1 引言

晶圓傳輸設備又稱作晶圓設備前端模塊（EFEM），屬于半導體制造設備的重要細分領域。該類設備基本被國外（如Rorze、DAIHEN、Hirata、Fala、Sinfonia、Brooks和Nidec等）及中國臺灣的設備公司所壟斷，加之近年來國外對國內的政策限制和技術封鎖，使得國外設備的先進功能不能對國內企業開放，面對如此嚴峻的國際形勢，果納半導體公司創始人帶領團隊，結合自身行業經驗和技術實力，選擇晶圓傳輸領域，順勢成立公司，加快自研步伐，致力于解決對國外設備的依賴，加速實現獨立自主的國產化進程，逐步打破現有國產設備拼裝國外核心零部件的尷尬境地，真正開始實現填補國產零部件空白。

晶圓傳輸設備（EFEM）在整個生產線上完成晶圓的分類、預對準和傳輸等功能，是連接物料搬運系統與晶圓處理系統的橋梁，是晶圓生產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，可以根據不同的用戶需求，設備內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境。

2 晶圓傳輸設備核心技術

晶圓傳輸設備的核心部件主要包括晶圓裝載裝置、晶圓運輸機械手（Robot）、晶圓預對準機構（Pre-Aligner）和空氣過濾器（FFU）。

2.1 晶圓裝載裝置

在半導體生產過程中，晶圓需要頻繁在潔凈與超潔凈環境間進行轉換，轉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境轉換的輸入輸出端口[2]，可以說，晶圓裝載裝置是晶圓的外接設備，其被安裝在EFEM前側，用來作為晶圓進出晶圓傳輸設備的窗口，實現生產車間的軌道和加工設備之間的晶圓搬運。

晶圓裝載裝置一般由支撐框架、開盒裝置、裝載平臺、檢測機構等組成，其也可根據使用需求搭載不同功能的配置部件，例如，翻轉機構和防護罩等等。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個階段，由空中運輸小車（OHT）或人工搬運晶圓盒至裝載平臺完成裝載或卸載工作。

在晶圓轉運于不同半導體制造設備過程中，晶圓盒可在一定程度上防止晶圓盒內晶圓被微粒子附著。從半導體工藝制程的開始到結束，伴隨著晶圓從晶圓盒內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境間轉換，轉換所需的晶圓盒會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有所不同，根據晶圓盒類型，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，FOUP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）是行業內12寸晶圓裝載的通常叫法。

Loadport是EFEM與Intrabay之間的媒介，半導體廠中自動化物料搬運系統的運作，是輔助晶圓依照其加工路徑穿梭在不同的作業區 (bay)之間，當在某個作業區中執行完晶圓作業后，即由EFEM前的Loadport傳送至Intrabay搬運系統，再根據下一作業區來決定傳輸的目的地。若目的地在不同的作業區，先把Wafer存放在Stocker中，再借由Interbay系統傳輸至目的地的Stocker，最后讓目的地的Intrabay系統將晶圓盒傳至半導體設備前端模塊的Loadport，使晶圓順利進入工藝腔進行加工。

Loadport裝卸晶圓盒的具體工作步驟為：OHT或人工搬運晶圓盒至裝載平臺→裝載平臺上的夾緊機構鎖緊晶圓盒→開盒裝置吸附或夾持晶圓盒門→晶圓盒門與晶圓盒分離→檢測機構沿豎直方向運動并對盒內晶圓進行掃描檢測→運輸機械手對晶圓進行搬運→盒內晶圓被搬運完畢后開盒裝置對晶圓盒門和晶圓盒進行合并→夾緊機構對晶圓盒進行解鎖→OHT或人工搬離晶圓盒。

2.1.2 SMIF

SMIF是Standard Mechanical Interface的簡稱，其是一種標準機械接口，使用SMIF可以大大提高生產效率。SMIF用于裝載 SMIF Pod，SMIF Pod是一種內置有晶舟、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協議，可對應AGV和OHT。其不同在于，SMIF的開盒方式，開盒裝置被設置在SMIF的裝載平臺，開盒裝置包括環繞SMIF Pod的框架，框架上安裝有晶圓檢測機構，SMIF Pod被緊固在裝載平臺上，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機構對晶舟內的晶圓進行掃描檢測，由此可見，SMIF Pod的開盒與晶圓檢測時同步完成的。

2.1.3 開放式晶圓盒裝載平臺OCS

開放式晶圓盒裝載平臺OCS的結構和功能類似于晶圓裝載端口Loadport，其不同點在于開放式晶圓盒裝載平臺OCS用于裝載Open Cassette，Open Cassette是一種開放式晶圓盒，果納半導體自主研發的OCS可根據需求適應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入晶圓盒中污染晶圓，在Open Cassette放置位置上安裝有防護罩，在Open Cassette的每次裝卸前后，可手動或自動地打開或關閉防護罩。

