一文读懂半导体设备EFEM、Load port、Robot、Aligner

对于全自动化半导体设备，晶圆传输自动化显得格外重要，EFEM、Load port、Robot、Aligner作为晶圆传输自动化的核心模块，本文将详细介绍这几个模块，本文较长，建议先收藏，有需要的时候对应查阅，也可找我分享原文PDF。

本文目录：

一.设备前端模块（EFEM）

1.EFEM介绍

2.EFEM结构及功能

（1）微环境模块

（2）自动化功能模块

（3）软件模块

二.晶圆装载系统（Load port）

1.Load port结构介绍

2.Load port如何读取Foup ID

3.Load port如何识别Load port上面有Foup

（1）物理接触检测

（2）光学检测

（3）电学特性检测

（4）射频识别

三.晶圆传输机械手（Robot）

1.Robot介绍

2.Robot分类

（1）按应用环境（大气Robot、真空Robot）

（2）按拿持方式（真空吸附式Robot、机械夹持式Robot、伯努利Robot）

  (3) 按材料（氧化铝陶瓷Robot、碳化硅陶瓷Robot）

四.晶圆寻边器（Aligner）

1.Aligner的功能和作用

2.Aligner的分类及工作原理

（1）光学寻边

（2）机械寻边

五、EFEM、Load port、Robot、Aligner供应商统计

一.设备前端模块（EFEM）

1.EFEM介绍

EFEM（Equipment Front End Module），设备前端模块的意思，是所有半导体自动化设备所必须的装置，主要功能是实现晶圆从料盒（Foup）转移到设备腔体中这个过程，确保晶圆能在高洁净环境下传输到工艺、检测模块。

（EFEM系统）

2.EFEM结构及功能

EFEM(设备前端模块)内部结构和系统主要分为三大块，微环境功能模块、自动化功能模块和软件模块。

（EFEM结构图解，来源：永鑫方舟资本）

（1）微环境模块

微环境功能模块能够保证晶圆传输过程的内部空间洁净度达到要求，主要包括化学蒸汽过滤器、空气过滤器、离子发生器、微环境机械、真空储备系统、晶圆装载系统和主机联机接口等。

（2）自动化功能模块

自动化功能模块涉及的核心部件较多，包括晶圆传输机械手、晶圆对准装置、晶圆载运盒、紧急操作模块、晶圆ID读取器、电源和自锁模块、自动化控制模块等。其中晶圆传输机械手和晶圆对准装置是最为核心、技术难度最大的零部件，也是国内厂商自主研发的关键重点。

（3）软件模块

软件模块主要负责例如传输机械手的控制和运作、晶圆对准装置的检测及校准等。整个设备的软件控制系统直接决定了设备运作的可靠性、精度和效率，因此也是国产化研发的重中之重。

晶圆装载系统（Loadport）、晶圆运输机器人（Robot）、晶圆对准器（Aligner）是EFEM系统三大核心部件。

晶圆装载系统（Loadport）的作用是Foup于EFEM内部的桥梁，使得晶圆在EFEM内部与Foup之间传输；晶圆运输机器人（Robot）是将晶圆从Foup中传输到EFEM中的对准器上，再将已对准的晶圆传输到设备腔体中；晶圆对准器是用于晶圆对准，即寻边，用于将晶圆平边（Flat）或凹口（Notch）对准。

EFEM系统三大核心部件

二.晶圆装载系统（Load port）

1.Load port结构

Load Port为EFEM 三大核心模块之一（Load port、Robot和Aligner），用来作为wafer进出EFEM的窗口。

Load port图

Load port一般有1~4个装载区，可以同时放置1~4个料盒（Foup）,具体数量是可以进行定制的。

Load port装卸晶圆盒的具体工作步骤为：OHT或人工搬运晶圆盒至装载平台→装载平台上的夹紧机构锁紧晶圆盒→开盒装置吸附或夹持晶圆盒门→晶圆盒门与晶圆盒分离→检测机构沿竖直方向运动并对盒内晶圆进行扫描检测→运输机械手对晶圆进行搬运→盒内晶圆被搬运完毕后开盒装置对晶圆盒门和晶圆盒进行合并→夹紧机构对晶圆盒进行解锁→OHT或人工搬离晶圆盒。

