半導體業者轉移到12吋晶圓的論點非常簡單，就是要增加晶圓尺寸來提高每片晶圓通過製程設備產生的晶粒數（PWP）。但是12吋晶圓製程的實際情況亦反映出另一個使人畏縮的難題--歸類（coordinating）晶圓的動作現在是從包含在晶圓傳送盒（front opening unified pods；FOUPs），到大範圍的設備與庫存管理資源中。在8吋晶圓時代，晶圓廠負責將材料處理系統（人工或自動）連接到所有200+的設備上；在12吋晶圓時代，遊戲規則卻改變了，晶圓廠不再要負責自動化材料處理系統（automated material handling system；AMHS）和設備之間的連接介面，而設備前端模組（the equipment front-end module；EFEM，即最近定義的、將AMHS整合到設備上的子系統）成為設備製造商的新挑戰。這不僅包含EFEM，也包含有關通訊、FOUP處理、晶圓處理、環境、標識和在某些案例中製程交互作用的所有問題。

半導體設備暨材料協會（SEMI）到目前為止在半導體製程由8吋轉移至12吋的過程中扮演了重要角色，在該協會定義了標準後，AMHS供應商和設備供應商都將擁有一致的參考技術標準來達到互用性和整合性。通過使用FOUP的這些標準，FOUP的下降（drop-off）和通訊，隨同晶圓處理的最佳實踐指南，設備製造商和自動化製造商就能夠開發第一代（1G）的EFEMs。

這些標準已經對完全自動化傳送和運動提供了統一的基礎，同時允許在1G EFEM設計中使技術規範具有高度的靈活性。這已經形成了小元件或者是整體EFEM設計的通用性，實際上在現今的晶圓廠中，可能有50種以上不同的EFEM設計。EFEM和晶圓分類器有不同的設計陣列和元件方法論，而沒有變成一套一致的、幾乎日用化的系統。無論是設計、設計的缺乏和元件通用性都對12吋晶圓廠的運行效率有顯著的衝擊──最明顯的例子就是設置（setup）、服務能力（serviceability）和擴展能力（extendibility）。對8吋廠來說，這些並不是值得深究的問題，但是在12吋晶圓廠，考量到數十億美元的投資，它變成了設備製造商必須面對的一個問題。

第一代EFEM傳統設計

第一代EFEM設計的特性是一由焊接框架和分離的金屬板組成的盒狀結構，加裝到這個“盒子”上的是BOLTS標準的晶片裝載埠，一個SCARA（平面關節型機器手臂）樣式、帶有控制器、風扇濾網機組（fan fliter unit；FFU）和電源的機器人。其他元件如預定位元器（pre-aligeners）、光學特性識別（optical character recognition；OCR）、離子器（ionization）、閉環差動壓力控制系統（closed loop differential pressure control system）、輸送器編號（carrier ID）或者光簾（light curtains），將根據系統的要求和晶圓廠的偏好而不定時添加。所有這些元件都是“現成”產品，所以這些元件的控制和協調在傳統上是通過來自設備控制器的低端直接通訊來實現的。

設備設置成本較高

設置設備花費的時間增加，也直接延遲了晶圓廠的交貨時間，在傳統的EFEM設計中，設備的設置總是一個會直接影響到IC製造商的問題。盒狀結構和BOLTS樣式的裝載埠一旦組裝完成，還需要大量的時間來完全校正和訓練第一代的EFEM，很多時候甚至需要特殊的校正設備和訓練。這種組裝、校正和訓練過程首先發生在EFEM製造商處，然後發生在EFEM和設備的整合處，最後發生在晶圓廠的最終安裝處。這種重複的、無附加價值的循環總是不斷發生，因為第一代的EFEM太大而無法做為單一元件運輸，裝載埠必須卸下單獨運輸。

而在機器人的選擇中，費用和複雜性是兩項重要因素；通常機器人是一個SCARA型或者是複雜的聯接型（linkage-style）機器人。由於這類進行有角度運動的機器人中存在複合角（compound angles），SCARA機器人也需要相關的設置步驟，因此這些機器人也在其進一步應用的擴展性上受到限制。

