外延生長設備EFEM 系統設計

陳國欽，吳 限，周立平，巴 賽

( 中國電子科技集團公司第四十八研究所， 湖南 長沙 410111)

半導體設備前端模塊（Equipment Front End Module，EFEM）是連接物料搬運系統和晶圓處理系統的橋梁，確保晶圓能在高潔凈環境下傳輸到工藝、檢測模塊，是半導體設備的重要系統[1]。在外延生長領域，對于基于感應加熱原理的水平氣流式設備，目前承載晶圓的裝置普遍采用平面盤狀的石墨基座。針對單片式反應設備，晶圓的裝載和卸載較為適合用自動化模式進行操作。半導體領域對晶圓正面的潔凈度是非常苛刻的，由于晶圓正面是化學氣相沉積的反應區域，應避免晶圓的正面與任何類型的機構進行接觸，否則可能嚴重影響工藝質量，從而容易導致器件存在致命缺陷。因此，在保證潔凈度的前提下，為了實現自動移動晶圓，只能通過接觸晶圓背面或邊緣來進行晶圓裝卸操作。

為了避免接觸晶圓正面的前提下在基座上裝卸晶圓，通常有2 種方式：（1）采用人工方式進行裝卸操作。通過手動分離、更換、對齊斜邊的方法，可避免接觸晶圓正面的同時實現基座上裝卸晶圓，然而存在效率慢，人為干擾因素大，制約了規?；可a等缺點；（2）在基座中做成通孔形活動部件，在晶圓裝卸時用穿過通孔的頂升機構使晶圓升起，頂升機構可以向上運動來實現升起，也能向下運動使晶圓落在基座上。雖然這種方式能夠保證不與晶圓正面接觸的條件下實現晶圓裝卸，但是石墨基座中開孔后，在感應線圈作用下會引起石墨基座內電流流動不均勻，導致溫度場不均勻，進而影響工藝效果。

本文介紹了外延設備EFEM 系統，研究了一種避免接觸晶圓正面的高效且安全地在基座上自動化裝卸晶圓的系統設計及運行機制。

1 系統工作原理

外延設備EFEM 系統為全自動晶圓傳送與分離組合系統，其工作方式分為裝載與卸載2 種模式。（1）裝載模式：由大氣機械臂負責從晶圓盒內將晶圓傳送至晶圓對準器進行對準后，再傳送至分離組合裝置，進行晶圓與載片盤環和載片盤底座的自動組合，如圖1 所示，在視覺系統識別檢測通過后傳送至Loadlock，隨后進行相關工藝；（2）卸載階段：由大氣機械臂從Loadlock 將帶有晶圓的載片盤傳送至分離組合裝置，裝置將晶圓從載片盤環和載片盤底座中分離出，經視覺系統識別通過后，由機械臂傳送晶圓至晶圓對準器實現晶圓對準，最終傳送回晶圓盒。設備工作原理如圖2 所示。

圖1 晶圓與載片盤的組合與分離示意

圖2 系統運行原理圖

2 系統組成

系統主要由分離組合裝置、機器視覺系統、晶圓對準器、機械臂、控制系統組成，如圖3 所示。

圖3 系統組成示意圖

2.1 分離組合裝置

分離組合裝置是實現晶圓與載片基座的分離與組合的核心裝置，其設計如圖4 所示。裝置主體利用頂升機構，實現晶圓相對于載片圓環的升/降，進而組裝成載片基座，例如：在晶圓的裝載過程中，隨著頂升機構下降，晶圓在重力作用下下降，通過晶圓對準器和機器視覺系統的配合，使晶圓、載片圓環和基座三者分離與組合，進而實現晶圓在載盤內的自動裝載/卸載。

圖4 分離組合裝置設計示意圖

2.2 機器視覺系統

系統配備了工業相機和激光測距傳感器，其中，工業相機采用CMOS 千兆以太網工業面陣相機，通過邊緣擬合算法，圓心坐標識別精度可達±0.05 mm，角度坐標識別精度可達±0.1°，滿足高分辨率對象識別要求，并可高速實時傳輸圖像，而測距傳感器配合工業相機全面拓展空間距離感知能力，基于識別檢測規則與算法，有效增強視覺識別準確度[2，3]。本文利用機器視覺系統，針對晶圓、載片圓環和基座的三者關系狀態進行視覺識別和距離感知，判別各階段是否滿足任務要求并識別斜邊角度偏差，保障自動化裝卸的任務順利完成。

