無塵室的EMI量測與汙染 - 以F12P4/P5為例

前言

什麼是EMI電磁干擾？要構成EMI的問題必須有三要素：電磁干擾的來源，電磁干擾的傳播途徑，電磁干擾的受害物。電磁場的大小或強度不一定會造成電磁干擾，端視電磁場(波)透過傳播途徑的衰減和電磁干擾受害物的電磁相容性EMC(EMC：electromagnetic compatibility) 大小而言，那EMI會對工廠內的機台設備會造成怎樣的影響呢？嚴重的會因為EMI產生不小的感應電流電壓放電等而損害了機台或製造中的元件產品，另外還有造成錯誤訊號使機台誤判改變製程，像是突波改變數位訊號的輸入輸出因而改變馬達或閥門的開啟關閉，在半導體的晶圓工廠就發生過機械手臂的步進馬達因受到電磁干擾而掉落晶圓的事件，較輕微的干擾像是機台也會因電磁干擾錯誤訊號而閉鎖保護延誤生產，不過大部分只要重新啟動即可恢復(recoverable after power-cycling)，至於常見的CDSEM扭像或失真較諸於前述的電磁干擾已算可救回或彌補的小case了！

提到電磁干擾的問題須知道因為電磁場(波)一定會存在於工廠甚至自然環境中，所以對電磁干擾的問題只能降低或改善(mitigated)至機台能接受的標準(EMC)，不可能完全被消除掉(eliminated)。怎麼來改善工廠內的電磁干擾？當然先要釐清電磁干擾的來源，重要的做法就是每季或至少半年定期測量工廠內的電磁背景或環境值，最好是能建立即時的電磁波監測系統，如此更能找出有別於穩定電磁場的臨時時變場或突波，因為這些才是不易偵查和防治的電磁干擾來源。

本期內容主要就來檢視目前F12P4/P5無塵室的EMI背景或環境值。EMI的測量主要是針對影響機台作業環境的AC低頻磁場而言(理由請見上期新工處季刊)。自筆者進入台積，已測量過F12P4三樓無塵室的環境值(有生產機台作業)，F12P4三樓無塵室內不同生產機台個別所產生的磁場值，F12P5與F14P4三樓無塵室的EMI背景值(尚無生產機台作業)和F12P5機台裝機率達36%的環境值。所謂巧婦難為無米之炊，工欲善其事必先利其器，想要得到正確的低頻磁場值，先要有良好的測量儀器，筆者使用德國製手持充電式Narda EFA-300 EM Field Analyzer (操作溫度：0–50oC；頻寬：5 Hz–32k Hz；磁場：0–316 G(高斯)；準確度：3%； 0.01mG，1Hz；方向：3-axis；取樣時間：PEAK value 250ms/ RMS value 1.0 second)，每2年須送至原廠校正(2010年11月已校正)。測量磁場時將EFA-300置於鋁製(避免鐵磁性物質影響待測磁場)推車架上，測量高度90cm，測量距離每點相距4.8m(F12P4共19×32=608點，F12P5共18×32=576點，F14P4共20×38=760點)，磁場讀值選取標準：每一定點至少測量10秒以上，直到磁場跳動變化小至±0.1mG以下的穩定值，或讀取磁場固定跳動範圍內的最大值，並紀錄其所對應的頻率(一般測得的頻率為此時測得的最大磁場的頻率，但有時無頻率顯示，是因測量處的磁場為不同頻率來源但大小相差不多所組成，不易透過傅立葉轉換求得)。在測量無塵室的背景值，若有工人正在裝機作業時，會請他暫時關機或停止以免影響背景值的測量。測量時頻率的選取共有全頻寬5Hz–32kHz及鎖頻(Bypass)60Hz兩種。圖一至圖四為F12P4三樓無塵室磁場環境值的結果。

