晶圆传输设备核心技术概述

1 引言

晶圆传输设备又称作晶圆设备前端模块（EFEM），属于半导体制造设备的重要细分领域。该类设备基本被国外（如Rorze、DAIHEN、Hirata、Fala、Sinfonia、Brooks和Nidec等）及中国台湾的设备公司所垄断，加之近年来国外对国内的政策限制和技术封锁，使得国外设备的先进功能不能对国内企业开放，面对如此严峻的国际形势，果纳半导体公司创始人带领团队，结合自身行业经验和技术实力，选择晶圆传输领域，顺势成立公司，加快自研步伐，致力于解决对国外设备的依赖，加速实现独立自主的国产化进程，逐步打破现有国产设备拼装国外核心零部件的尴尬境地，真正开始实现填补国产零部件空白。

晶圆传输设备（EFEM）在整个生产线上完成晶圆的分类、预对准和传输等功能，是连接物料搬运系统与晶圆处理系统的桥梁，是晶圆生产线不可或缺的重要组成部分[1]。EFEM具备很高的集成度和很大的灵活性，可以根据不同的用户需求，设备内部可以合理布局搭载不同功能的模块，EFEM也可以提供超洁净的传输环境。

2 晶圆传输设备核心技术

晶圆传输设备的核心部件主要包括晶圆装载装置、晶圆运输机械手（Robot）、晶圆预对准机构（Pre-Aligner）和空气过滤器（FFU）。

2.1 晶圆装载装置

在半导体生产过程中，晶圆需要频繁在洁净与超洁净环境间进行转换，转换过程中为保证晶圆不受微粒子附着，需要使用晶圆装载装置作为环境转换的输入输出端口[2]，可以说，晶圆装载装置是晶圆的外接设备，其被安装在EFEM前侧，用来作为晶圆进出晶圆传输设备的窗口，实现生产车间的轨道和加工设备之间的晶圆搬运。

晶圆装载装置一般由支撑框架、开盒装置、装载平台、检测机构等组成，其也可根据使用需求搭载不同功能的配置部件，例如，翻转机构和防护罩等等。晶圆装载装置的工作过程分为晶圆盒的装载过程和卸载过程2个阶段，由空中运输小车（OHT）或人工搬运晶圆盒至装载平台完成装载或卸载工作。

在晶圆转运于不同半导体制造设备过程中，晶圆盒可在一定程度上防止晶圆盒内晶圆被微粒子附着。从半导体工艺制程的开始到结束，伴随着晶圆从晶圆盒内的取出到晶圆被重新放回晶圆盒，在上述过程中，晶圆在洁净与超洁净环境间转换，转换所需的晶圆盒会因不同工艺而有所不同，目前常用晶圆盒有FOUP、SMIF Pod、Open Cassette等等，不同晶圆盒类型所使用的装载系统有所不同，根据晶圆盒类型，晶圆装载装置分为晶圆装载端口Loadport、SMIF、开放式晶圆盒装载平台OCS和特殊装载端口等。

2.1.1 晶圆装载端口Loadport

晶圆装载端口Loadport用于装载FOUP，FOUP是一种前开式晶圆传送盒，用于装载12寸晶圆，可以说，晶圆装载端口（Loadport）是行业内12寸晶圆装载的通常叫法。

Loadport是EFEM与Intrabay之间的媒介，半导体厂中自动化物料搬运系统的运作，是辅助晶圆依照其加工路径穿梭在不同的作业区 (bay)之间，当在某个作业区中执行完晶圆作业后，即由EFEM前的Loadport传送至Intrabay搬运系统，再根据下一作业区来决定传输的目的地。若目的地在不同的作业区，先把Wafer存放在Stocker中，再借由Interbay系统传输至目的地的Stocker，最后让目的地的Intrabay系统将晶圆盒传至半导体设备前端模块的Loadport，使晶圆顺利进入工艺腔进行加工。

Loadport装卸晶圆盒的具体工作步骤为：OHT或人工搬运晶圆盒至装载平台→装载平台上的夹紧机构锁紧晶圆盒→开盒装置吸附或夹持晶圆盒门→晶圆盒门与晶圆盒分离→检测机构沿竖直方向运动并对盒内晶圆进行扫描检测→运输机械手对晶圆进行搬运→盒内晶圆被搬运完毕后开盒装置对晶圆盒门和晶圆盒进行合并→夹紧机构对晶圆盒进行解锁→OHT或人工搬离晶圆盒。

2.1.2 SMIF

SMIF是Standard Mechanical Interface的简称，其是一种标准机械接口，使用SMIF可以大大提高生产效率。SMIF用于装载 SMIF Pod，SMIF Pod是一种内置有晶舟、外置有晶盒罩的传送盒，晶盒罩需向上打开，其晶圆装载尺寸包括6寸和8寸。

