一、設備前端模塊（EFEM）
1.EFEM介紹
EFEM（Equipment Front End Module，設備前端模塊） 是半導體制造設備中的關鍵子系統，主要用于晶圓（Wafer）的自動化傳輸和微環境控制。它位于工藝設備（如刻蝕機、薄膜沉積設備等）的前端，作為晶圓進出工藝腔室的“橋梁”，確保晶圓在傳輸過程中不受污染，同時提高生產效率和自動化水平。
2.EFEM結構及功能
EFEM(設備前端模塊)內部結構和系統主要分為三大塊，微環境功能模塊、自動化功能模塊和軟件模塊。
（1）微環境模塊
功能：
提供高潔凈度的局部環境，確保晶圓在傳輸過程中不受外部污染。通過高效過濾器（HEPA/ULPA）和氣流控制（垂直層流或負壓設計）維持穩定的溫濕度及顆粒度等級。
關鍵組件：
? 潔凈腔體（Mini-Environment）：封閉式結構，內置傳感器監測顆粒、溫濕度等。
? FFU（Fan Filter Unit）：提供過濾后的潔凈氣流。
? 氮氣 purge 功能：可選配置，用于氧敏感工藝。
（2）自動化功能模塊
功能：
實現晶圓在載具（如FOUP）與工藝腔室之間的精準、高速搬運。
支持多晶圓尺寸（如200mm/300mm）和多種載具類型。
關鍵組件：
? 機械手（Robot）：多軸機械臂（如SCARA型或6軸機器人），配備末端執行器（End Effector）抓取晶圓。高精度定位（±0.1mm以內）和防撞設計。
? 載具端口（Load Port）：對接FOUP/FOSB，支持自動門開啟和晶圓映射（Wafer Mapping）。
? 對準器（Aligner）：校正晶圓的位置和角度（Notch/Orientation）。
? 緩沖站（Buffer Station）：臨時存儲晶圓，優化傳輸效率。
（3）軟件模塊
功能：
控制硬件動作（如機械手路徑規劃、載具通信）。
與工廠上層系統（MES/EAP）集成，實現生產數據管理和故障診斷。
關鍵子系統：? SECS/GEM 通信：符合SEMI標準，與主機系統交換晶圓加工指令和狀態信息。
? 運動控制軟件：機械手軌跡優化、防抖算法、故障恢復邏輯。
? Wafer Tracking：通過RFID或條碼識別晶圓ID，記錄傳輸歷史。
? 診斷與日志：實時監控設備狀態，生成報警和維護報告。
二、晶圓裝載系統（Load port）
1.Load port結構
Load Port（載具端口）是EFEM（設備前端模塊）的關鍵組成部分，主要用于對接晶圓載具（如FOUP/FOSB），實現自動化晶圓傳輸。
Load port一般有1~4個裝載區，可以同時放置1~4個料盒（Foup）,具體數量是可以進行定制的。
Load port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。
整個過程將會有實時畫面的機臺電腦端進行動畫演示，任何一個步驟出現問題都將會觸發設備報警，并暫停一些傳輸機械動作，等待工程師來進行處理。常見的報警有Foup盒開門/關門fail、檢測出晶圓有凸出或者疊片異常、料盒中的晶圓數量與MES系統不對應、Foup ID識別Fail等等。
2.Load port功能（全自動化設備）
具備RFID功能，能夠自動識別出Foup盒的編號（ID），并實時顯示在電腦端；
放置標準(Mounting)滿足SEMI E63標準。
具備壓力檢測傳感器，檢測Foup位置是否有偏移。
平臺高度標準(FOUP/FOSB Load Height)符合SEMI E1.5 / E63。
符合半導體的E84標準，支持OHT/移動機器人的搬運。
符合SECS/GEM、TCP/IP等協議。
具有自動開門/關門功能、晶圓數量和盒內位置、晶圓突出檢測功能，有異常時機械動作停止并報警。
晶圓工藝完成后放回料盒過程中，需確保無斜插或插錯槽位現象，且圓片不可與片架等物體發生碰撞。
Load port密封性良好，防止因氣密性不良造成wafer污染。
支持N2 purge，確保Foup內處于N2狀態，防止wafer污染及氧化。
3.Load port如何讀取Foup ID
在每一個FOUP盒子上植入RFID標簽，RFID標簽內錄入了晶圓的信息，且RFID標簽內具有唯一的ID編碼。不同制造設備處的RFID識讀器用于識別RFID標簽，了解該標簽目前的完成進度，查看不同RFID標簽內錄入的相應工作流程與控制系統處進行核對檢驗，確認并進行下一步的加工流程。
