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摘要：随着半导体制造活动的日益增多，半导体设备前端模块在半导体制造中的地位显著提高。本文首先介绍半导体设备前端模块关键技术，接下来围绕半导体设备前端模块设计与实现展开分析，最后着重探究半导体设备前端模块关键技术的应用检验。旨在为相关设计人员、技术人员提供思路，确保半导体设备前端模块的桥梁作用在传递物料、控制机台、协调工艺流程中平稳发挥，更好地服务于集成电路制造业发展。

关键词：半导体；设备前端模块；关键技术；应用

引言：半导体设备前端模块英文简称为EFEM，它主要用于硅片传输，实现物料搬运系统与硅片处理系统的顺畅连接，满足集成电路制造业高效加工、优质加工的需求。EFEM设计与实现，应以关键技术为支撑，确保半导体设备供需达到平衡状态，逐步推动集成电路制造业迈向发展新台阶。由此可见，深入研究半导体设备前端模块关键技术与应用具有必要性和迫切性。

1半导体设备前端模块关键技术分析

半导体设备前端模块关键技术包括洁净系统设计及优化技术、无接触供电技术、系统可靠性技术、物流调度分析等共性关键技术，关键技术之间互相作用、互相影响，大大优化半导体设备前端模块设计效果，并为集成电路制造业转型升级提供可靠的技术支持[1]。

对于清洁技术，半导体设备前端模块生产制造要在超净化环境中进行，基于清洁技术减少污染。据测试可知，集成电路洁净室的污染来源及其占比如表1所示。

清洁技术的应用表现，以洁净室、操作环境的净化级别以及生产用材达标为条件，针对操作环境科学管理，并落实日常大量清洗工作[2]。

对于无接触供电技术（CPT），即半导体设备前端模块突破布线局限性，基于电磁感应或电磁波进行电能传输，满足设备用电需求。对于系统可靠性技术，即利用该技术推进半导体设备前端模块可靠性设计，具体结合应用场景，以及质量要求，有效运用覆盖面广、覆盖率高的安全边际技术，并严控材料质量，保证通信安全性。最后基于该技术进行可靠性评估，先后进行环境试验、X光检查、变频诱导伤害，针对性改进半导体设备前端模块设计方案。对于物流调度分析技术，细分为自动化物料搬运系统、搬运机器人，赋能半导体设备前端模块的物料调度及自动化管理，实现物料精准、高效、灵活传输，保证物料搬运的稳定性[3]。

2半导体设备前端模块设计

2.1总体设计

参照SEMI E63 BOLTS标准细化半导体设备前端模块设计参数，具体如表2：

基于新松公司半导体设备前端模块样机，围绕装载端口、晶圆预对准装置、机械手操作机、风机滤器单元四个组成部分进行总体设计。

第一，装载端口。外接晶片装载设备负责搬运晶圆，将其由轨道运至加工设备。装载端口的位置在半导体设备前端模块前，既是窗口，又是介质。装载端口的装载步骤如图1。

第二，晶圆预对准装置。由机械式预对准系统发展到光学预对准系统，逐渐满足低成本、轻污染、高精度传输要求。随着技术水平的提高，以及计算机设备优化，硅片预对准系统研发工作提上日程，更好地满足高精度定位、短时定位等多元需求[4]。

第三，机械手操作机。常见对称连杆式和SCARA式，具有空间占用面积小、精度高、技术先进、可靠性强等特点。机械手操作机设计过程中，以模块化设计理念为驱动，以用户需求为导向，实现个性化设计、自由式设计[5]。半导体设备前端模块的机械手负责晶圆位姿调整、晶圆加工等，一定程度上提高整机性能。

第四，风机滤器单元。它属于末端送风装置，适用于洁净室、洁净工作区等，起到空气过滤的作用。风机滤器单元常见长方体、坡形两种形式，表现为整体结构和分体结构。风机滤器单元设计环节，应以环境洁净度要求为依据，确保实测洁净度与要求洁净度契合，真正助力于真空洁净环境打造。

