半导体业者转移到12吋晶圆的论点非常简单，就是要增加晶圆尺寸来提高每片晶圆通过制程设备产生的晶粒数（PWP）。但是12吋晶圆制程的实际情况亦反映出另一个使人畏缩的难题--归类（coordinating）晶圆的动作现在是从包含在晶圆传送盒（fr​​ont opening unified pods；FOUPs），到大范围的设备与库存管理资源中。在8吋晶圆时代，晶圆厂负责将材料处理系统（人工或自动）连接到所有200+的设备上；在12吋晶圆时代，游戏规则却改变了，晶圆厂不再要负责自动化材料处理系统（automated material handling system；AMHS）和设备之间的连接介面，而设备前端模组（the equipment front-end module；EFEM，即最近定义的、将AMHS整合到设备上的子系统）成为设备制造商的新挑战。这不仅包含EFEM，也包含有关通讯、FOUP处理、晶圆处理、环境、标识和在某些案例中制程交互作用的所有问题。

半导体设备暨材料协会（SEMI）到目前为止在半导体制程由8吋转移至12吋的过程中扮演了重要角色，在该协会定义了标准后，AMHS供应商和设备供应商都将拥有一致的参考技术标准来达到互用性和整合性。通过使用FOUP的这些标准，FOUP的下降（drop-off）和通讯，随同晶圆处理的最佳实践指南，设备制造商和自动化制造商就能够开发第一代（1G）的EFEMs。

这些标准已经对完全自动化传送和运动提供了统一的基础，同时允许在1G EFEM设计中使技术规范具有高度的灵活性。这已经形成了小元件或者是整体EFEM设计的通用性，实际上在现今的晶圆厂中，可能有50种以上不同的EFEM设计。 EFEM和晶圆分类器有不同的设计阵列和元件方法论，而没有变成一套一致的、几乎日用化的系统。无论是设计、设计的缺乏和元件通用性都对12吋晶圆厂的运行效率有显著的冲击──最明显的例子就是设置（setup）、服务能力（serviceability）和扩展能力（extendibility）。对8吋厂来说，这些并不是值得深究的问题，但是在12吋晶圆厂，考量到数十亿美元的投资，它变成了设备制造商必须面对的一个问题。

第一代EFEM传统设计

第一代EFEM设计的特性是一由焊接框架和分离的金属板组成的盒状结构，加装到这个“盒子”上的是BOLTS标准的晶片装载埠，一个SCARA（平面关节型机器手臂）样式、带有控制器、风扇滤网机组（fan fliter unit；FFU）和电源的机器人。其他元件如预定位元器（pre-aligeners）、光学特性识别（optical character recognition；OCR）、离子器（ionization）、闭环差动压力控制系统（closed loop differential pressure control system）、输送器编号（carrier ID）或者光帘（light curtains），将根据系统的要求和晶圆厂的偏好而不定时添加。所有这些元件都是“现成”产品，所以这些元件的控制和协调在传统上是通过来自设备控制器的低端直接通讯来实现的。

设备设置成本较高

设置设备花费的时间增加，也直接延迟了晶圆厂的交货时间，在传统的EFEM设计中，设备的设置总是一个会直接影响到IC制造商的问题。盒状结构和BOLTS样式的装载埠一旦组装完成，还需要大量的时间来完全校正和训练第一代的EFEM，很多时候甚至需要特殊的校正设备和训练。这种组装、校正和训练过程首先发生在EFEM制造商处，然后发生在EFEM和设备的整合处，最后发生在晶圆厂的最终安装处。这种重复的、无附加价值的循环总是不断发生，因为第一代的EFEM太大而无法做为单一元件运输，装载埠必须卸下单独运输。

而在机器人的选择中，费用和复杂性是两项重要因素；通常机器人是一个SCARA型或者是复杂的联接型（linkage-style）机器人。由于这类进行有角度运动的机器人中存在复合角（compound angles），SCARA机器人也需要相关的设置步骤，因此这些机器人也在其进一步应用的扩展性上受到限制。