SMIF的功能与Loadport基本相同，SMIF支持E84协议，可对应AGV和OHT。其不同在于，SMIF的开盒方式，开盒装置被设置在SMIF的装载平台，开盒装置包括环绕SMIF Pod的框架，框架上安装有晶圆检测机构，SMIF Pod被紧固在装载平台上，SMIF Pod的晶盒罩被夹紧在开盒装置的框架上，开盒装置逐步往上抬升，使晶盒罩与晶舟分离，抬升过程中，安装开盒装置框架上检测机构对晶舟内的晶圆进行扫描检测，由此可见，SMIF Pod的开盒与晶圆检测时同步完成的。

2.1.3 开放式晶圆盒装载平台OCS

开放式晶圆盒装载平台OCS的结构和功能类似于晶圆装载端口Loadport，其不同点在于开放式晶圆盒装载平台OCS用于装载Open Cassette，Open Cassette是一种开放式晶圆盒，果纳半导体自主研发的OCS可根据需求适应6寸、8寸或者12寸的Open Cassette，其前端开口处没有晶圆盒门，为开放式，后端为半开放式。为防止空气中的微粒进入晶圆盒中污染晶圆，在Open Cassette放置位置上安装有防护罩，在Open Cassette的每次装卸前后，可手动或自动地打开或关闭防护罩。

2.1.4 特殊装载端口

在半导体制造过程中，不同工艺对晶圆的传输要求不一样，所需的装载系统也不一样。在半导体后期的制程中，需要对封装的晶圆进行传输，晶圆被安置在晶圆框架中形成一个整体的片状物料，该片状物料被装载在一种特定的片状物料盒（Frame box）中来进行传输，其所使用的装载系统为具有特殊功能的装载端口。

上海果纳半导体技术有限公司研发的特殊装载端口用于装载上述所述的片状物料，其具有晶圆盒翻转、晶圆移动等特殊功能，其包括晶圆盒翻转机构、晶圆移动机构、装载平台、检测机构和端口开门机构等等，其主要采用人工搬运晶圆盒至装载平台的方式进行搬运，其装载工作步骤具体为：人工搬运晶圆盒至装载平台并开口朝上放置→人为取下开口朝上的晶圆盒盖→装载平台上的夹紧机构锁紧晶圆盒→翻转机构翻转晶圆盒90°使晶圆盒开口朝向装载端口→晶圆移动机构夹持盒内所有晶圆并朝装载端口移动→打开装载端口门封→检测机构沿竖直方向运动并对盒内晶圆进行扫描检测→运输机械手对晶圆进行搬运。该装载端口能实现片状物料的自动装载、翻转和传输，能提高晶圆的加工效率。

2.2 晶圆运输机器人Robot

晶圆传输机器人承担着晶圆精确定位与快速、平稳搬运任务，是半导体制造装备中使用最多的机器人设备，其性能对半导体产业的发展至关重要。晶圆传输设备中晶圆的传输需要由晶圆运输机器人执行完成，晶圆运输机器人的定位传输精度，直接决定晶圆传输设备整机系统的晶圆传输精度。机器人运动时的平稳无振动同样影响晶圆传输的精度，机器人自身的洁净度和运行时微粒的产生量决定晶圆加工环境的洁净度，机器人的传输速度决定整个生产线的生产效率。由此可见，晶圆传输机器人需要具备高精度、高可靠性、高速度和平稳无振动传输晶圆的特点[3]。

目前市场上，传输机器人的种类繁多，按照应用环境划分，晶圆传输设备中使用的晶圆传输机器人可分为大气机械手和真空机械手，按夹取方式划分，可以分为夹持型机械手和吸附式机械手。目前，广泛应用于晶圆传输设备的晶圆传输机器人主要有：SCARA型机器人和R-θ型机器人。SCARA型机器人是平面关节型，其有一个移动关节，沿竖直方向上移动，根据驱动方式可分为电机直接驱动和间接驱动，其代表性产品包括日本EPSON的Epson G6.651S 净化机器人和美国克雷默曼的小型双臂真空机器人等等。R-θ 型机器人由圆柱坐标型机器人改进而来，Z 轴垂直升降，有2个旋转关节之间存在联动关系，由同一个电机驱动，通过减速器和皮带等间接传动机构驱动这2 个关节，使得R 轴上可径向伸缩。

机械结构是晶圆运输机器人的肉体，控制系统则是机器人的灵魂，基于硬件系统结构，控制系统的实现方式分为：基于“PC+运动控制卡”的控制系统、基于“IPC+运动控制卡”的控制系统以及基于PLC的控制系统，其中，“PC＋多轴运动控制器”的方式在硬件程度上比较容易实现，PC被广泛使用，可以随时

2.3 晶圆预对准机构Pre-Aligner

晶圆加工工艺对晶圆的定位精度要求很高，晶圆被传输至加工工位前，需要事先对晶圆进行预对准，并通过晶圆传输机器人补偿晶圆的定位误差[5]，对要进行加工的晶圆进行预先定位能减小传输过程的误差，因此，晶圆预对准机构是晶圆传输设备极其重要的组成部分。

晶圆传输设备对晶圆的传输流程是：晶圆运输机器人手将晶圆从晶圆盒中取出，送至预对准机构上对晶圆进行定位对准；晶圆预对准后，晶圆运输机械手取片并移送至下一个加工工位上。