圖一. (a)、(b)分別是F12P4三樓無塵室不同製程作業區及F12P4二樓subfab的主電源線分布圖

圖二. (a)、(b)分別是2010/08/23–2010/08/31測量F12P4三樓無塵室60Hz的磁場，5Hz–32kHz的磁場

圖三. (a )、( b)分別是F12 P4三樓無塵室AMHS軌道與stocker位置圖及頻率2D等高線分布圖

圖四. (a) 、(b) 分別是60Hz和5Hz–32kHz產生高磁場的機台

先將F12P4二樓的主電源線盤配置圖及三樓的AMHS軌道STOCKER的位置拿來與量測結果比較，可明顯發現靠F12P4右側(F12P4P5的中央走道)的磁場(60Hz與5Hz–32kHz)應是源自於F12P4二樓的變電站及密集的主電源線盤配源頭，因為變電站的變壓器與主電源線盤配源頭(電流最大)本來就會產生輻射較強的磁場。另外也可得知F12P4三樓無塵室內較高頻率的磁場分布區是與AMHS軌道和STOCKER的位置重疊的，因為AMHS軌道是用電磁感應來輸送晶圓匣，其所輻射出的電磁波頻率可達10kHz。了解這不同頻率磁場在F12P4三樓無塵室的分布有何意義？如果只看磁場大小會不會影響機台而不管頻率，一但機台受電磁干擾要去作屏蔽處理，可能會效果不彰而費時費錢，因為<300Hz的極低頻磁場和>1kHz的磁場其屏蔽方式已不全然相同，前者要靠磁性材料來吸收電磁雜訊干擾，而後者除了要靠磁性材料來吸收也須搭配高導電材料來反射電磁雜訊干擾(下期新工季刊筆者將繼續說明“F12P4機台屏蔽實際案例”)。以上講的是來自廠內設施(facilities)所造成的磁場污染，但F12P4三樓無塵室最大及分布最廣的磁場污染是來自機台本身，筆者於去年(2010)10月至11月期間共測量過F12P4三樓無塵室內的230台正在作業中的機台，檢視這些機台在其四周所產生的磁場強度，測量點數達2042點(每台機器至少測4點-前後左右，最多測14點，視機器大小而定)。表一為測量結果磁場>20mG的機台名稱，其中磁場最大值>400mG(機台GILAU1：430mG，GIHEE：480-500mG)這些為穩定磁場的機台，另有不穩定磁場即突波也可>400mG(機台GPD*系列：GPDB，GPDD…等)。

測量機台自身的輻射電磁波時，也測試需多少距離這些高電磁波才會降至環境值，根據測試GDANT1，GEBCS3…等機台(因為這些機台的某一邊距其他機台很遠，可減少彼此干擾因素)，統計結果可得若機台輻射磁場>20mG則須距離此機台至少1.8m磁場值才會達<3.0mG以下(圖五)。

圖五. 機台輻射磁場強度與距離關係

看完F12P4的磁場環境值，也來檢視一下F12P5三樓無塵室的EMI背景值(尚無生產機台作業)和F12P5機台裝機率達36%的環境值兩者的差異(圖六-圖九)。因為F12P5將生產更小製程的產品，所以某些機台對磁場環境值的要求將更為提高(CDSEM：3.0mG for 40nm，1.0mG for 28nm，peak value)，因此在F12P5三樓無塵室內磁場等高線的分布面積就以此為檢驗標準。雖然e-beam writer在20nm製程要求環境值<0.3mG，但是EBO作業區在裝機之前，一定會做好防磁防震的隔間(EBO的SOP)，目前還不在討論的要點。