整个过程将会有实时画面的机台电脑端进行动画演示，任何一个步骤出现问题都将会触发设备报警，并暂停一些传输机械动作，等待工程师来进行处理。常见的报警有Foup盒开门/关门fail、检测出晶圆有凸出或者叠片异常、料盒中的晶圆数量与MES系统不对应、Foup ID识别Fail等等。

软件界面（来源网络）

2.Load port功能（全自动化设备）

具备RFID功能，能够自动识别出Foup盒的编号（ID），并实时显示在电脑端；

放置标准(Mounting)满足SEMI E63标准。

具备压力检测传感器，检测Foup位置是否有偏移。

平台高度标准(FOUP/FOSB Load Height)符合SEMI E1.5 / E63。

符合半导体的E84标准，支持OHT/移动机器人的搬运。

符合SECS/GEM、TCP/IP等协议。

具有自动开门/关门功能、晶圆数量和盒内位置、晶圆突出检测功能，有异常时机械动作停止并报警。

晶圆工艺完成后放回料盒过程中，需确保无斜插或插错槽位现象，且圆片不可与片架等物体发生碰撞。

Load port密封性良好，防止因气密性不良造成wafer污染。

支持N2 purge，确保Foup内处于N2状态，防止wafer污染及氧化。

Load port和Foup(图源懒石网)

3.Load port如何读取Foup ID

在每一个FOUP盒子上植入RFID标签，RFID标签内录入了晶圆的信息，且RFID标签内具有唯一的ID编码。不同制造设备处的RFID识读器用于识别RFID标签，了解该标签目前的完成进度，查看不同RFID标签内录入的相应工作流程与控制系统处进行核对检验，确认并进行下一步的加工流程。

FOUP安装RFID标签的位置

RFID技术拥有出色的跟踪与控制能力，实时提供制造流程的信息，减少人工的干预，应用在生产车间上，提高了工厂的生产效率、增强了员工生产力、减少产品出错与延时交货的情况出现。生产信息实时更新，提升了工厂的自动化水平，掌握产品的生产加工时间，并能够及时潜在的问题。在产品出现问题时，还可根据读取到的信息回溯生产过程，尽快找出出现问题的原因。

如下图所示，是RFID模块识别Foup ID的原理示意图，Foup放到Load port上后，设备上的红外传感模块就会识别到Foup RFID标签，通过RFID读写模块，识别出标签信息，即Foup ID；识别出Foup ID后，通过EAP系统将信息传输到设备主机以及MES系统中。

