以被動屏蔽(passive shielding)方式解決CDSEM受低頻磁場干擾之案例

前言

F12P4三樓無塵室的GPCD20是用來檢測微影後40nm樣品線寬的電子顯微鏡，當以300volt操作時，檢測點會有跳動現象(圖一a)，致使測量線寬時大於上限標準值(圖一b)。

在機台受電磁波影響後，設備工程師便向電子顯微鏡的設備廠商反應，廠商隨即提供市售磁場防護貼板^[1]用來貼在電子顯微鏡機台外殼裡，但改善效果不彰。筆者用辦公室內cable tray產生的磁場(60 Hz)，來檢測磁場防護貼板其隔磁效果(圖二)。各將1層和2層磁場防護貼板貼在cable tray外殼，即可達12dB和18dB (18dB表示可將磁場由80mG降低至10 mG)的隔磁效果，筆者另外以家用鋁箔紙來做相同測試，但磁場並無明顯減少。

之前筆者曾與微影設備工程師合作測量其它電子顯微鏡的四周環境電磁波背景值，此次則是測量GPCD20電子顯微鏡的四周環境電磁波背景值。測量結果發現在機台四周附近(<60cm)，磁場值介於7-12mG (毫高斯)，打開機台外殼測其內部磁場值介於3-6mG (毫高斯)，其值皆大於SEM對環境磁場的要求規格<3mG (圖三)。

照理說磁場防護貼板應該可有效隔離磁場干擾，再仔細查明其間差別，發現辦公室內cable tray產生的磁場是60Hz，而機台四周附近磁場的頻率是介於400-3000Hz (圖四)。

而之前市售的磁場防護貼板在此頻寬內的屏蔽效果為4-6dB^[1]，也就是將磁場10mG降低至約6mG，但仍大於CDSEM機台要求的3mG。

為了改善機台不受電磁波影響，除了要提出更佳的屏蔽方法，也要知道影響機台的電磁波干擾是源自於何處，經查證GPCD20機台上面的前後方各有AMHS的迴轉軌道，在GPCD20機台高架地板下面右邊及後面有兩條主電源電纜線軌(main power cable tray)，下面右邊還有AMHS的電源電纜線軌(圖五)。

因此影響GPCD20的磁場來源有60Hz主電源電纜線及變頻(400Hz-10kHz)的AMHS電源電纜線軌和其輸送軌道，因為電磁場為向量加成，除了以電磁場分析儀(Narda, EFA-300)的全頻寬5Hz-32kHz測得此頻寬內的最大磁場(圖四)外，另以帶通(Bypass)即鎖頻來測主電源電纜線60Hz在GPCD20產生的磁場大小約6mG。

知道干擾磁場來源後，可知單以低頻磁場防護貼板不足屏蔽各頻寬的干擾磁場，尚須搭配導電良好的薄膜，像是家用鋁箔紙來擋掉較高頻率的磁場干擾。那要如何來包裹呢？正如上期新工季刊筆者所提，屏蔽材料的包裹要儘量靠近污染源或受污染源，當然在這個案例最佳的包裹方式是直接將磁場防護貼板和鋁箔紙貼在SEM真空槍體外(圖六)。

自從2010年6月份機台設備工程師採用屏蔽包裹方式後，測量點不再跳點了(圖七)，至今GDCP20機台不再發生因電磁波而產生MO。

事後筆者透過實驗和理論計算來驗證此屏蔽方式的效果：

在F12P5 Subfab作的實驗中(圖八)，先測AMHS (HID389 power panel)變電箱外的磁場，於相同位置再分別將不同層數的磁場防護貼板和鋁箔紙貼包在電磁場分析儀的探棒(probe)外，單一層的磁場防護貼板和鋁箔紙厚度各是0.12mm和0.01mm，由結果(圖九)可看出鋁箔紙相對於磁場防護貼板在高頻率磁場的衰減更為有效。

至於理論的計算如下：

屏蔽效果 Shielding effect (SE)=A+R

A是吸收absorption，R是反射reflection，

在近場距離內磁場優勢

SE=A+R=8.69(t/δ)+20 log|Zw/4Zs|^[2]

Zw： 自由空間的電磁波阻抗 spatial impedance=2πfμ_or

Zs： 屏蔽材料的電磁波阻抗 material impedance=(2πfμ/σ)^0.5=(2πfμρ)^0.5

t： 屏蔽材料厚度

δ： [集膚深度skin depth，電磁波可穿透材料表面的深度(強度衰減1/e)]：(1/fμσ)^0.5

f： 電磁波頻率

μ_o 與 μ： 真空中與屏蔽材料的磁導率

σ 與 ρ：屏蔽材料的電導率與電阻率

r： 屏蔽材料與磁場源的距離。

今以相關參數帶入計算：鋁的ρ=28.2nΩ•m，真空中與鋁的磁導率=4π10^-7 H•m⁻¹, r=0.1m系因無塵室內的高頻電磁波為雜亂場到處分布，t=0.002cm鋁箔紙厚度。

SE=4(A)_{磁場防護貼板}+k[0.04(A)+22(R)]_鋁箔紙 =18dB，

k：修正因子：因磁場防護貼板和鋁箔紙貼只包覆SEM真空腔體四周，但上下無覆蓋，若磁場為三軸均分，故k=0.667。

18=20log(Bin/Btran)

Bin=入射磁場(10mG)，Btran=穿透磁場。

Btran=1.3mG

所以不管經由實驗或理論計算結果來看，將磁場防護貼板和鋁箔紙貼包裹在SEM真空腔體四周，的確可將干擾不同頻率的綜合磁場降低至SEM對環境磁場的要求規格3.0mG。

不光是F12P4 GPCD20的SEM，只要是在F12P4/P5 Stocker附近受到>1kHz與>3.0mG磁場影響的SEM，都採用了相同的被動屏蔽包裹方式，至今機台都能正常運作(圖十)，而此種被動屏蔽包裹方式也通過公司的專利申請，並且正在申請BKM。