如下圖所示，是RFID模塊識別Foup ID的原理示意圖，Foup放到Load port上后，設備上的紅外傳感模塊就會識別到Foup RFID標簽，通過RFID讀寫模塊，識別出標簽信息，即Foup ID；識別出Foup ID后，通過EAP系統將信息傳輸到設備主機以及MES系統中。
RFID工作原理
ID讀取器在Loadport中的位置
4.Load port如何識別Load port上面有Foup
1. 機械接觸式檢測（限位開關/微動開關）
原理：
在 Load Port 的載具放置區域安裝 機械限位開關（Limit Switch）。當 FOUP 放置到位時，觸發開關，發送信號給控制系統。
優點：
? 結構簡單，成本低
? 抗干擾能力強
缺點：
? 機械磨損，壽命有限
? 需要精準定位，否則可能誤觸發
? 適用場景：
? 早期設備或低成本方案
2. 光電傳感器（非接觸式檢測）
（主流方式，300mm FOUP 常用）
檢測方式
? 反射式光電傳感器：發射紅外光，檢測 FOUP 底部反射信號。如果反射光被接收，說明 FOUP 存在。
? 對射式光電傳感器：一端發射光，另一端接收，FOUP 遮擋時觸發信號。
優點：
? 非接觸式，無機械磨損
? 響應快（毫秒級）
? 可檢測 FOUP 是否完全放置到位
缺點：
? 可能受環境光干擾（需選用抗干擾型號）
? 灰塵或污染可能影響檢測
行業標準：
SEMI E15/E19（FOUP 尺寸標準化，確保傳感器兼容性）
3. 壓力傳感器（稱重檢測）
原理：
Load Port 臺面集成 壓力傳感器/稱重模塊。當 FOUP 放置后，重量變化觸發檢測信號。
優點：
? 可檢測 空載/滿載 FOUP（防止超重或異常）
? 不受光學污染影響
缺點：
? 成本較高
? 需定期校準
適用場景：
需要檢測 FOUP 重量的高端設備
4. RFID/條碼驗證（二次校驗）
原理：
在檢測到 FOUP 物理存在后，進一步通過 RFID 或條碼掃描 確認載具身份。如果無法讀取 ID，可能判定為無效 FOUP。
優點：
? 提高安全性，防止錯誤載具進入
? 與 MES 系統聯動，實現全自動化
缺點：
? 依賴額外的識別系統
5. 真空吸附檢測（少數設備使用）
原理：
Load Port 臺面有 真空吸附孔，FOUP 放置后形成密封。真空壓力傳感器檢測是否吸附成功，確認 FOUP 存在。
優點：
? 高可靠性，適合嚴苛環境
缺點：
? 結構復雜，維護成本高
三、晶圓傳輸機械手（Robot）
1.Robot介紹
半導體機械手（Robot）是半導體設備的重要零部件之一，通常由控制器、驅動器、手臂及末端執行器等部分組成，具有高潔凈度、高平穩性、高精度、高效率和高可靠性的特點。半導體機械手主要應用于半導體制造的前段工序，用于搬送、運輸以及定位半導體晶圓。
2.Robot分類
（1）應用環境分類（大氣機械手與真空機械手）
半導體機械手根據應用環境主要分為大氣機械手和真空機械手兩類。大氣機械手主要用于涂膠、顯影、光刻、爐管、濕法工藝等常壓環境下的晶圓傳輸，采用輕金屬材料、伺服電機和諧波減速器實現高速平穩運行，具有成本低、維護簡便的特點，占據60%以上的市場份額。真空機械手則應用于PVD、刻蝕、CVD等真空環境，通過直驅電機、真空隔離和精密伺服控制實現高效傳輸，對材料要求極為嚴苛，需防止氣體揮發、耐受高溫輻射并控制顆粒污染，雖然成本較高但能確保真空環境的穩定性和工藝精度。兩類機械手在材料選擇、驅動方式和環境適應性等方面存在顯著差異，共同滿足半導體制造不同工藝環節的自動化需求。
（2）機械手拿持晶圓的方式（真空吸附、機械夾持、伯努利機械手）
真空吸附通過負壓原理穩定吸取晶圓表面，適用于平整晶圓且不會造成機械應力。
機械夾持采用精密的邊緣夾持機構直接固定晶圓外緣，適合特殊工藝需求但存在接觸污染風險。
伯努利機械手則利用氣體動力學原理形成非接觸式懸浮支撐，通過氣流在晶圓下方產生低壓區實現無接觸搬運，特別適用于超潔凈環境和易碎晶圓傳輸，能完全避免物理接觸造成的污染或損傷。
這三種方式各具特點，分別滿足不同工藝環境和晶圓類型的傳輸需求，其中真空吸附應用最廣泛，伯努利機械手則主要用于對潔凈度要求極高的先進制程。
3.機械手材質分類（氧化鋁陶瓷機械手、碳化硅陶瓷機械手）