2.1.4 特殊裝載端口

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

上海果納半導體技術有限公司研發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、晶圓移動等特殊功能，其包括晶圓盒翻轉機構、晶圓移動機構、裝載平臺、檢測機構和端口開門機構等等，其主要采用人工搬運晶圓盒至裝載平臺的方式進行搬運，其裝載工作步驟具體為：人工搬運晶圓盒至裝載平臺并開口朝上放置→人為取下開口朝上的晶圓盒蓋→裝載平臺上的夾緊機構鎖緊晶圓盒→翻轉機構翻轉晶圓盒90°使晶圓盒開口朝向裝載端口→晶圓移動機構夾持盒內所有晶圓并朝裝載端口移動→打開裝載端口門封→檢測機構沿豎直方向運動并對盒內晶圓進行掃描檢測→運輸機械手對晶圓進行搬運。該裝載端口能實現片狀物料的自動裝載、翻轉和傳輸，能提高晶圓的加工效率。

2.2 晶圓運輸機器人Robot

晶圓傳輸機器人承擔著晶圓精確定位與快速、平穩搬運任務，是半導體制造裝備中使用最多的機器人設備，其性能對半導體產業的發展至關重要。晶圓傳輸設備中晶圓的傳輸需要由晶圓運輸機器人執行完成，晶圓運輸機器人的定位傳輸精度，直接決定晶圓傳輸設備整機系統的晶圓傳輸精度。機器人運動時的平穩無振動同樣影響晶圓傳輸的精度，機器人自身的潔凈度和運行時微粒的產生量決定晶圓加工環境的潔凈度，機器人的傳輸速度決定整個生產線的生產效率。由此可見，晶圓傳輸機器人需要具備高精度、高可靠性、高速度和平穩無振動傳輸晶圓的特點[3]。

目前市場上，傳輸機器人的種類繁多，按照應用環境劃分，晶圓傳輸設備中使用的晶圓傳輸機器人可分為大氣機械手和真空機械手，按夾取方式劃分，可以分為夾持型機械手和吸附式機械手。目前，廣泛應用于晶圓傳輸設備的晶圓傳輸機器人主要有：SCARA型機器人和R-θ型機器人。SCARA型機器人是平面關節型，其有一個移動關節，沿豎直方向上移動，根據驅動方式可分為電機直接驅動和間接驅動，其代表性產品包括日本EPSON的Epson G6.651S 凈化機器人和美國克雷默曼的小型雙臂真空機器人等等。R-θ 型機器人由圓柱坐標型機器人改進而來，Z 軸垂直升降，有2個旋轉關節之間存在聯動關系，由同一個電機驅動，通過減速器和皮帶等間接傳動機構驅動這2 個關節，使得R 軸上可徑向伸縮。

機械結構是晶圓運輸機器人的肉體，控制系統則是機器人的靈魂，基于硬件系統結構，控制系統的實現方式分為：基于“PC+運動控制卡”的控制系統、基于“IPC+運動控制卡”的控制系統以及基于PLC的控制系統，其中，“PC＋多軸運動控制器”的方式在硬件程度上比較容易實現，PC被廣泛使用，可以隨時

2.3 晶圓預對準機構Pre-Aligner

晶圓加工工藝對晶圓的定位精度要求很高，晶圓被傳輸至加工工位前，需要事先對晶圓進行預對準，并通過晶圓傳輸機器人補償晶圓的定位誤差[5]，對要進行加工的晶圓進行預先定位能減小傳輸過程的誤差，因此，晶圓預對準機構是晶圓傳輸設備極其重要的組成部分。

晶圓傳輸設備對晶圓的傳輸流程是：晶圓運輸機器人手將晶圓從晶圓盒中取出，送至預對準機構上對晶圓進行定位對準；晶圓預對準后，晶圓運輸機械手取片并移送至下一個加工工位上。

晶圓的邊緣上有一個小缺口，預對準前，晶圓缺口方向是隨機的，晶圓圓心在預對準機構上的位置是未知的，預對準的目的是對晶圓的中心位置和晶圓邊緣的缺口位置進行定位，將圓心位置進行定位補償，缺口方向旋轉到指定的方向[6]。預對準機構安裝對準方式可以分為機械預對準和光學預對準，由于機械預對準的對準精度較低，預對準方式為接觸式，容易造成晶圓污染或者損傷，近些年，隨著光學技術的快速發展，光學預對準開發已成主流。

