）高达99.999%。

• 洁净度：可在Class10的洁净环境中运行。

②轨道与供电系统（Track and Power Supply System）

轨道系统主要包括直线轨道、弯道、分歧（用于分流与合流）等。其供电方式采用先进的非接触式供电系统（CPS），通过感应耦合为OHT小车在行驶过程中持续供电，避免了传统电刷带来的磨损和粉尘污染。同时，为保证传送路径的稳定性，新施诺在供电部分采用独有的双重互备功能。

③存储与缓冲单元（Storage and Buffer Units）

• 洁净存储库（Stocker, STK）：用于物料的集中存储和管理。 洁净存储库

• 空中缓存（Overhead Buffer,OHB）：设置在轨道旁，用于临时存放物料，作为设备端口前的缓冲区，可以有效缓解交通拥堵，提升系统搬运效率。 空中缓存

• 近设备缓存（Near-Tool Buffer,NTB）：位于工艺设备附近的存储单元，提高工艺设备的吞吐能力。 人工取放站

④其他辅助设备

包括用于楼层间的高速传送塔（High-speed Tower，HT），连接不同系统的传送带（Conveyor），以及用于系统维护的专用设备（MTL）等 。

传送线

（2）软件

软件负责整个OHT系统的指挥、调度和监控，主要包含以下部分：

①物料控制系统（Material Control System, MCS）

作为AMHS的最上层级控制系统，MCS接收来自制造执行系统（MES）的搬运指令，管理整个厂区的物料（FOUP）位置信息和状态，并负责制定全局最优的物料流转策略，决定将搬运任务分配给哪个子系统。

②天车控制系统（OHT Controller, OHTC/OCS）

作为OHT系统的调度中心，OHTC接收来自MCS的搬运指令，并将其分解为具体的车辆任务。它的核心功能是车辆调度（Vehicle Dispatching）和路径规划（Route Planning），通过高效的算法为每个任务指派最合适的OHT小车，并规划出最优行驶路径，同时解决潜在的路径冲突问题。

③车辆控制系统（Vehicle Control System,VCS）

VCS是直接控制每一台OHT小车运行的底层系统，负责执行OHTC下发的具体指令，如前进、转弯、升降、抓取/释放物料等，并实时向OHTC反馈车辆的状态信息。

新施诺公司中的OHT系统示范线

2.OHT系统的核心优势

（1）生产效率与产能得到显著提升

OHT系统通过全天候不间断的自动化搬运，可极大减少物料（主要是晶圆载具FOUP）在各制程设备之间的传输与等待时间，有效提升设备利用率（OEE）和晶圆产出（WPH）。其高速、稳定的运行特性，可确保生产节拍的紧密衔接，是实现晶圆厂产能最大化的关键支撑 。

（2）产品良率与质量的可靠保障

OHT系统在空中轨道上运行，通过精密的控制，可以实现平稳、低振动的物料交接，最大限度减少颗粒物的产生和传播，保障晶圆在整个生产周期中的物理安全与洁净度，从而稳定并提升产品良率 。新施诺的OHT系统可以将运行过程中的振动控制在0.35G以下 。

（3）洁净室空间利用率最大化

OHT系统利用洁净室上层空间进行轨道铺设和物料运输，完全不占用宝贵的地面空间。这使得地面可以布局更多的核心工艺设备，从而在有限的洁净室面积内实现更高的产能密度 。

（4）高度的系统灵活性与可扩展性

OHT系统轨道布局灵活，可根据工厂的工艺流程进行定制化设计，并具备良好的可扩展性。当工厂需要扩充产能或调整产线布局时，可以相对容易地对OHT轨道网络进行延伸和改造，以适应不断变化的生产需求 。系统接口采用标准化设计且开放集成工厂数字化管理。

晶圆制造厂的物流系统落地难点及要点

晶圆制造厂物流系统并非单纯完成物料搬运作业，而是一个融合自动化硬件、软件控制和智能决策的高度复杂的综合体系。该体系通常由自动化物料搬运系统（AMHS）和计算机集成制造（CIM）系统等多个模块深度整合而成。其实施是一项投资庞大、技术繁杂、周期漫长的系统性项目，面临着技术与管理规划的严峻考验。

晶圆制造厂物流系统涉及多个系统（如MES、AMHS、设备、工艺系统等），实际落地实施时仍存在不同厂商、不同版本的兼容问题。新施诺天车系统接口标准与协议遵循半导体行业SEMI标准，运用相关成熟技术，同时采用模块化设计，便于系统拓展和维护，在系统上线前进行充分测试和验证，确保系统稳定、可靠。

晶圆制造厂对物流系统稳定性、可靠性的要求极高，任何系统故障都可能致使生产中断，影响极大。新施诺天车系统不仅重视技术的先进性，更着重强调系统的稳定性和可靠性。通过采用冗余设计、故障预警与自动恢复机制等技术手段，确保系统在高负荷、长时间运转下仍能保持稳定，为晶圆制造厂的连续生产提供坚实支撑。

在晶圆制造过程中，生产环境需保持极高的洁净度，以防止尘埃粒子对晶圆造成污染，影响产品质量。同时，振动控制也是必不可少的，以避免机械振动对晶圆造成损伤。为满足这些极端物理环境的要求，新施诺天车系统关键材料选用极低发尘量的洁净室标准材料，并对关键部件进行严格测试和验证，以确保其在高洁净度环境中仍能保持稳定、可靠。针对低振动的要求，新施诺通过采用高速低振运动控制算法、规范性的轨道标准安装调试方式及夹具机械缓冲架构实现，并通过专业的振动检测仪器测量确认满足≤0.35G的要求。

