晶圓傳輸設(shè)備核心技術(shù)概述

1 引言

晶圓傳輸設(shè)備又稱作晶圓設(shè)備前端模塊（EFEM），屬于半導(dǎo)體制造設(shè)備的重要細(xì)分領(lǐng)域。該類設(shè)備基本被國外（如Rorze、DAIHEN、Hirata、Fala、Sinfonia、Brooks和Nidec等）及中國臺(tái)灣的設(shè)備公司所壟斷，加之近年來國外對(duì)國內(nèi)的政策限制和技術(shù)封鎖，使得國外設(shè)備的先進(jìn)功能不能對(duì)國內(nèi)企業(yè)開放，面對(duì)如此嚴(yán)峻的國際形勢(shì)，果納半導(dǎo)體公司創(chuàng)始人帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，結(jié)合自身行業(yè)經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)實(shí)力，選擇晶圓傳輸領(lǐng)域，順勢(shì)成立公司，加快自研步伐，致力于解決對(duì)國外設(shè)備的依賴，加速實(shí)現(xiàn)獨(dú)立自主的國產(chǎn)化進(jìn)程，逐步打破現(xiàn)有國產(chǎn)設(shè)備拼裝國外核心零部件的尷尬境地，真正開始實(shí)現(xiàn)填補(bǔ)國產(chǎn)零部件空白。

晶圓傳輸設(shè)備（EFEM）在整個(gè)生產(chǎn)線上完成晶圓的分類、預(yù)對(duì)準(zhǔn)和傳輸?shù)裙δ?，是連接物料搬運(yùn)系統(tǒng)與晶圓處理系統(tǒng)的橋梁，是晶圓生產(chǎn)線不可或缺的重要組成部分[1]。EFEM具備很高的集成度和很大的靈活性，可以根據(jù)不同的用戶需求，設(shè)備內(nèi)部可以合理布局搭載不同功能的模塊，EFEM也可以提供超潔凈的傳輸環(huán)境。

2 晶圓傳輸設(shè)備核心技術(shù)

晶圓傳輸設(shè)備的核心部件主要包括晶圓裝載裝置、晶圓運(yùn)輸機(jī)械手（Robot）、晶圓預(yù)對(duì)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)（Pre-Aligner）和空氣過濾器（FFU）。

2.1 晶圓裝載裝置

在半導(dǎo)體生產(chǎn)過程中，晶圓需要頻繁在潔凈與超潔凈環(huán)境間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換過程中為保證晶圓不受微粒子附著，需要使用晶圓裝載裝置作為環(huán)境轉(zhuǎn)換的輸入輸出端口[2]，可以說，晶圓裝載裝置是晶圓的外接設(shè)備，其被安裝在EFEM前側(cè)，用來作為晶圓進(jìn)出晶圓傳輸設(shè)備的窗口，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)車間的軌道和加工設(shè)備之間的晶圓搬運(yùn)。

晶圓裝載裝置一般由支撐框架、開盒裝置、裝載平臺(tái)、檢測(cè)機(jī)構(gòu)等組成，其也可根據(jù)使用需求搭載不同功能的配置部件，例如，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和防護(hù)罩等等。晶圓裝載裝置的工作過程分為晶圓盒的裝載過程和卸載過程2個(gè)階段，由空中運(yùn)輸小車（OHT）或人工搬運(yùn)晶圓盒至裝載平臺(tái)完成裝載或卸載工作。

在晶圓轉(zhuǎn)運(yùn)于不同半導(dǎo)體制造設(shè)備過程中，晶圓盒可在一定程度上防止晶圓盒內(nèi)晶圓被微粒子附著。從半導(dǎo)體工藝制程的開始到結(jié)束，伴隨著晶圓從晶圓盒內(nèi)的取出到晶圓被重新放回晶圓盒，在上述過程中，晶圓在潔凈與超潔凈環(huán)境間轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換所需的晶圓盒會(huì)因不同工藝而有所不同，目前常用晶圓盒有FOUP、SMIF Pod、Open Cassette等等，不同晶圓盒類型所使用的裝載系統(tǒng)有所不同，根據(jù)晶圓盒類型，晶圓裝載裝置分為晶圓裝載端口Loadport、SMIF、開放式晶圓盒裝載平臺(tái)OCS和特殊裝載端口等。

2.1.1 晶圓裝載端口Loadport

晶圓裝載端口Loadport用于裝載FOUP，F(xiàn)OUP是一種前開式晶圓傳送盒，用于裝載12寸晶圓，可以說，晶圓裝載端口（Loadport）是行業(yè)內(nèi)12寸晶圓裝載的通常叫法。