光學預對準機構主要包括機箱、旋轉單元、檢測單元、真空吸附單元和控制單元等組成，其功能包括：精確測量晶圓邊緣缺口在固定坐標系下的位置信息；計算晶圓在固定坐標系下的圓心位置偏移量和缺口方向偏移量；補償偏移的圓心位置消除定位誤差；旋轉晶圓缺口方向于指定方向周圍的規定范圍內。晶圓預對準機構的工作流程為：

(1) 晶圓傳輸機械手搬運晶圓至旋轉單元上，真空吸附單元對晶圓真空吸附固定；

(2) 旋轉單元帶動晶圓旋轉，檢測單元檢測晶圓邊緣數據，計算晶圓偏心量和缺口角度偏移量；

(3) 晶圓旋轉，調轉缺口到指定方向；

(4) 晶圓運輸機器人相對于固定坐標系平移，補償晶圓偏心。

近些年，晶圓預對準機構被不斷深入研究，晶圓預對準的算法進一步得以完善，基于線性化最小二乘圓擬合算法的不足，提出了分區域積分組合特征識別算法、系統誤差補償綜合算法和基于Levenberg-Marquardt算法的缺口擬合算法等等，使得預對準精度越來越高。

2.4 空氣過濾器單元FFU

風機過濾器單元(FFU) 是晶圓傳輸設備潔凈室內部空氣凈化的關鍵設備，是一種自帶動力、具有過濾功效、模塊化的末端送風裝置，主要用于潔凈室的吊頂或潔凈區域的上方或側面，搭配或內置高效/超高效過濾器，提供穩定的潔凈氣流，風機從FFU頂部把空氣吸入并經高效空氣過濾器過濾，過濾后的潔凈空氣在整個出風面以特定風速均勻送出，即通過氣流的推出作用和稀釋作用將室內污染物高效凈化，從而使晶圓傳輸設備內部空間微環境達到ISO Class1級別的高潔凈度要求。FFU具備低噪音、低能耗以及高效率運行的功能，其搭載的群控系統可以兼容集成多型號風機，即模塊化連接使用，可廣泛應用于潔凈室、潔凈工作臺、潔凈生產線、組裝式潔凈室和層流罩等場合[1]。

3 晶圓傳輸設備技術展望

作為半導體專用設備，晶圓傳輸設備的更新迭代需要配合晶圓制造設備相關制程來進行，隨著半導體設備行業的加速發展，國內半導體專用設備廠商在產品更新迭代方面會逐步擺脫過去的滯后性。近年來，果納半導體研發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備，例如集成多工位緩存臺設備、集成缺陷檢測系統的傳輸設備、具備提前預熱/恒溫功能的傳輸設備等等，隨著國內傳輸設備創新能力和研發水平的提升，果納半導體的晶圓傳輸設備必將朝著更高更遠的方向攀升。

關于晶圓傳輸機器人，新型直驅的晶圓搬運機器人和大尺寸高效穩定運輸機器人一直是我國機器人的研究方向之一。為了實現大尺寸晶圓高效穩定傳輸，持續開展晶圓傳輸機器人精確平穩軌跡跟蹤控制、接觸面粘滑狀態檢測、微陣列傳輸面等方面的研究，有望滿足我國半導體行業對晶圓搬運的需求，打破國外壟斷，提高技術自主性，改變受制于人的現狀。

關于晶圓預對準機構，除了分區域積分組合特征識別算法、系統誤差補償綜合算法和基于Levenberg-Marquardt算法的缺口擬合算法方向的研究，果納半導體還致力于研究基于圖像處理的AOI檢測邊緣對準系統，通過建立一套Recipe模型及其對應的數學模型，將圖像處理與數學模型相結合并應用于 AOI檢測設備的邊緣對準中。相信未來伴隨著新技術、新工藝的加入，體積更小、使用更方便、精度更高、速度更快的晶圓預對準機構會不斷面世。

目前，晶圓裝載裝置、晶圓搬運機器人和預對準機構都在逐步實現國產替代，但裝置中一些精密部件，例如，電機、運動控制功放板卡、精密傳感器等，大部分仍是外購，受國外技術封鎖的影響，有可能導致特定的新功能的晶圓傳輸設備開發的靈活性受限的局面，因此，提高系統的底層硬件的自主性是也將是國產化的一個關鍵。

隨著自主研發、技術創新和市場拓展能力的提升，我國半導體設備行業正逐漸崛起，未來有望完全突破國外的封鎖。在整個行業蓬勃發展的大環境下，晶圓傳輸設備的設備整體和底層硬件，也將會在不久的將來實現完全的國產化，果納半導體也將會成為集成電路產業鏈中重要且不可缺少的一環。

審核編輯：劉清