服務能力不佳

服務能力是第一代EFEM的另一個重大挑戰，由於所使用的元件是現成產品，通常採用特殊封裝；此外控制器和電源通常放在機器人周圍難以觸及的地方，或者高架在FFU之上。但使得服務更加困難的是元件的獨立性，許多這樣的元件沒有足?的頻寬來具備監視和協助服務的智慧，所以需要從高階專門領域技術人員之協助。

擴展性較弱

擴展性是第一代EFEM系統較弱的地方，盒狀樣式設計是針對特定的應用而調整的，許多晶圓廠現在要求EFEM支援3種裝載埠，來保證傳送材料到設備的連續性；若要加入第三個裝載埠，EFEM的設計則需要一個全新的框架結構。最初的SCARA機器人設計通常在腕部設計上缺乏額外的自由度，使得它無法觸及遠處的裝載埠，所以機器人的選擇必須更改?在腕部具有搖動軸能力的固定式機器人， 或者是導軌安裝的SCARA。不管是哪一種設計，重新整合一個機器人是必須的。

最後，擴展性的缺乏也降低了迷你環境（mini-environment）的清潔度。加裝一個預定位器、OCR或者離子器通常意味著在清潔空氣流區域中間放置一個不規則的結構。新的晶圓定位需求可能要求一個導軌機器人或者具有更多搖動能力的SCARA機器人，來將末端效應器放入FOUP或者設備站。除了實現第一批訂單的研發費用之外，操作變更也必須進行。需要準備額外的元件，對另外設計的訓練也必須進行，技術支援體系也需要延展以覆蓋新的方案。

新一代的EFEM設計

為改良第一代EFEM的種種問題，目前已有晶圓廠自動化設備業者進行新一代EFEM之設計，並發現晶圓分類器（wafer sorter）也同樣存在第一代EFEM的缺點；晶圓分類器在機械構造上與EFEM雷同，兩者之間只在軟體控制上有所差異。 如前面所討論，雖然新一代EFEM是參照SEMI標準所製造，但晶圓廠的第一代EFEM卻沒有任何標準。IC製造業者已經表示未來將以採用經由統一設計的設備產品為優先事項，因為當今設計的複雜性是許多問題的根源。有了統一的設計，這些問題將更容易辨識和解?，而這也是第二代EFEM設計的基礎構想。

跳出“盒狀”思考的整合性系統

通過晶圓輸送系統的外向性建造和使用最佳品種設計來代替單獨的元件，可以獲得簡單性，若再加上擴展性和可量測性、服務能力和製造能力方面的因素，以及優化的迷你環境，將能有效地處理生產和持有成本方面的顧慮。

以(圖一)的系統為例，該系統採用了晶圓處理的關鍵形態，並將其與主要元件結合在一起，而保證了設置上的便利性和運行效率。此系統的核心是由一個可稱為脊柱（backbone）的中央資料結構（central datum structure；CDS）、晶圓機器人（Wafer Engine）和晶圓裝載連接埠（Loadport 300i），而因為在硬體和軟體兩方面整合了這三個子系統，所以新一代的EFEM具備比第一代 EFEM更小、更輕，性能更好的特性。依據設備製造商在晶圓製程中，包括植入（implant）、化學氣象沉積（CVD）、快速高溫處理（RTP）、剝離（strip）、檢查（inspection）、度量（metrology）等不同階段的應用需求，迷你環境可予以定製化，以滿足距離、處理或選項方面的要求。處理設備製造商要求能在前端使用他們的設備，並因真空閥而要求較長的距離。計量或者晶圓分類器方案則定位於更小、更緊?的迷你環境；這些要求對新一代的系統來說都不是問題。