RFID工作原理

ID读取器在Loadport中的位置

4.Load port如何识别Load port上面有Foup

半导体设备识别Load port上面是否有Foup的方式有四种，分别为物理接触检测、光学检测、电学特性检测和射频识别检测。

（1）物理接触检测
机械微动开关：在Load port的特定位置（如边缘、承载面底部等）安装机械微动开关。当Foup放置在Load port上时，其重量会使微动开关触发。例如，当Foup的底部接触到承载面上的微动开关，开关闭合，产生一个电信号发送给设备的控制系统，告知有Foup存在。这种方式简单直接，但是机械部件容易磨损，长期使用可能会导致误判。
压力传感器：在Load port的承载面分布压力传感器。Foup放置后会对传感器产生压力，通过检测压力变化和压力分布模式来判断。例如，不同规格的Foup会产生不同的压力分布，系统可以预先存储各种Foup的压力特征参数，当检测到的压力参数与之匹配时，就能确定有Foup在Load port上。
（2）光学检测
光电传感器：利用光电传感器发射光束并接收反射光。当没有Foup时，光线直接反射回传感器；当有Foup时，由于Foup的形状、材质等因素，反射光的强度、角度等会发生变化。例如，采用漫反射式光电传感器，在Load port的边缘或顶部安装，当Foup遮挡光线时，反射光的变化被检测到，从而判断有Foup存在。
视觉检测系统：在Load port附近安装摄像头。通过图像识别技术，分析摄像头拍摄的画面来确定是否有Foup。系统可以预先存储Foup的形状、颜色等视觉特征，对画面进行实时比对。例如，利用深度学习算法训练一个模型，使其能够准确识别出Foup的轮廓和关键特征，即使在复杂的光照或有部分遮挡的情况下，也能判断Foup是否在Load port上。
（3）电学特性检测
电容式检测：利用电容变化原理，在Load port表面设置电容传感器。Foup放置后会改变电容值，因为不同的材料（Foup的材质）具有不同的介电常数。例如，当Foup靠近电容传感器时，电容极板之间的电场分布发生变化，电容值随之改变，设备根据电容值的变化来判断是否有Foup。
电感式检测：类似电容式检测，通过电感传感器来检测电感的变化。当有Foup（通常含有金属成分）靠近或放置在电感传感器附近时，会改变电感线圈的磁场，从而引起电感值变化，以此来判断Foup是否存在。
（4）射频识别（RFID）
在Foup上安装RFID标签，在Load port处设置RFID读取器。当Foup放置在Load port上时，读取器能够读取标签信息，从而确定Foup的存在，并可以同时获取Foup的编号、类型等相关信息。这种方式还便于对Foup进行跟踪和管理。

三.晶圆传输机械手（Robot）

1.Robot介绍

机械手（Robot），图源网络

半导体机械手（Robot）是半导体设备的重要零部件之一，通常由控制器、驱动器、手臂及末端执行器等部分组成，具有高洁净度、高平稳性、高精度、高效率和高可靠性的特点。半导体机械手主要应用于半导体制造的前段工序，用于搬送、运输以及定位半导体晶圆。

2.Robot分类

（1）应用环境分类（大气机械手与真空机械手）

从机械手的应用环境来看，机械手可分为大气机械手和真空机械手。

大气机械手主要用于常压环境下晶圆的搬送，如涂胶、显影、光刻、炉管、湿法去胶、湿法刻蚀、清洗等设备；大气机械手采用高刚性的轻金属材料手臂、高性能的交流伺服系统和高精度谐波减速器来实现机械手整体传动的高速平稳运行。

真空机械手主要用于真空环境下不同工位或工艺腔体之间的晶圆传输，如PVD、刻蚀、CVD等设备。其功能主要通过真空(超净)环境下的大间隙直驱电动机的选用、多运动轴的同轴直接驱动与真空隔离、高真空与高洁净环境下的精密伺服控制等手段来实现，具有密封性好、颗粒污染小、传输效率高等特点。目前大气机械手市场占比达到60%以上。

真空机械手对于的材料要求比大气机械手更加严苛，真空机械手需要防止材料释放气体或挥发物质，因为这些物质会导致真空度下降，而大气机器手则不需要考虑这个问题。另外，真空机械手的材料需要耐受高真空环境下可能得辐射、高温等，而大气机械手不需要考虑。

（大气机械手与真空机械手，图源网络）

（2）机械手拿持晶圆的方式（真空吸附、机械夹持、伯努利机械手）

机械手拿持晶圆的方式主要有三种：真空吸附式和、械夹持式和伯努利机械手。

真空吸附式机械手：
真空吸附式机械手通过内置的真空气路设计，利用吸附点或环形区吸附晶圆，实现同步运动。此外，还有边缘真空吸附+翻转功能的手指，可以只接触晶圆边缘，使用真空吸附方式传送。

机械夹持式机械手：
机械夹持式手指主要包括边缘夹持型和框架夹持型。边缘夹持型手指前端设两处弧形定位块，后端设左右限位块及中间连接推杆气缸的定位块，这些定位块在水平与竖直方向上分别为斜面和弧面，确保晶圆稳定不脱落。框架夹持型手指则以弧形带凹槽的定位框架连接推杆气缸，其弧面长度超出晶圆主参考面，实现夹持晶圆定位。

