外延生长设备EFEM 系统设计

陈国钦，吴 限，周立平，巴 赛

( 中国电子科技集团公司第四十八研究所， 湖南 长沙 410111)

半导体设备前端模块（Equipment Front End Module，EFEM）是连接物料搬运系统和晶圆处理系统的桥梁，确保晶圆能在高洁净环境下传输到工艺、检测模块，是半导体设备的重要系统[1]。在外延生长领域，对于基于感应加热原理的水平气流式设备，目前承载晶圆的装置普遍采用平面盘状的石墨基座。针对单片式反应设备，晶圆的装载和卸载较为适合用自动化模式进行操作。半导体领域对晶圆正面的洁净度是非常苛刻的，由于晶圆正面是化学气相沉积的反应区域，应避免晶圆的正面与任何类型的机构进行接触，否则可能严重影响工艺质量，从而容易导致器件存在致命缺陷。因此，在保证洁净度的前提下，为了实现自动移动晶圆，只能通过接触晶圆背面或边缘来进行晶圆装卸操作。

为了避免接触晶圆正面的前提下在基座上装卸晶圆，通常有2 种方式：（1）采用人工方式进行装卸操作。通过手动分离、更换、对齐斜边的方法，可避免接触晶圆正面的同时实现基座上装卸晶圆，然而存在效率慢，人为干扰因素大，制约了规模化批量生产等缺点；（2）在基座中做成通孔形活动部件，在晶圆装卸时用穿过通孔的顶升机构使晶圆升起，顶升机构可以向上运动来实现升起，也能向下运动使晶圆落在基座上。虽然这种方式能够保证不与晶圆正面接触的条件下实现晶圆装卸，但是石墨基座中开孔后，在感应线圈作用下会引起石墨基座内电流流动不均匀，导致温度场不均匀，进而影响工艺效果。

本文介绍了外延设备EFEM 系统，研究了一种避免接触晶圆正面的高效且安全地在基座上自动化装卸晶圆的系统设计及运行机制。

1 系统工作原理

外延设备EFEM 系统为全自动晶圆传送与分离组合系统，其工作方式分为装载与卸载2 种模式。（1）装载模式：由大气机械臂负责从晶圆盒内将晶圆传送至晶圆对准器进行对准后，再传送至分离组合装置，进行晶圆与载片盘环和载片盘底座的自动组合，如图1 所示，在视觉系统识别检测通过后传送至Loadlock，随后进行相关工艺；（2）卸载阶段：由大气机械臂从Loadlock 将带有晶圆的载片盘传送至分离组合装置，装置将晶圆从载片盘环和载片盘底座中分离出，经视觉系统识别通过后，由机械臂传送晶圆至晶圆对准器实现晶圆对准，最终传送回晶圆盒。设备工作原理如图2 所示。

图1 晶圆与载片盘的组合与分离示意

图2 系统运行原理图

2 系统组成

系统主要由分离组合装置、机器视觉系统、晶圆对准器、机械臂、控制系统组成，如图3 所示。

图3 系统组成示意图

2.1 分离组合装置

分离组合装置是实现晶圆与载片基座的分离与组合的核心装置，其设计如图4 所示。装置主体利用顶升机构，实现晶圆相对于载片圆环的升/降，进而组装成载片基座，例如：在晶圆的装载过程中，随着顶升机构下降，晶圆在重力作用下下降，通过晶圆对准器和机器视觉系统的配合，使晶圆、载片圆环和基座三者分离与组合，进而实现晶圆在载盘内的自动装载/卸载。

图4 分离组合装置设计示意图

2.2 机器视觉系统

系统配备了工业相机和激光测距传感器，其中，工业相机采用CMOS 千兆以太网工业面阵相机，通过边缘拟合算法，圆心坐标识别精度可达±0.05 mm，角度坐标识别精度可达±0.1°，满足高分辨率对象识别要求，并可高速实时传输图像，而测距传感器配合工业相机全面拓展空间距离感知能力，基于识别检测规则与算法，有效增强视觉识别准确度[2，3]。本文利用机器视觉系统，针对晶圆、载片圆环和基座的三者关系状态进行视觉识别和距离感知，判别各阶段是否满足任务要求并识别斜边角度偏差，保障自动化装卸的任务顺利完成。