服务能力不佳

服务能力是第一代EFEM的另一个重大挑战，由于所使用的元件是现成产品，通常采用特殊封装；此外控制器和电源通常放在机器人周围难以触及的地方，或者高架在FFU之上。但使得服务更加困难的是元件的独立性，许多这样的元件没有足?的频宽来具备监视和协助服务的智慧，所以需要从高阶专门领域技术人员之协助。

扩展性较弱

扩展性是第一代EFEM系统较弱的地方，盒状样式设计是针对特定的应用而调整的，许多晶圆厂现在要求EFEM支援3种装载埠，来保证传送材料到设备的连续性；若要加入第三个装载埠，EFEM的设计则需要一个全新的框架结构。最初的SCARA机器人设计通常在腕部设计上缺乏额外的自由度，使得它无法触及远处的装载埠，所以机器人的选择必须更改?在腕部具有摇动轴能力的固定式机器人， 或者是导轨安装的SCARA。不管是哪一种设计，重新整合一个机器人是必须的。

最后，扩展性的缺乏也降低了迷你环境（mini-environment）的清洁度。加装一个预定位器、OCR或者离子器通常意味着在清洁空气流区域中间放置一个不规则的结构。新的晶圆定位需求可能要求一个导轨机器人或者具有更多摇动能力的SCARA机器人，来将末端效应器放入FOUP或者设备站。除了实现第一批订单的研发费用之外，操作变更也必须进行。需要准备额外的元件，对另外设计的训练也必须进行，技术支援体系也需要延展以覆盖新的方案。

新一代的EFEM设计

为改良第一代EFEM的种种问题，目前已有晶圆厂自动化设备业者进行新一代EFEM之设计，并发现晶圆分类器（wafer sorter）也同样存在第一代EFEM的缺点；晶圆分类器在机械构造上与EFEM雷同，两者之间只在软体控制上有所差异。如前面所讨论，虽然新一代EFEM是参照SEMI标准所制造，但晶圆厂的第一代EFEM却没有任何标准。 IC制造业者已经表示未来将以采用经由统一设计的设备产品为优先事项，因为当今设计的复杂性是许多问题的根源。有了统一的设计，这些问题将更容易辨识和解?，而这也是第二代EFEM设计的基础构想。

跳出“盒状”思考的整合性系统

通过晶圆输送系统的外向性建造和使用最佳品种设计来代替单独的元件，可以获得简单性，若再加上扩展性和可量测性、服务​​能力和制造能力方面的因素，以及优化的迷你环境，将能有效地处理生产和持有成本方面的顾虑。

以(图一)的系统为例，该系统采用了晶圆处理的关键形态，并将其与主要元件结合在一起，而保证了设置上的便利性和运行效率。此系统的核心是由一个可称为脊柱（backbone）的中央资料结构（central datum structure；CDS）、晶圆机器人（Wafer Engine）和晶圆装载连接埠（Loadport 300i），而因为在硬体和软体两方面整合了这三个子系统，所以新一代的EFEM具备比第一代EFEM更小、更轻，性能更好的特性。依据设备制造商在晶圆制程中，包括植入（implant）、化学气象沉积（CVD）、快速高温处理（RTP）、剥离（strip）、检查（inspection）、度量（metrology）等不同阶段的应用需求，迷你环境可予以定制化，以满足距离、处理或选项方面的要求。处理设备制造商要求能在前端使用他们的设备，并因真空阀而要求较长的距离。计量或者晶圆分类器方案则定位于更小、更紧?的迷你环境；这些要求对新一代的系统来说都不是问题。