圖六. F12P5二樓subfab的主電源線分布圖

圖七. 不同頻率磁場背景值與機台裝機率達36%的環境值比較

圖八. 5Hz–32kHz產生高磁場的機台

圖九. F12P5三樓無塵室內磁場<3.0mG，<1.0mG的面積隨機台裝機率的增加而減少

從圖七可看出隨機台的移入，除了機台產生的磁場外，在F12P5三樓無塵室左側主電源線盤密集處的磁場也跟著由1.5mG增加到>3.0mG。位於F12P5三樓無塵室中間的AMHS四線軌道區，其磁場也較其他無機台空間區來的高(最大>3.0mG)，因為此四線軌道區輸送量大於其餘AMHS軌道區。看完F12P5機台裝機率達36%的磁場環境值，對CDSEM機台在28nm製程所需1.0mG的環境要求，其可用面積已減至約20%，很難想像當機台裝機率達90%以上時，F12P5三樓無塵室還會剩下多少空間其磁場環境值是<3.0mG甚至<1.0mG，當然最後還是可利用加裝被動式隔磁軟板或貼布來使機台繼續正常作業，不過這畢竟只是治標的方式而已。

那要如何來改善和預防無塵室的電磁干擾問題呢？

可從下列方向來著手：

1. 廠房及設施：

主電源線盤上的三相電線排列透過Magnet的電磁模擬軟體結果顯示，若三相電線是鏡像對稱排列的話(圖十)^[1]，將可有效降低其大電流(1800(A)所產生60Hz的磁場，由20mG(EFA-300置於F12P4三樓無塵室高架地板上，其下面有主電源線盤的真實測量值)減少至<3.0mG(模擬值)。另外在磁場要求標準較高的作業區(像CDSEM)下的主電源線盤還可搭配被動式U型隔磁防護的隔板，甚至在此區也可用具有隔磁效果的高架地板，目前筆者正在用有方向性的矽鋼片從事這項實驗，廠房的隔間也可用有隔磁防護的隔板好比內有鐵板襯墊的clean wall…等的做法，皆可減少因廠房及設施所產生的電磁污染。

圖十. 36條三相電源線的鏡像對稱排列A，B，C分別表示不同相位(R，S，T)

2. 機台本身：

雖然磁場會隨距離一次或二次方遞減，但在昂貴的無塵室空間將機台隔遠，以降低電磁干擾是不可能的做法，所以公司應該與設備商討論關於減少機台本身所產生的電磁輻射，從而訂定相關的電磁輻射標準或規範，特別是高磁場機台沒達到合格標準是不准進廠，事實上SEMI在1994^[2]就已訂出機台(1.0Hz-1.0kHz)磁場強度的不同等級(表二)。若依此等級未來在28nm或更小製程時，為使機台彼此不受電磁干擾而作業正常，可能機台都須達到LevelB以上。另外也可仿效AMC的做法，將本身既是高磁場污染源又不易受電磁干擾的機台集中，然後四周用隔磁防護的隔板與其它易受電磁干擾的機台的作業區分開。

3. 建立即時EMI監控與警告系統：

廠內除了變壓器主電源線設施外，無塵室內有更大量不同的機台，都會因不同的啟動關閉或操作過程，而產生時時在變化的電磁波時變場，因此想要確實了解電磁干擾的污染源，不是在一定點作一小段時距的測量便可得知的，唯有長時間對EMI即時監控才能有效查出電磁干擾的污染源。關於這點筆者已與F12P4的CDSEM設備工程師合作，用F12組三軸的1kHz與4組三軸的10kHz磁場感應器來監測位於STOCKER旁的兩台CDSEM，測量結果的即時磁場等高線分布圖可從辦公室的電腦來監看。(圖)經兩週的觀察發現最靠近STOCKER的SEM有>3.0mG約3k-5kHz的磁場。未來筆者打算在4樓建立磁場感應器的訊號與電源網格，利用插拔式的磁場感應器將磁場感應器垂降至三樓無塵室的方式來做即時EMI監控，如此便不會因為即時EMI監控的施工而影響機台或人員的作業。

圖十一. EMI即時監控系統

當然要做到完全掌控廠內電磁干擾的污染，不光只是上述方式就一蹴可幾的，另外還有工程師人員的電磁干擾相關知識與技能的訓練，以及大量測量和解決方式的資料累積(因為電磁干擾的問題通常是case by case不能一以貫之)，方能克盡其功。