Loadport是EFEM與Intrabay之間的媒介，半導(dǎo)體廠中自動(dòng)化物料搬運(yùn)系統(tǒng)的運(yùn)作，是輔助晶圓依照其加工路徑穿梭在不同的作業(yè)區(qū) (bay)之間，當(dāng)在某個(gè)作業(yè)區(qū)中執(zhí)行完晶圓作業(yè)后，即由EFEM前的Loadport傳送至Intrabay搬運(yùn)系統(tǒng)，再根據(jù)下一作業(yè)區(qū)來決定傳輸?shù)哪康牡?。若目的地在不同的作業(yè)區(qū)，先把Wafer存放在Stocker中，再借由Interbay系統(tǒng)傳輸至目的地的Stocker，最后讓目的地的Intrabay系統(tǒng)將晶圓盒傳至半導(dǎo)體設(shè)備前端模塊的Loadport，使晶圓順利進(jìn)入工藝腔進(jìn)行加工。

Loadport裝卸晶圓盒的具體工作步驟為：OHT或人工搬運(yùn)晶圓盒至裝載平臺(tái)→裝載平臺(tái)上的夾緊機(jī)構(gòu)鎖緊晶圓盒→開盒裝置吸附或夾持晶圓盒門→晶圓盒門與晶圓盒分離→檢測(cè)機(jī)構(gòu)沿豎直方向運(yùn)動(dòng)并對(duì)盒內(nèi)晶圓進(jìn)行掃描檢測(cè)→運(yùn)輸機(jī)械手對(duì)晶圓進(jìn)行搬運(yùn)→盒內(nèi)晶圓被搬運(yùn)完畢后開盒裝置對(duì)晶圓盒門和晶圓盒進(jìn)行合并→夾緊機(jī)構(gòu)對(duì)晶圓盒進(jìn)行解鎖→OHT或人工搬離晶圓盒。

2.1.2 SMIF

SMIF是Standard Mechanical Interface的簡稱，其是一種標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械接口，使用SMIF可以大大提高生產(chǎn)效率。SMIF用于裝載 SMIF Pod，SMIF Pod是一種內(nèi)置有晶舟、外置有晶盒罩的傳送盒，晶盒罩需向上打開，其晶圓裝載尺寸包括6寸和8寸。

SMIF的功能與Loadport基本相同，SMIF支持E84協(xié)議，可對(duì)應(yīng)AGV和OHT。其不同在于，SMIF的開盒方式，開盒裝置被設(shè)置在SMIF的裝載平臺(tái)，開盒裝置包括環(huán)繞SMIF Pod的框架，框架上安裝有晶圓檢測(cè)機(jī)構(gòu)，SMIF Pod被緊固在裝載平臺(tái)上，SMIF Pod的晶盒罩被夾緊在開盒裝置的框架上，開盒裝置逐步往上抬升，使晶盒罩與晶舟分離，抬升過程中，安裝開盒裝置框架上檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)晶舟內(nèi)的晶圓進(jìn)行掃描檢測(cè)，由此可見，SMIF Pod的開盒與晶圓檢測(cè)時(shí)同步完成的。

2.1.3 開放式晶圓盒裝載平臺(tái)OCS

開放式晶圓盒裝載平臺(tái)OCS的結(jié)構(gòu)和功能類似于晶圓裝載端口Loadport，其不同點(diǎn)在于開放式晶圓盒裝載平臺(tái)OCS用于裝載Open Cassette，Open Cassette是一種開放式晶圓盒，果納半導(dǎo)體自主研發(fā)的OCS可根據(jù)需求適應(yīng)6寸、8寸或者12寸的Open Cassette，其前端開口處沒有晶圓盒門，為開放式，后端為半開放式。為防止空氣中的微粒進(jìn)入晶圓盒中污染晶圓，在Open Cassette放置位置上安裝有防護(hù)罩，在Open Cassette的每次裝卸前后，可手動(dòng)或自動(dòng)地打開或關(guān)閉防護(hù)罩。

2.1.4 特殊裝載端口

在半導(dǎo)體制造過程中，不同工藝對(duì)晶圓的傳輸要求不一樣，所需的裝載系統(tǒng)也不一樣。在半導(dǎo)體后期的制程中，需要對(duì)封裝的晶圓進(jìn)行傳輸，晶圓被安置在晶圓框架中形成一個(gè)整體的片狀物料，該片狀物料被裝載在一種特定的片狀物料盒（Frame box）中來進(jìn)行傳輸，其所使用的裝載系統(tǒng)為具有特殊功能的裝載端口。