《图一 Spartan整合式分类器》

中央资料结构CDS

新一代的CDS体系结构提供了所有晶圆处理元件的基础--装载埠、晶圆机器人和预定位器。由数控机床加工的“肋骨（ribs）”组成，安放在505mm的间距（装载埠的标准SEMI间距）和纵向板材金属通道，创立了一个轻而刚性的空间框架。在工厂里，装载埠、晶圆机两者都固定并校准在CDS上，这些校准在运输和安装过程中保持不变，从而消除了在现场用来重新安装和校准系统所需的时间。CDS可以调整为两个、三个或者四个装载埠的配置，通过添加额外的肋骨和更长的板材金属通道，新系统可升级来满足各种数目装载埠或封装机的要求。

直角座标运动机器人

在新一代EFEM中段可看到名为“Wafer Engine”的机器人，如(图二)，这个机器人的名字取自于它在晶圆运筹/输送方面的高准确性。这种机器人采用直角坐标（x,y,z）运动模式，很容易设置和排除故障，因为每一运动方向都与一个元件联接。这将有助整体系统减少像SCARA机器人复杂复合轴轨?会发生的问题，新型机器人备有双末端效应器，让更短的晶圆交换时间与同时移动两片晶圆可能出现在高产量的应用中，如离子置入机。

对整个系统来说，新型机器人的设计也同时带来了一些在封装和服务上的优势。在传统的SCARA机器人中，Z范围是以伸缩设计为基础，要达到Z范围的全行程，机器人必须要是其Z行程能力的两倍长。由于新一代系统只有机座上的Z立柱，机器人并不会伸展到EFEM的底部；这带来了多重的益处：包括不受限制的封装空间。此外新型机器人比SCARA机器人轻40％，迷你无尘环境体积?少了40％，刚性和运动精确度也得到了加强。

《图二 Spartan 系统中的Wafter Engine机器人》

可重复使用的特性

为了使得设备制造商和晶圆厂都达到作业效率，新一代的EFEM系统结构是基于标准元件和横跨不同版本系统的主要元件进行开发的。例如，新系统的晶圆装载埠有许多与前一代系统相同的子组装（sub-assemblies）和元件。透过使用同样的FOUP前进机制和门机制（减少封装门驱动的考虑），可为供应链带来益处。这也同时促进对特定AMHS和FOUP协同工作能力问题的进一步理解，这些问题并能在新一代系统中被解?。

而不管2个、3个、或者4个装载埠宽度，新系统使用的都是同样的晶片机器人，这些机器人皆为导轨安装（track-mounted）、直角坐标系（x,y,z）运动形式。导轨就如同CDS，可调整到设备制造商应用所要求的宽度，设备制造商和生产厂现在已经可使用同样的晶圆机器人、软体、配件和涵盖许多设备的训练，包括晶圆分类器。

清洁

新一代的EFEM系统提供了优化的迷你无尘环境，小型的晶圆机器人设计和无BOLTS安装的装载埠，清洁晶圆传送区域比第一代EFEM设计相对减少了60％。在清洁区域的每一元件都在其空气对流和粒子产生方面的影响进行了评估，例如在任何暴露的开口处，空气总是抽取向内，从而防止粒子迁入到迷你环境中。通过使用计算流体动力学（CFD）模型和实验室测试，层流途径被优化来消除粒子的俘获。这些连同一个闭环的差动压力控制器，在所有时候都确保了ISO 1类环境，导致了优秀的PWP性能表现。

结论

SEMI标准已经成为一种手段来使得初始水平的协同性成为可能。但是，半导体业现在要求的优化和标准化水平，在进入蓬勃的12吋晶圆量产时期时，将会使得拥有者成本下降。改良之后的EFEM设计在运行效率上显著提高，且透过重新评价总体设计和元件考虑，此一整合性的系统提供IC制造商和设备制造商一套简单、有效、高性能的解决案。这是一个进化步骤，它会释放第二代的技术，那就是容易设置、维护和升级，而在该基础对12吋晶圆厂的整体运行效率和经济状?带来重大的冲击。 （作者任职于Asyst Technologies）