在半導體設備中，機械手（robot）通常采用的材質主要分為氧化鋁陶瓷和碳化硅陶瓷兩大類，每種材質都有其獨特的優缺點。
氧化鋁陶瓷機械手的優點
? 強度高、硬度大：氧化鋁陶瓷的純度越高，其強度也越高，適合用于半導體設備的機械搬運。電絕緣性能好：氧化鋁陶瓷在室溫下的電阻率高達10^15 Ω·cm，絕緣強度可以達到15 kV/mm。
? 耐熱性能優良：熔點高達2050℃，在半導體熱處理時不易變形，適合高精度的操作。
? 化學穩定性好：氧化鋁陶瓷化學性能穩定，不會污染半導體零件。
? 加工技術成熟，性價比高：氧化鋁陶瓷材料易于獲取，價格相對較低，加工技術成熟。
氧化鋁陶瓷機械手的缺點
相比其他高性能材料，可能在極端環境下（如更高的溫度或腐蝕性環境）的表現不如碳化硅陶瓷。
碳化硅陶瓷機械手的優點
? 強度高、硬度高：碳化硅陶瓷具有極高的強度和硬度，耐磨性能優良。
? 熱導性優良：碳化硅陶瓷的熱導性較高，適合用于需要散熱的場合。
? 重量輕：與氧化鋁相比，碳化硅陶瓷的密度較低，重量更輕。
碳化硅陶瓷機械手的缺點
? 加工難度：與氧化鋁相比，碳化硅陶瓷的加工難度較大，成本較高。
? 價格較高：由于其優良的性能和加工難度，碳化硅陶瓷的價格通常高于氧化鋁陶瓷。
總結來說，氧化鋁陶瓷機械手因其卓越的性價比在半導體設備中更為常用，而碳化硅陶瓷機械手則適用于需要極端性能的場合。選擇哪種材質的機械手，需要根據具體的應用需求和預算進行考慮。
四、晶圓尋邊器（Aligner）
1.Aligner的功能和作用
晶圓定位邊（wafer flat）和凹槽（notch）是晶圓制造過程中用于確定晶圓方向的重要特征，它們在晶圓的加工、對準和檢測中發揮著至關重要的作用。
在半導體設備EFEM中的晶圓尋邊器（Aligner）就是用來進行晶圓定位和對準的，是EFEM的核心部件，可以精準地進行晶圓的中芯定位和角度補正，晶圓位置≤±0.1mm;晶圓缺邊/缺口≤±0.1°。
晶圓尋邊器（Aligner）的功能主要有兩個，一個是進行晶圓中心定位，另一個是尋邊（角度補正）。
為啥需要做晶圓中心定位呢？是由于晶圓在Foup中的位置由于在運輸過程中會產生一定的偏移，因此機械手拿持時導致無法確保晶圓位于機械手的正中心，因此需要采用Aligner進行晶圓中心定位，其目的就是使得晶圓中心正好位于校準機構的中心。此后，機械再從校準機構上傳輸晶圓時就能夠保證晶圓中心與機械手的中心重合，保障了晶圓在設備工藝腔體中的位置一致，消除由于偏移導致的工藝質量不穩定性及保證批間一致性。
為啥需要進行晶圓尋邊呢？因為在光刻、摻雜、刻蝕等多個工藝中，對于晶圓在腔體中放置的方向，因此確定晶圓平邊及凹槽的位置，保證工藝效果。
2.Aligner的分類及工作原理
（1）光學尋邊
光學尋邊：
光學尋邊系統通常包含光源、光學鏡頭和圖像傳感器（如CCD或CMOS）。光源發出的光線照射到晶圓表面，晶圓邊緣會反射光線。通過光學鏡頭將帶有晶圓邊緣信息的反射光聚焦并成像在圖像傳感器上。對于晶圓，其邊緣是一條連續的曲線，在圖像中表現為灰度值突然變化的輪廓，一旦識別出邊緣特征，就可以確定晶圓邊緣在圖像中的坐標。
晶圓中心定位：
晶圓在chuck的home位自轉時，傳感器通過掃描全周邊緣計算實際中心與chuck中心的x、y偏移量。根據這些偏移量，驅動x/y軸對位平臺補償偏差，使晶圓中心校準至原chuck中心。
（2）機械尋邊
針對不可使用真空吸附方式進行校準的Aligner，校準器對晶圓進行邊緣夾持后多次往復旋轉，由對稱布置的兩套檢測傳感器針對晶圓邊緣弧線進行檢測，計算得出晶圓中心及切邊和缺口信息后，夾持CHUCK在X、Y方向上進行中心定位校準，并同步實現角度補正。
五、總結
半導體制造設備中的EFEM（設備前端模塊）、Load Port（載具端口）、Robot（機械手）和Aligner（對準器）構成了晶圓自動化傳輸的核心系統，各組件協同工作確保制造過程的高精度與高效率。EFEM作為"智能門戶"提供潔凈環境與自動化調度，Load Port實現載具精準對接與晶圓信息管理，Robot完成高速高精度的晶圓搬運，Aligner則確保晶圓精確定位。隨著制程演進至3nm及以下節點，該系統正呈現三大發展趨勢：精度要求從微米級邁向納米級（<10nm），智能化程度通過AI算法和數字孿生技術持續增強。這些關鍵組件的技術突破直接決定了先進制程的良率與產能，是半導體設備創新的重點領域。