2.3 晶圓對準器

晶圓對準器主要用于找準晶圓的斜邊和圓心，其選型如表1 所示。在機器視覺系統完成載片圓環的斜邊的角度計算后，對晶圓進行相應的角度姿態和圓心調整，在機械手和分離組合機構的共同配合下，實現晶圓與載片圓環的姿態匹配及裝載。

表1 系統的晶圓對準器選型

2.4 機械臂

該系統中的機械臂采用伺服驅動的高精度單臂大氣機械臂，兼容搬運晶圓和載片盤，銜接晶圓與盤環在分離組合機構位置的過渡與調整，同時，協調配合晶圓對準器補償晶圓傳輸過程中的位置誤差。

2.5 控制系統

控制系統采用上位機與下位機的組合設計，其中，上位機采用工控機，提供友好的人機界面，下位機基于高可靠性的PLC，實現數據采集與安全互鎖。

3 分離組合運行流程

3.1 設計原則

3.1.1 可靠性

機械臂的搬運對象為晶圓材料，不僅薄而且容易破碎，在自動化分離組合的過程要求準確、可靠。因此對分離組合的狀態判斷是控制系統的關鍵。其系統狀態識別包含兩個方面的內容：（1）在水平方向上，晶圓輪廓與載片圓環的輪廓匹配；（2）在垂直方向上，對載片盤環的平整度檢測。

3.1.2 高效性

在保持可靠性的基礎上，實現最高效的生產是半導體前端設備的重要需求。本文的高效性體現在兩個方面：（1）采用CMOS 千兆以太網工業面陣相機，完成高速實時圖像的傳輸，實現了高速算法識別與智能判斷。（2）可擴展配置載片盤緩存區，提升組合和分離的整體效率。

3.1.3 潔凈度

該系統要求在潔凈的環境下開始工作，潔凈環境中的污染則主要來自載片盤和圓環相對運動摩擦所產生的顆粒。本系統通過配備機械手石英隔離手套，以此避免機械手指的顆粒污染影響到晶圓，同時配套清潔器等外圍條件，實現系統的高潔凈度。

3.2 分離流程設計

（1）機械手取隔離手套，將晶圓- 盤環組合放在升降臺芯軸上、利用工業相機指引，機械手將組合體調整到分離中心；

（2）升降平臺下降，載片盤底座同步下降，環與晶圓落在平臺上，機械手取走底座，實現底座與環分離；

（3）升降平臺上升，頂起晶圓，視覺系統進行分離狀態判斷，查看是否存在卡片，在正常情況下，機械手卸下隔離手套，取走晶圓，實現晶圓與環的分離，分離過程如圖5 所示。

圖5 分離流程示意圖

3.3 組合流程設計

（1）機械手取盤環組合放在升降臺芯軸上、利用工業相機指引，機械手將組合體調整到分離中心；

（2）升降平臺下降，載片盤底座同步下降，環落在平臺上，機械手取走底座，實現底座與環分離；

（3）升降平臺上升，等待晶圓，機械手卸下隔離手套，利用工業相機獲取盤的姿態和位置調整量，將待加工晶圓放至校準器實現對目標姿態調整，從校準器取出疊加上位置調整量放至升降臺；

（4）升降臺下降完成晶圓和環的組合，視覺系統進行組合狀態的判斷，確認其是否平整，取載片盤放到升降臺芯軸上，完成載片盤、環、晶圓的組合。

4 結 論

本文介紹了一種外延生長設備EFEM 系統設計方案，可實現在不用直接接觸晶圓正面的條件下，晶圓與載片盤之間的自動化分離與組合，保證晶圓潔凈度。該系統主要利用頂升機構、機械臂及對準器，結合機器視覺輔助判斷，使得裝載流程具有高效、高精度且穩定的優點。該系統已在相關機型得到應用和測試，能夠可靠高效地運行。