伯努利机械手：

供给口导入的气体会从吸盘的内部圆筒状侧面的喷口高速喷出，并在吸盘内部的筒状空间内形成旋转气流，并形成负压。气流最终通过机械手指吸附表面和晶圆表面之间的间隙释放到外部空间。气流在旋风吸盘和晶圆之间的空间中形成稳定的层流，并造成晶圆上下表面间的压力差，最终形成对晶圆向上的吸附力。

伯努利机械手（图源公众号：芯小虎）

（3）机械手材质分类（氧化铝陶瓷机械手、碳化硅陶瓷机械手）

在半导体设备中，机械手（robot）通常采用的材质主要分为氧化铝陶瓷和碳化硅陶瓷两大类，每种材质都有其独特的优缺点。

氧化铝陶瓷机械手的优点

强度高、硬度大：氧化铝陶瓷的纯度越高，其强度也越高，适合用于半导体设备的机械搬运。电绝缘性能好：氧化铝陶瓷在室温下的电阻率高达10^15 Ω·cm，绝缘强度可以达到15 kV/mm。

耐热性能优良：熔点高达2050℃，在半导体热处理时不易变形，适合高精度的操作。

化学稳定性好：氧化铝陶瓷化学性能稳定，不会污染半导体零件。

加工技术成熟，性价比高：氧化铝陶瓷材料易于获取，价格相对较低，加工技术成熟。

氧化铝陶瓷机械手的缺点

相比其他高性能材料，可能在极端环境下（如更高的温度或腐蚀性环境）的表现不如碳化硅陶瓷。

碳化硅陶瓷机械手的优点

强度高、硬度高：碳化硅陶瓷具有极高的强度和硬度，耐磨性能优良。

热导性优良：碳化硅陶瓷的热导性较高，适合用于需要散热的场合。

重量轻：与氧化铝相比，碳化硅陶瓷的密度较低，重量更轻。

碳化硅陶瓷机械手的缺点

加工难度：与氧化铝相比，碳化硅陶瓷的加工难度较大，成本较高。

价格较高：由于其优良的性能和加工难度，碳化硅陶瓷的价格通常高于氧化铝陶瓷。

总结来说，氧化铝陶瓷机械手因其卓越的性价比在半导体设备中更为常用，而碳化硅陶瓷机械手则适用于需要极端性能的场合。选择哪种材质的机械手，需要根据具体的应用需求和预算进行考虑。

四、晶圆寻边器（Aligner）

1.Aligner的功能和作用

晶圆定位边（wafer flat）和凹槽（notch）是晶圆制造过程中用于确定晶圆方向的重要特征，它们在晶圆的加工、对准和检测中发挥着至关重要的作用。

晶圆的定位边及凹槽（图源公众号：老虎说芯）

在半导体设备EFEM中的晶圆寻边器（Aligner）就是用来进行晶圆定位和对准的，是EFEM的核心部件，可以精准地进行晶圆的中芯定位和角度补正，晶圆位置≤±0.1mm;晶圆缺边/缺口≤±0.1°。

（晶圆寻边器，图源盖泽官网）

晶圆寻边器（Aligner）的功能主要有两个，一个是进行晶圆中心定位，另一个是寻边（角度补正）。

为啥需要做晶圆中心定位呢？是由于晶圆在Foup中的位置由于在运输过程中会产生一定的偏移，因此机械手拿持时导致无法确保晶圆位于机械手的正中心，因此需要采用Aligner进行晶圆中心定位，其目的就是使得晶圆中心正好位于校准机构的中心。此后，机械再从校准机构上传输晶圆时就能够保证晶圆中心与机械手的中心重合，保障了晶圆在设备工艺腔体中的位置一致，消除由于偏移导致的工艺质量不稳定性及保证批间一致性。