上海果納半導(dǎo)體技術(shù)有限公司研發(fā)的特殊裝載端口用于裝載上述所述的片狀物料，其具有晶圓盒翻轉(zhuǎn)、晶圓移動(dòng)等特殊功能，其包括晶圓盒翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、晶圓移動(dòng)機(jī)構(gòu)、裝載平臺(tái)、檢測(cè)機(jī)構(gòu)和端口開門機(jī)構(gòu)等等，其主要采用人工搬運(yùn)晶圓盒至裝載平臺(tái)的方式進(jìn)行搬運(yùn)，其裝載工作步驟具體為：人工搬運(yùn)晶圓盒至裝載平臺(tái)并開口朝上放置→人為取下開口朝上的晶圓盒蓋→裝載平臺(tái)上的夾緊機(jī)構(gòu)鎖緊晶圓盒→翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)翻轉(zhuǎn)晶圓盒90°使晶圓盒開口朝向裝載端口→晶圓移動(dòng)機(jī)構(gòu)夾持盒內(nèi)所有晶圓并朝裝載端口移動(dòng)→打開裝載端口門封→檢測(cè)機(jī)構(gòu)沿豎直方向運(yùn)動(dòng)并對(duì)盒內(nèi)晶圓進(jìn)行掃描檢測(cè)→運(yùn)輸機(jī)械手對(duì)晶圓進(jìn)行搬運(yùn)。該裝載端口能實(shí)現(xiàn)片狀物料的自動(dòng)裝載、翻轉(zhuǎn)和傳輸，能提高晶圓的加工效率。

2.2 晶圓運(yùn)輸機(jī)器人Robot

晶圓傳輸機(jī)器人承擔(dān)著晶圓精確定位與快速、平穩(wěn)搬運(yùn)任務(wù)，是半導(dǎo)體制造裝備中使用最多的機(jī)器人設(shè)備，其性能對(duì)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要。晶圓傳輸設(shè)備中晶圓的傳輸需要由晶圓運(yùn)輸機(jī)器人執(zhí)行完成，晶圓運(yùn)輸機(jī)器人的定位傳輸精度，直接決定晶圓傳輸設(shè)備整機(jī)系統(tǒng)的晶圓傳輸精度。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)的平穩(wěn)無振動(dòng)同樣影響晶圓傳輸?shù)木?，機(jī)器人自身的潔凈度和運(yùn)行時(shí)微粒的產(chǎn)生量決定晶圓加工環(huán)境的潔凈度，機(jī)器人的傳輸速度決定整個(gè)生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率。由此可見，晶圓傳輸機(jī)器人需要具備高精度、高可靠性、高速度和平穩(wěn)無振動(dòng)傳輸晶圓的特點(diǎn)[3]。

目前市場(chǎng)上，傳輸機(jī)器人的種類繁多，按照應(yīng)用環(huán)境劃分，晶圓傳輸設(shè)備中使用的晶圓傳輸機(jī)器人可分為大氣機(jī)械手和真空機(jī)械手，按夾取方式劃分，可以分為夾持型機(jī)械手和吸附式機(jī)械手。目前，廣泛應(yīng)用于晶圓傳輸設(shè)備的晶圓傳輸機(jī)器人主要有：SCARA型機(jī)器人和R-θ型機(jī)器人。SCARA型機(jī)器人是平面關(guān)節(jié)型，其有一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)，沿豎直方向上移動(dòng)，根據(jù)驅(qū)動(dòng)方式可分為電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)和間接驅(qū)動(dòng)，其代表性產(chǎn)品包括日本EPSON的Epson G6.651S 凈化機(jī)器人和美國克雷默曼的小型雙臂真空機(jī)器人等等。R-θ 型機(jī)器人由圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人改進(jìn)而來，Z 軸垂直升降，有2個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)之間存在聯(lián)動(dòng)關(guān)系，由同一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過減速器和皮帶等間接傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)這2 個(gè)關(guān)節(jié)，使得R 軸上可徑向伸縮。

機(jī)械結(jié)構(gòu)是晶圓運(yùn)輸機(jī)器人的肉體，控制系統(tǒng)則是機(jī)器人的靈魂，基于硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式分為：基于“PC+運(yùn)動(dòng)控制卡”的控制系統(tǒng)、基于“IPC+運(yùn)動(dòng)控制卡”的控制系統(tǒng)以及基于PLC的控制系統(tǒng)，其中，“PC＋多軸運(yùn)動(dòng)控制器”的方式在硬件程度上比較容易實(shí)現(xiàn)，PC被廣泛使用，可以隨時(shí)