2.2功能设计

2.2.1在线检测

在线检测装载端口功能可知，多数先进功能（如开门机构、探测功能、控制系统、密封性等）因技术受限、价格高昂而无法实现，这无疑会缩小转载端口的适用范围，影响半导体设备前端模块实用性。立足市场需求，日后多功能研发工作刻不容缓。检测可知，晶圆预对准装置性能受机械尺寸、吸盘吸附力、气缸升降三种因素影响[6]。半导体设备前端模块的机械手操作机采用轻量手臂、铁磁流体的密封装置，且配备高刚性减速器，满足高速、高精度的运动需求。风机过滤器单元检测内容包括过滤器性能、风机性能，以及高效空气过滤器的过滤效率，检测过程中参照相关标准，得知检测结果是否能达到要求，并针对性改进过滤器、风机的不当之处，大大提高其性能。

2.2.2动态控制

围绕预对准装置开发环节存在的问题动态控制，通过机械式调整来提高问题处理效率，具体而言，保证丝杠与导轨平行度；调整旋转密闭结构，减小摩擦扭矩；沿导轨向设置硬限位，避免出现意外；优控缩减体积，减轻四壁质量。动态控制期间，还要灵活启动关键技术，如机械手与Aligner高精度配合、晶圆旋转部分精确控制等。机械手操作机动态控制时，采用伺服驱动模式，其中SCARA真空机械手在驱静密封技术加持下可靠性运用。控制风机滤器单元的高效过滤器时，应在更换环节掌握拆箱、搬运、安装的技巧，避免因光照、运输不当而出现破损[7]。

3半导体设备前端模块的实现

半导体设备前端模块设计后，借助Solidworks软件建模、仿真，并通过适当修正，尽快实现半导体设备前端模块的高效开发与应用。仿真分析模型模拟装载端口的装载过程，具体步骤如下：

首先，构建联合仿真平台。即Solidworks仿真+Matlab仿真，搭建仿真平台时，遵循压缩文件下载、压缩包安装、Matlab自动服务器、Solidworks插件安装、三维模型构建、三维模型导入的步骤。

其次，建立联合仿真模型。确定适宜杆件，并设置坐标轴方向，导出含有Solidworks模型信息参数且适用于Matlab的模块。视情况增加驱动关节，安装检测传感装置。

再次，仿真模型中输入速度信号，向机构运动传送激励信号。在Joint Actuator驱动模块作用下，保证开门机构中的滑块按预定轨迹运动以驱动整个开门机构动作。

最后，比较传统机构的运动数据和连杆理论的运动数据，如表3所示。发现连杆理论的运动数据平稳变化，呈现过渡性，能够更好地执行开盒动作，并具备映射定位功能。

传统结构的装载端口采用对射式光纤传感器，分别借助三个气缸驱动开合装置和映射定位系统运动。从运动形式来看，以竖直运动和绕同一支点的转动实现共同驱动。然而Matlab中的Simulink/SimMechanism以产品尺寸为依据，相应设置模型中机构参数。

为确保执行机构能准确地模拟运动轨迹，更好地满足半导体设备前端模块机械手抓取晶圆的工作需求，所以要合理编写控制信号的程序，具体如下：

概括而言，建立装载端口模型之后，速度信号纳入仿真模型，形成激励信号。仿真期间，输出运动学特征信号，并与传统开门机构比较。结果显示，仿真模型能动态地模拟装载端口的装载过程，足以证明半导体设备前端模块——装载端口模型具有可行性。

4半导体设备前端模块关键技术的应用检验

为证明半导体设备前端模块关键技术具有实用性，需要结合半导体设备前端模块特征，对其进行通信检验，围绕检验结果做出改进，最后再次进行控制检验，直到半导体设备前端模块关键技术具有实用性和可靠性。