2.3 晶圆对准器

晶圆对准器主要用于找准晶圆的斜边和圆心，其选型如表1 所示。在机器视觉系统完成载片圆环的斜边的角度计算后，对晶圆进行相应的角度姿态和圆心调整，在机械手和分离组合机构的共同配合下，实现晶圆与载片圆环的姿态匹配及装载。

表1 系统的晶圆对准器选型

2.4 机械臂

该系统中的机械臂采用伺服驱动的高精度单臂大气机械臂，兼容搬运晶圆和载片盘，衔接晶圆与盘环在分离组合机构位置的过渡与调整，同时，协调配合晶圆对准器补偿晶圆传输过程中的位置误差。

2.5 控制系统

控制系统采用上位机与下位机的组合设计，其中，上位机采用工控机，提供友好的人机界面，下位机基于高可靠性的PLC，实现数据采集与安全互锁。

3 分离组合运行流程

3.1 设计原则

3.1.1 可靠性

机械臂的搬运对象为晶圆材料，不仅薄而且容易破碎，在自动化分离组合的过程要求准确、可靠。因此对分离组合的状态判断是控制系统的关键。其系统状态识别包含两个方面的内容：（1）在水平方向上，晶圆轮廓与载片圆环的轮廓匹配；（2）在垂直方向上，对载片盘环的平整度检测。

3.1.2 高效性

在保持可靠性的基础上，实现最高效的生产是半导体前端设备的重要需求。本文的高效性体现在两个方面：（1）采用CMOS 千兆以太网工业面阵相机，完成高速实时图像的传输，实现了高速算法识别与智能判断。（2）可扩展配置载片盘缓存区，提升组合和分离的整体效率。

3.1.3 洁净度

该系统要求在洁净的环境下开始工作，洁净环境中的污染则主要来自载片盘和圆环相对运动摩擦所产生的颗粒。本系统通过配备机械手石英隔离手套，以此避免机械手指的颗粒污染影响到晶圆，同时配套清洁器等外围条件，实现系统的高洁净度。

3.2 分离流程设计

（1）机械手取隔离手套，将晶圆- 盘环组合放在升降台芯轴上、利用工业相机指引，机械手将组合体调整到分离中心；

（2）升降平台下降，载片盘底座同步下降，环与晶圆落在平台上，机械手取走底座，实现底座与环分离；

（3）升降平台上升，顶起晶圆，视觉系统进行分离状态判断，查看是否存在卡片，在正常情况下，机械手卸下隔离手套，取走晶圆，实现晶圆与环的分离，分离过程如图5 所示。

图5 分离流程示意图

3.3 组合流程设计

（1）机械手取盘环组合放在升降台芯轴上、利用工业相机指引，机械手将组合体调整到分离中心；

（2）升降平台下降，载片盘底座同步下降，环落在平台上，机械手取走底座，实现底座与环分离；

（3）升降平台上升，等待晶圆，机械手卸下隔离手套，利用工业相机获取盘的姿态和位置调整量，将待加工晶圆放至校准器实现对目标姿态调整，从校准器取出叠加上位置调整量放至升降台；

（4）升降台下降完成晶圆和环的组合，视觉系统进行组合状态的判断，确认其是否平整，取载片盘放到升降台芯轴上，完成载片盘、环、晶圆的组合。

4 结 论

本文介绍了一种外延生长设备EFEM 系统设计方案，可实现在不用直接接触晶圆正面的条件下，晶圆与载片盘之间的自动化分离与组合，保证晶圆洁净度。该系统主要利用顶升机构、机械臂及对准器，结合机器视觉辅助判断，使得装载流程具有高效、高精度且稳定的优点。该系统已在相关机型得到应用和测试，能够可靠高效地运行。