为啥需要进行晶圆寻边呢？因为在光刻、掺杂、刻蚀等多个工艺中，对于晶圆在腔体中放置的方向，因此确定晶圆平边及凹槽的位置，保证工艺效果。

（寻边器的构成，图源公众号：上海玖钲机械设备有限公司）

2.Aligner的分类及工作原理

（1）光学寻边

光学寻边：

光学寻边系统通常包含光源、光学镜头和图像传感器（如CCD或CMOS）。光源发出的光线照射到晶圆表面，晶圆边缘会反射光线。通过光学镜头将带有晶圆边缘信息的反射光聚焦并成像在图像传感器上。对于晶圆，其边缘是一条连续的曲线，在图像中表现为灰度值突然变化的轮廓，一旦识别出边缘特征，就可以确定晶圆边缘在图像中的坐标。

（光学寻边的原理，图源公众号：基恩士）

晶圆中心定位：

晶圆在chuck的home位自转时，传感器通过扫描全周边缘计算实际中心与chuck中心的x、y偏移量。根据这些偏移量，驱动x/y轴对位平台补偿偏差，使晶圆中心校准至原chuck中心。

（光学寻边的原理，图源公众号：基恩士）

（2）机械寻边

针对不可使用真空吸附方式进行校准的Aligner，校准器对晶圆进行边缘夹持后多次往复旋转，由对称布置的两套检测传感器针对晶圆边缘弧线进行检测，计算得出晶圆中心及切边和缺口信息后，夹持CHUCK在X、Y方向上进行中心定位校准，并同步实现角度补正。

（机械寻边器，图源网络）

五、EFEM、Load port、Robot、Aligner供应商统计

半导体设备传输系统（EFEM），也叫半导体设备前置模块，从属于半导体生产设备，其内部主要由化学蒸汽过滤器、空气过滤器、离子发生器、晶圆运输机器人、晶圆对准装置、晶圆载运盒、自动化控制模块等组成，其中晶圆装载系统（Loadport）、晶圆运输机器人（Robot）、晶圆对准装置（Aligner）是最核心的三大部件。

图片来源：恒州诚思YH

根据YHResearch的统计及预测，2024年全球大气传输系统（EFEM）市场销售额达到了10.14亿美元，预计2030年将达到14.02亿美元，年复合增长率（CAGR）为4.62%（2024-2030）。地区层面来看，中国市场在过去几年变化较快，2023年市场规模为2.82亿美元，约占全球的32.24%，预计2030年将达到5.8亿美元，届时全球占比将达到41.4%。

消费层面来说，目前中国地区是全球最大的消费市场，2024年占有35.58%的市场份额，之后是北美和日本，分别占有32.8%和11.8%。预计未来几年，中国和东南亚地区增长最快，2024-2030期间CAGR分别为6.83%和6.79%。
生产端来看，东南亚（主要是日本RORZE越南工厂）、日本、北美和中国是主要的生产地区，2024年分别占有41.9%、13.56%、11.9%和18.4%的市场份额，预计未来几年，中国将保持最快增速，预计2030年份额将达到24.7%。
从生产商来说，全球范围内，EFEM核心厂商主要包括RORZE乐孜芯创、Brooks布鲁克斯、Hirata平田、Sinfonia昕芙旎雅、Cymechs Inc、三和技研PHT菲科半导体、上海果纳半导体、上海广川科技、沈阳新松半导体和上海大族富创得等，2023年全球前十大厂商占有83%的市场份额。

具体的供应商的EFEM、Load port、Aligner、Robot等详细供应商情况如下图所示，由于Wafer sorter、VTM也都属于传输机构，因此也一并统计，供大家参考。

图片来源：半导体综研

大家还了解哪些国内外供应商呢？欢迎大家补充。

本文参考文章：

1.什么是半导体设备的机械手臂（链接：https://mp.weixin.qq.com/s/R9hGg8AfEIH4TK7sbYaDwQ）

2.半导体设备如何识别loadport上面有Foup或者pod的

（链接：https://mp.weixin.qq.com/s/ShKtyyJSfS4-56UUYzElAQ）

3.行业前景分析-预计2029年全球半导体机械手市场规模将达到18.6亿美元（链接：https://mp.weixin.qq.com/s/39_iSaHRcjc7Z1seZqx4Qw）

4.值得一看，全球晶圆操作模组部件供应商统计（链接：https://mp.weixin.qq.com/s/3jcG_qgGNjLvx-2gWksk4w）

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