4.1通信检验

通信检验的过程中，设置实验平台，标记30cm晶圆，并借助图像采集系统动态测试电机控制对晶圆精准度的影响。Aligner控制器根据接收串口指令对电机旋转动作进行操控，在此期间，计算获得晶圆偏心值，据此测试偏心距变化，并通过串口返回[8]。测试数据如下表4所示。第4组数据相对于其他数据，异常显示，可将其视为无效数据。偏心距计算取最大值为7.584000mm，最小值为7.491000mm。

从上述数据可以看出，测试的偏心距数据的波动范围达到规定，基本满足要求，说明通信检验通过。

一般来说，事先确定模块的输入输出、数据格式、数据类型，并进一步掌握半导体设备前端模块之间的关系，即理解装载端口、晶圆预对准装置、机械手操作机、风机滤器单元四个模块如何使用，并把握模块间数据关联性。全面保证模块数据的正确性，并对模块数据动态更新。接下来，针对模块接口调试，具体包括模块数据传输、模块间通信的具体调试。最后进行集成测试，将装载端口、晶圆预校准装置、机械手操作机、风机滤器单元四个模块组合，共同检测其实用性，针对检测结果进行问题分析。

4.2控制检验

半导体设备前端模块的洁净度的把控十分关键，因为洁净环境影响晶圆质量。基于此，要围绕这项内容控制检验，并根据检验结果优化改进晶圆加工洁净度，大大提高晶圆质量。从本质来看，优化风机滤器单元结构，并适当调整工位，进一步提高产品质量。检验过程中，利用计算流体力学的分析软件工具，据此得出气流通过零件的状态，从而得到流动轨迹，最终确定问题，并针对性改进零件。

方案分为两种，第一种是大型风机滤器单元，数量为一个；第二种是中型风机滤器单元，数量为两个。分别执行两种方案，细致观察晶圆加工洁净度。对于单个大型风机滤器单元，明显发现左侧存在扰动气流现象，右侧也会出现一定扰流，且流速减缓。对于两个中型风机滤器单元，左侧基本不存在扰动气流现象，右侧的扰流现象与方案一相同。相对比可知，两个中型风机滤器单元如是设置，更能达到环境清洁要求，晶圆质量较高。除此之外，还可以尝试调整空间布置，减少灰尘对硅片的影响；减少机械手横向运动带来的颗粒物，最大程度上降低气流扰动对硅片的影响。

结论：综上所述，集成电路制造业快速发展的同时，半导体设备前端模块关键技术的创新研发与应用十分必要。精心设计装载端口、晶圆预对准装置、机械手操作机、风机滤器单元，并在通信检验、控制检验中提出设计优化策略，最大程度上发挥半导体设备前端模块的实用性和可靠性。

参考文献：

[1]乔丽君，王小娜，郝玉凯等.混沌半导体激光器及其应用研究进展（特邀）[J].激光与光电子学进展，2024，61（1）：276-289.

[2]彭毅，赵国强，邓正等.面向应用的新一代稀磁半导体研究进展[J].物理学报，2024，73（1）：15-28.

[3]张灏昱，张霞，彭利满等.复合半导体纳米材料在光催化领域应用的研究进展[J].现代化工，2023，43（S2）：36-41+47.

[4]甄珍珍，伊瑞敏，韩冰.一种新型高功率半导体激光器的设计和应用研究[J].激光杂志，2023，44（10）：200-204.

[5]罗卓然，何亮，张津玮等.双碳目标下的三族氮化物功率半导体技术[J].机车电传动，2023（5）：26-35.

[6]陶涛，石可寓.从日美半导体冲突到中美半导体冲突：动机、性质与冲击[J].国际贸易，2023（7）：22-31..

[7]范义，孙林辉，纪晖等.一种半导体辐射传感器的应用方案设计[J].核电子学与探测技术，2023，43（03）：501-505.

[8]骆军委，李树深.加强半导体基础能力建设点亮半导体自立自强发展的“灯塔”[J].中国科学院院刊，2023，38（2）：187-192.

作者简介：刘继鹏：1986.10，男，河南省洛阳市人，四川理工大学，机械工程领域专业，硕士研究生。