晶圆的边缘上有一个小缺口，预对准前，晶圆缺口方向是随机的，晶圆圆心在预对准机构上的位置是未知的，预对准的目的是对晶圆的中心位置和晶圆边缘的缺口位置进行定位，将圆心位置进行定位补偿，缺口方向旋转到指定的方向[6]。预对准机构安装对准方式可以分为机械预对准和光学预对准，由于机械预对准的对准精度较低，预对准方式为接触式，容易造成晶圆污染或者损伤，近些年，随着光学技术的快速发展，光学预对准开发已成主流。

光学预对准机构主要包括机箱、旋转单元、检测单元、真空吸附单元和控制单元等组成，其功能包括：精确测量晶圆边缘缺口在固定坐标系下的位置信息；计算晶圆在固定坐标系下的圆心位置偏移量和缺口方向偏移量；补偿偏移的圆心位置消除定位误差；旋转晶圆缺口方向于指定方向周围的规定范围内。晶圆预对准机构的工作流程为： 

(1) 晶圆传输机械手搬运晶圆至旋转单元上，真空吸附单元对晶圆真空吸附固定； 

(2) 旋转单元带动晶圆旋转，检测单元检测晶圆边缘数据，计算晶圆偏心量和缺口角度偏移量； 

(3) 晶圆旋转，调转缺口到指定方向； 

(4) 晶圆运输机器人相对于固定坐标系平移，补偿晶圆偏心。 

近些年，晶圆预对准机构被不断深入研究，晶圆预对准的算法进一步得以完善，基于线性化最小二乘圆拟合算法的不足，提出了分区域积分组合特征识别算法、系统误差补偿综合算法和基于Levenberg-Marquardt算法的缺口拟合算法等等，使得预对准精度越来越高。

2.4 空气过滤器单元FFU

风机过滤器单元(FFU) 是晶圆传输设备洁净室内部空气净化的关键设备，是一种自带动力、具有过滤功效、模块化的末端送风装置，主要用于洁净室的吊顶或洁净区域的上方或侧面，搭配或内置高效/超高效过滤器，提供稳定的洁净气流，风机从FFU顶部把空气吸入并经高效空气过滤器过滤，过滤后的洁净空气在整个出风面以特定风速均匀送出，即通过气流的推出作用和稀释作用将室内污染物高效净化，从而使晶圆传输设备内部空间微环境达到ISO Class1级别的高洁净度要求。FFU具备低噪音、低能耗以及高效率运行的功能，其搭载的群控系统可以兼容集成多型号风机，即模块化连接使用，可广泛应用于洁净室、洁净工作台、洁净生产线、组装式洁净室和层流罩等场合[1]。

3 晶圆传输设备技术展望

作为半导体专用设备，晶圆传输设备的更新迭代需要配合晶圆制造设备相关制程来进行，随着半导体设备行业的加速发展，国内半导体专用设备厂商在产品更新迭代方面会逐步摆脱过去的滞后性。近年来，果纳半导体研发出了多种适用于晶圆制造制程且具备特殊功能的晶圆传输设备，例如集成多工位缓存台设备、集成缺陷检测系统的传输设备、具备提前预热/恒温功能的传输设备等等，随着国内传输设备创新能力和研发水平的提升，果纳半导体的晶圆传输设备必将朝着更高更远的方向攀升。

关于晶圆传输机器人，新型直驱的晶圆搬运机器人和大尺寸高效稳定运输机器人一直是我国机器人的研究方向之一。为了实现大尺寸晶圆高效稳定传输，持续开展晶圆传输机器人精确平稳轨迹跟踪控制、接触面粘滑状态检测、微阵列传输面等方面的研究，有望满足我国半导体行业对晶圆搬运的需求，打破国外垄断，提高技术自主性，改变受制于人的现状。

关于晶圆预对准机构，除了分区域积分组合特征识别算法、系统误差补偿综合算法和基于Levenberg-Marquardt算法的缺口拟合算法方向的研究，果纳半导体还致力于研究基于图像处理的AOI检测边缘对准系统，通过建立一套Recipe模型及其对应的数学模型，将图像处理与数学模型相结合并应用于 AOI检测设备的边缘对准中。相信未来伴随着新技术、新工艺的加入，体积更小、使用更方便、精度更高、速度更快的晶圆预对准机构会不断面世。

目前，晶圆装载装置、晶圆搬运机器人和预对准机构都在逐步实现国产替代，但装置中一些精密部件，例如，电机、运动控制功放板卡、精密传感器等，大部分仍是外购，受国外技术封锁的影响，有可能导致特定的新功能的晶圆传输设备开发的灵活性受限的局面，因此，提高系统的底层硬件的自主性是也将是国产化的一个关键。

随着自主研发、技术创新和市场拓展能力的提升，我国半导体设备行业正逐渐崛起，未来有望完全突破国外的封锁。在整个行业蓬勃发展的大环境下，晶圆传输设备的设备整体和底层硬件，也将会在不久的将来实现完全的国产化，果纳半导体也将会成为集成电路产业链中重要且不可缺少的一环。

审核编辑：刘清