晶圆厂每日数十万次的高强度复杂物流搬运，对调度系统的能力也提出极高要求。调度系统需要具备强大的数据处理与决策能力，以应对如此高频次的物料搬运需求。它必须能够实时监控晶圆在各个生产环节的流动状况，精准预测并调度搬运任务，确保晶圆能够高效、精准地送达指定位置。此外，调度系统还要具备高度的灵活性与可扩展性，以应对晶圆制造厂未来可能的生产规模扩大与工艺升级。新施诺天车系统在物理建设开始前，利用数字孪生技术构建虚拟晶圆厂模型进行全面模拟，通过模拟完成整厂布局优化和调度算法的验证。模拟不同AMHS布局（如轨道走向、存储位置等）对物流效率的影响，在设计阶段发现并解决潜在的交通拥堵问题。同时模拟规划应具备前瞻性，充分考虑未来产能扩充和技术升级需求，采用模块化和可拓展的设计方案。

鉴于晶圆制造行业对时效性的严格要求，以及天车系统单轨运行的特殊性，天车系统必须在极短时间内完成物料搬运任务，并且具备迅速修复紧急故障的能力。天车系统的稳定运行对于整个晶圆制造流程至关重要，任何微小的故障都可能导致生产线的停滞。因此，必须制定详尽的基础维护保养和异常处理的标准作业流程，以确保操作人员能够迅速响应并解决潜在的问题。此外，对操作人员进行这些流程的熟练培训至关重要，以便在紧急情况下能够迅速采取行动，最大限度减少生产中断的时间。同时，建立定期的系统性能评估机制，通过数据分析预测潜在的故障，并及时采取措施预防系统停机。这些综合措施将共同确保天车系统的高效和稳定运行，满足晶圆制造行业对物流时效性和稳定性的严格要求。

晶圆制造厂的物流系统核心技术创新发展趋势

在晶圆制造面临更高产能和更复杂工艺的发展趋势下，未来物流系统的效率与可靠性将迎来更大挑战。为提升整体运行水平，行业正加速推进智能化与传输效率升级，如：人工智能赋予系统自主优化与预测性运维能力；数字孪生提供全流程可视化与决策支撑；四向智能轨道车与网格化布局实现灵活搬运与高效调度。这些核心技术正在重塑晶圆厂的物流格局，推动生产系统向更加高效、稳定和智能化方向发展。

1.人工智能的深度应用

在现代晶圆制造厂物流系统中，人工智能正成为提升系统效率与可靠性的核心驱动力。尽管传统调度算法能够在多维权重和业务规则下实现高效路径优化，但随着晶圆厂规模的不断扩张、工艺节点的持续升级以及生产节拍的加快，调度算法在动态响应能力和自适应优化方面逐渐显现瓶颈。

人工智能的发展趋势主要表现在几个方面：系统能够基于实时状态和生产反馈自主学习最优策略，实现全局效率的持续提升；多智能体协作调度将运输单元与缓存区等物流元素视为独立智能体，通过分布式决策和资源优化分配，显著增强系统吞吐能力和运行稳定性；同时，结合现有调度算法的业务权重体系和长期运行数据，AI调度能够快速收敛，确保在实际生产环境中的高稳定性，为智能化升级提供坚实的数据基础；此外，人工智能还将传统被动维修转变为主动预测性运维，不仅提升调度系统的智能化水平，还延伸至车辆与设备管理，通过预测性维护减少计划外停机，保证物流连续性，并与调度系统协同，实现生产与运维的动态优化。

2. 数字孪生的全流程覆盖

数字孪生技术正成为晶圆制造厂物流系统全生命周期管理的重要支撑手段。通过建立高精度的三维数字模型，将物理世界与数字世界深度融合，数字孪生不仅实现了系统的可视化和实时监控，更为规划、建设及运营提供了战略性决策支持。在规划与建设阶段，数字孪生能够在虚拟环境中完整重构物流系统，对轨道布局、设备配置及潜在瓶颈进行模拟与优化，从而降低设计风险、节约前期投资，并提升建设方案的科学性与可验证性。在生产运行阶段，它通过与实际物流系统的实时数据交互形成虚拟到现实的闭环，帮助运营人员全局监控物流状态，优化调度策略，并显著提升动态调度、负载均衡及异常处理能力。同时，数字孪生技术提高了生产过程的透明度和可预测性，为管理层提供基于数据的战略决策依据，支撑长期优化、智能化升级以及运营的可持续发展。

3. 轨道车体运行方式的智能化与多功能化

随着晶圆制造厂对物流灵活性、生产效率和设备利用率的要求不断提升，传统单轨道、单向前进的OHT小车已逐渐显露局限性。在当前晶圆厂中，车辆仅能沿轨道分叉前进，轨道布局受限，机台摆放空间和物流路径优化受到制约，当遇到车辆异常或拥堵时，往往会影响整条轨道的运行，降低系统整体效率。未来轨道车体的技术发展趋势正在向四向智能车及网格化轨道系统方向演进。

与传统天花板单轨道相比，四向车的网格轨道布局具有多重优势。首先，网格轨道能够更灵活地匹配晶圆厂机台的多样化摆放，实现高密度空间利用和生产线自由布局，有效解决单轨道下部分区域无法放置机台的限制。其次，四向车在调度算法上的适应性更强，能够在网格节点灵活切换方向和路径，实现复杂搬运任务的高效调度，并通过分布式协作避免局部拥堵，使整体系统的吞吐能力和生产连续性显著提升。再次，车辆异常或维护仅会影响单个网格节点，而不会像传统单轨道那样导致整条轨道停摆，从而大幅提升系统的鲁棒性和稳定性。

四向轨道车与网格轨道系统的结合，不仅能解决传统单轨道布局的空间与调度限制，还可提升生产的灵活性、可靠性和智能化水平，成为晶圆制造厂物流系统核心技术创新的重要发展方向。