2.3 晶圓預(yù)對(duì)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)Pre-Aligner

晶圓加工工藝對(duì)晶圓的定位精度要求很高，晶圓被傳輸至加工工位前，需要事先對(duì)晶圓進(jìn)行預(yù)對(duì)準(zhǔn)，并通過晶圓傳輸機(jī)器人補(bǔ)償晶圓的定位誤差[5]，對(duì)要進(jìn)行加工的晶圓進(jìn)行預(yù)先定位能減小傳輸過程的誤差，因此，晶圓預(yù)對(duì)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)是晶圓傳輸設(shè)備極其重要的組成部分。

晶圓傳輸設(shè)備對(duì)晶圓的傳輸流程是：晶圓運(yùn)輸機(jī)器人手將晶圓從晶圓盒中取出，送至預(yù)對(duì)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)上對(duì)晶圓進(jìn)行定位對(duì)準(zhǔn)；晶圓預(yù)對(duì)準(zhǔn)后，晶圓運(yùn)輸機(jī)械手取片并移送至下一個(gè)加工工位上。

晶圓的邊緣上有一個(gè)小缺口，預(yù)對(duì)準(zhǔn)前，晶圓缺口方向是隨機(jī)的，晶圓圓心在預(yù)對(duì)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)上的位置是未知的，預(yù)對(duì)準(zhǔn)的目的是對(duì)晶圓的中心位置和晶圓邊緣的缺口位置進(jìn)行定位，將圓心位置進(jìn)行定位補(bǔ)償，缺口方向旋轉(zhuǎn)到指定的方向[6]。預(yù)對(duì)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)安裝對(duì)準(zhǔn)方式可以分為機(jī)械預(yù)對(duì)準(zhǔn)和光學(xué)預(yù)對(duì)準(zhǔn)，由于機(jī)械預(yù)對(duì)準(zhǔn)的對(duì)準(zhǔn)精度較低，預(yù)對(duì)準(zhǔn)方式為接觸式，容易造成晶圓污染或者損傷，近些年，隨著光學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，光學(xué)預(yù)對(duì)準(zhǔn)開發(fā)已成主流。

光學(xué)預(yù)對(duì)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)主要包括機(jī)箱、旋轉(zhuǎn)單元、檢測(cè)單元、真空吸附單元和控制單元等組成，其功能包括：精確測(cè)量晶圓邊緣缺口在固定坐標(biāo)系下的位置信息；計(jì)算晶圓在固定坐標(biāo)系下的圓心位置偏移量和缺口方向偏移量；補(bǔ)償偏移的圓心位置消除定位誤差；旋轉(zhuǎn)晶圓缺口方向于指定方向周圍的規(guī)定范圍內(nèi)。晶圓預(yù)對(duì)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)的工作流程為：

(1) 晶圓傳輸機(jī)械手搬運(yùn)晶圓至旋轉(zhuǎn)單元上，真空吸附單元對(duì)晶圓真空吸附固定；

(2) 旋轉(zhuǎn)單元帶動(dòng)晶圓旋轉(zhuǎn)，檢測(cè)單元檢測(cè)晶圓邊緣數(shù)據(jù)，計(jì)算晶圓偏心量和缺口角度偏移量；

(3) 晶圓旋轉(zhuǎn)，調(diào)轉(zhuǎn)缺口到指定方向；

(4) 晶圓運(yùn)輸機(jī)器人相對(duì)于固定坐標(biāo)系平移，補(bǔ)償晶圓偏心。

近些年，晶圓預(yù)對(duì)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)被不斷深入研究，晶圓預(yù)對(duì)準(zhǔn)的算法進(jìn)一步得以完善，基于線性化最小二乘圓擬合算法的不足，提出了分區(qū)域積分組合特征識(shí)別算法、系統(tǒng)誤差補(bǔ)償綜合算法和基于Levenberg-Marquardt算法的缺口擬合算法等等，使得預(yù)對(duì)準(zhǔn)精度越來越高。