《圖一　Spartan整合式分類器》

中央資料結構CDS

新一代的CDS體系結構提供了所有晶圓處理元件的基礎--裝載埠、晶圓機器人和預定位器。由數控機床加工的“肋骨（ribs）”組成，安放在505mm的間距（裝載埠的標準SEMI間距）和縱向板材金屬通道，創立了一個輕而剛性的空間框架。在工廠裡，裝載埠、晶圓機兩者都固定並校準在CDS上，這些校準在運輸和安裝過程中保持不變，從而消除了在現場用來重新安裝和校準系統所需的時間。CDS可以調整為兩個、三個或者四個裝載埠的配置，通過添加額外的肋骨和更長的板材金屬通道，新系統可升級來滿足各種數目裝載埠或封裝機的要求。

直角座標運動機器人

在新一代EFEM中段可看到名為“Wafer Engine”的機器人，如(圖二)，這個機器人的名字取自於它在晶圓運籌/輸送方面的高準確性。這種機器人採用直角坐標（x,y,z）運動模式，很容易設置和排除故障，因為每一運動方向都與一個元件聯接。這將有助整體系統減少像SCARA機器人複雜複合軸軌?會發生的問題，新型機器人備有雙末端效應器，讓更短的晶圓交換時間與同時移動兩片晶圓可能出現在高產量的應用中，如離子置入機。

對整個系統來說，新型機器人的設計也同時帶來了一些在封裝和服務上的優勢。在傳統的SCARA機器人中，Z範圍是以伸縮設計為基礎，要達到Z範圍的全行程，機器人必須要是其Z行程能力的兩倍長。由於新一代系統只有機座上的Z立柱，機器人並不會伸展到EFEM的底部；這帶來了多重的益處：包括不受限制的封裝空間。此外新型機器人比SCARA機器人輕40％，迷你無塵環境體積?少了40％，剛性和運動精確度也得到了加強。

《圖二　Spartan 系統中的Wafter Engine機器人》

可重複使用的特性

為了使得設備製造商和晶圓廠都達到作業效率，新一代的EFEM系統結構是基於標準元件和橫跨不同版本系統的主要元件進行開發的。例如，新系統的晶圓裝載埠有許多與前一代系統相同的子組裝（sub-assemblies）和元件。透過使用同樣的FOUP前進機制和門機制（減少封裝門驅動的考慮），可為供應鏈帶來益處。這也同時促進對特定AMHS和FOUP協同工作能力問題的進一步理解，這些問題並能在新一代系統中被解?。

而不管2個、3個、或者4個裝載埠寬度，新系統使用的都是同樣的晶片機器人，這些機器人皆為導軌安裝（track-mounted）、直角坐標系（x,y,z）運動形式。導軌就如同CDS，可調整到設備製造商應用所要求的寬度，設備製造商和生產廠現在已經可使用同樣的晶圓機器人、軟體、配件和涵蓋許多設備的訓練，包括晶圓分類器。

清潔

新一代的EFEM系統提供了優化的迷你無塵環境，小型的晶圓機器人設計和無BOLTS安裝的裝載埠，清潔晶圓傳送區域比第一代EFEM設計相對減少了60％。在清潔區域的每一元件都在其空氣對流和粒子產生方面的影響進行了評估，例如在任何暴露的開口處，空氣總是抽取向內，從而防止粒子遷入到迷你環境中。通過使用計算流體動力學（CFD）模型和實驗室測試，層流途徑被優化來消除粒子的俘獲。這些連同一個閉環的差動壓力控制器，在所有時候都確保了ISO 1類環境，導致了優秀的PWP性能表現。

結論

SEMI標準已經成為一種手段來使得初始水平的協同性成為可能。但是，半導體業現在要求的優化和標準化水平，在進入蓬勃的12吋晶圓量產時期時，將會使得擁有者成本下降。改良之後的EFEM設計在運行效率上顯著提高，且透過重新評價總體設計和元件考慮，此一整合性的系統提供IC製造商和設備製造商一套簡單、有效、高性能的解決案。這是一個進化步驟，它會釋放第二代的技術，那就是容易設置、維護和升級，而在該基礎對12吋晶圓廠的整體運行效率和經濟狀?帶來重大的衝擊。（作者任職於Asyst Technologies）