2.4 空氣過濾器單元FFU

風(fēng)機(jī)過濾器單元(FFU) 是晶圓傳輸設(shè)備潔凈室內(nèi)部空氣凈化的關(guān)鍵設(shè)備，是一種自帶動(dòng)力、具有過濾功效、模塊化的末端送風(fēng)裝置，主要用于潔凈室的吊頂或潔凈區(qū)域的上方或側(cè)面，搭配或內(nèi)置高效/超高效過濾器，提供穩(wěn)定的潔凈氣流，風(fēng)機(jī)從FFU頂部把空氣吸入并經(jīng)高效空氣過濾器過濾，過濾后的潔凈空氣在整個(gè)出風(fēng)面以特定風(fēng)速均勻送出，即通過氣流的推出作用和稀釋作用將室內(nèi)污染物高效凈化，從而使晶圓傳輸設(shè)備內(nèi)部空間微環(huán)境達(dá)到ISO Class1級(jí)別的高潔凈度要求。FFU具備低噪音、低能耗以及高效率運(yùn)行的功能，其搭載的群控系統(tǒng)可以兼容集成多型號(hào)風(fēng)機(jī)，即模塊化連接使用，可廣泛應(yīng)用于潔凈室、潔凈工作臺(tái)、潔凈生產(chǎn)線、組裝式潔凈室和層流罩等場(chǎng)合[1]。

3 晶圓傳輸設(shè)備技術(shù)展望

作為半導(dǎo)體專用設(shè)備，晶圓傳輸設(shè)備的更新迭代需要配合晶圓制造設(shè)備相關(guān)制程來進(jìn)行，隨著半導(dǎo)體設(shè)備行業(yè)的加速發(fā)展，國內(nèi)半導(dǎo)體專用設(shè)備廠商在產(chǎn)品更新迭代方面會(huì)逐步擺脫過去的滯后性。近年來，果納半導(dǎo)體研發(fā)出了多種適用于晶圓制造制程且具備特殊功能的晶圓傳輸設(shè)備，例如集成多工位緩存臺(tái)設(shè)備、集成缺陷檢測(cè)系統(tǒng)的傳輸設(shè)備、具備提前預(yù)熱/恒溫功能的傳輸設(shè)備等等，隨著國內(nèi)傳輸設(shè)備創(chuàng)新能力和研發(fā)水平的提升，果納半導(dǎo)體的晶圓傳輸設(shè)備必將朝著更高更遠(yuǎn)的方向攀升。

關(guān)于晶圓傳輸機(jī)器人，新型直驅(qū)的晶圓搬運(yùn)機(jī)器人和大尺寸高效穩(wěn)定運(yùn)輸機(jī)器人一直是我國機(jī)器人的研究方向之一。為了實(shí)現(xiàn)大尺寸晶圓高效穩(wěn)定傳輸，持續(xù)開展晶圓傳輸機(jī)器人精確平穩(wěn)軌跡跟蹤控制、接觸面粘滑狀態(tài)檢測(cè)、微陣列傳輸面等方面的研究，有望滿足我國半導(dǎo)體行業(yè)對(duì)晶圓搬運(yùn)的需求，打破國外壟斷，提高技術(shù)自主性，改變受制于人的現(xiàn)狀。

關(guān)于晶圓預(yù)對(duì)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)，除了分區(qū)域積分組合特征識(shí)別算法、系統(tǒng)誤差補(bǔ)償綜合算法和基于Levenberg-Marquardt算法的缺口擬合算法方向的研究，果納半導(dǎo)體還致力于研究基于圖像處理的AOI檢測(cè)邊緣對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)，通過建立一套R(shí)ecipe模型及其對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，將圖像處理與數(shù)學(xué)模型相結(jié)合并應(yīng)用于 AOI檢測(cè)設(shè)備的邊緣對(duì)準(zhǔn)中。相信未來伴隨著新技術(shù)、新工藝的加入，體積更小、使用更方便、精度更高、速度更快的晶圓預(yù)對(duì)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)會(huì)不斷面世。

目前，晶圓裝載裝置、晶圓搬運(yùn)機(jī)器人和預(yù)對(duì)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)都在逐步實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)替代，但裝置中一些精密部件，例如，電機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制功放板卡、精密傳感器等，大部分仍是外購，受國外技術(shù)封鎖的影響，有可能導(dǎo)致特定的新功能的晶圓傳輸設(shè)備開發(fā)的靈活性受限的局面，因此，提高系統(tǒng)的底層硬件的自主性是也將是國產(chǎn)化的一個(gè)關(guān)鍵。

隨著自主研發(fā)、技術(shù)創(chuàng)新和市場(chǎng)拓展能力的提升，我國半導(dǎo)體設(shè)備行業(yè)正逐漸崛起，未來有望完全突破國外的封鎖。在整個(gè)行業(yè)蓬勃發(fā)展的大環(huán)境下，晶圓傳輸設(shè)備的設(shè)備整體和底層硬件，也將會(huì)在不久的將來實(shí)現(xiàn)完全的國產(chǎn)化，果納半導(dǎo)體也將會(huì)成為集成電路產(chǎn)業(yè)鏈中重要且不可缺少的一環(huán)。

審核編輯：劉清