摘要
機台產生的磁場其衰減強度與距離關係之探討
Keywords / Electromagnetic Interference5,Electromagnetic Compatibility,Low Frequency Magnetic Field4,Magnetic Field Distance Decay
機台作業時會產生電磁波，為使機台彼此不受電磁波干擾，筆者即進行機台磁場強度的衰減距離研究，以便找出機台之間不受電磁波干擾的安全距離。除了實際測量並搭配理論來做擬合，並透過合理的參數來做物理理論擬合的解釋，結果發現機台磁場強度會隨距離成二次方或三次方反比。
前言
電磁干擾 ( EMI : electromagnetic interference ) 的問題隨著製程尺寸縮小對機台生產的影響日益顯著，尤其是以加速帶電粒子來作業的機台受到低頻磁場 (頻率在 k Hz等級，對一般金屬有較強的穿透力) 的影響更不可小覷！因為速度為ν帶電量q的粒子在磁場B中會受磁力作用FB = q‧ν× B，經古典物理計算: 電子被300伏特電壓加速後當受到1-2mG磁場影響，在工作距離(working distance)為10mm內，磁力作用可使電子較原先路徑偏移近10nm 圖一，所造成偏移已遠大於現今先進製程CD值的誤差，好比CDSEM在檢視28nm以下製程其對環境背景值要求是<1.0 mG( 圖一 十二廠五期三樓 CDSEM影像受到環境2.5-3.0mG磁場干擾，直線兩邊產生連續鋸齒狀，影響了CD值的判斷)。而e-beam writer在製作20nm光罩其對環境背景值要求標準更高<0.3mG，此值應該比一般居家環境值都小，更遑論在機台密佈的無塵室空間。
圖一、十二廠五期三樓 CDSEM 影像直線兩邊產生連續鋸齒
根據筆者兩次在十二廠四期三樓無塵室量測電磁波(低頻磁場5 Hz-10k Hz，每隔4.8m測一點共 32×19=608點)， 結果顯示磁場小於等於1.0與3.0mG的區域分別只佔無塵室面積的0.4%與41% 圖二十二廠四期三樓磁場2D等高線圖)。去年底 Hitachi最新推出檢視N1X的CG5000 CDSEM其對環境磁場的要求已達<0.5mG(與電源非同步頻率asynchronous power frequency，即非60Hz頻率的磁場)，CDSEM就好比製程的眼睛，眼睛都看不清楚哪來的好樣品?因此如何降低無塵室機台不受電磁干擾將會左右未來先進製程的良率。
圖二、十二廠四期三樓磁場 2D 等高線圖
文獻回顧
SEMI 為了無塵室機台不受其它機台和廠務設施電磁干擾而制定了SEMI E33-94 [1]“The specification
for Semiconductor Manufacturing Facility Electromagnetic Compatibility”建議在極低頻ELF(1Hz-1k Hz)範圍5個等級的機台磁場規範，見 表一。
|
Level A |
ELF of less than 0.25 mG rms (0.7 mG pp) |
|---|---|
|
Level B |
ELF of less than 0.50 mG rms (1.4 mG pp) |
|
Level C |
ELF of less than 1.00 mG rms (2.8 mG pp) |
|
Level D |
ELF of less than 2.00 mG rms (5.6 mG pp) |
|
Level E |
ELF of less than 2.00 mG rms and greater |
SEMI E33-94制定的目的原文如下：“The purpose of this specification is to assure that semiconductor manufacturing facilities and the equipment used for manufacturing semiconductor devices will operate together reliably without failures caused by electromagnetic interference or electrostatic discharge. This goal is generally known as "electromagnetic compatibility" or EMC. This specification applies to facilities and equipment constructed for the purpose of manufacturing semiconductor devices including all facilities alarm, safety, communications and control systems, processing equipment, metrology equipment, automation equipment, and information technology equipment.”
由上述原文便可知無塵室內有兩大磁場來源:
- 生產作業機台；
- 廠務設施例如電纜線變壓器等。關於後者廠務設施的磁場污染源，新工處已研發隔磁高架地板(不論盲板或蜂巢板均可達90%的屏蔽效果)，並搭配電纜線鏡像對稱排列(在十五廠一期CUP初步測試至少可較原來電纜線排列所產生的磁場減低50%)，另外透過選購與廠商共同開發的360KVA-433A型隔磁變壓器 (變壓器正上方3.0 m的磁場由原來>20mG降低至<2mG的方式來降低上述因廠務設施所產生的磁場污染，這些新發明將先逐步試用於即將完工的十二廠六期及十五廠二期。
計畫方法
關於生產作業機台彼此之間的電磁干擾未來應該依照SEMI E33-94的規範等級，來要求生產作業機台至少達到Level C或D以上方可置入無塵室作業，好比家用電器也必須符合電器EMI規定才能上市販售，例如電視收音機音響需符合EMI國際標準CISPR Pub. 13 [2]。目前也可透過幾個方式來減少機台彼此之間電磁波的影響，其中最容易的方式，可將有較強輻射磁場機台的電源供應開關面板轉向，舉個實例: 十二廠五期三樓 HPCD02 裝機測試完的影像不夠清晰，經查明是受到後面HPBD02的分離式IP rank的電源影響，只要將此機台高磁場的面板轉到另一邊，磁場大小立刻從130mG降低到5mG。
另外就是本篇所要探討的主題- 研究機台所輻射出磁場的衰退距離，目的有二: 一、可確定機台彼此之間的EMC(electromagnetic compatibility) 安全距離， 二、可依此磁場的衰退距離使無塵室內機台的佈置空間利用最佳化，因為除了用屏蔽的方式， 增加污染源與受害者彼此之間的距離也是一種有效減少電磁干擾方法，可是無塵室空間寸土寸金，如何能讓機台不受電磁干擾的空間利用最佳化，唯有透過對機台所輻射出磁場的衰退距離研究方可找出答案。筆者在十二廠五期機台剛開始裝機時測量某些產生高電磁波機台其磁場衰減與距離關係[3]，結果如 圖三所示。此測量條件必須是機台附近無其他機台（至少6.0m等於10個高架地板長度）以免測量值被影響。
圖三、etching 機台磁場衰減距離測量與其結果
為計算出磁場強度與距離關係，計算時利用電磁學原理只考慮最主要: 畢奧-沙伐特定律[Biot-Savart Law dB=μo ‧ | ‧ dL × R/(4π ‧ | R |3)]，而無其他微擾的修正(好比空氣造成的阻抗衰減或碰到金屬面的反射…)。結果可概分成三種:磁場與距離成一次方反比- 磁場測量距離遠小於載流導線長度；磁場與距離成二次方反比- 測量距離與載流導線長度無極大極小的差距；磁場與距離成三次方反比- 考慮來回線路的AC相位彼此干涉，還有電流源是一個很小迴圈的磁偶極(magnetic dipole)或是磁場測量距離遠大於載流導線長度等情況。
再將這些測量值依此三種來做資料曲線擬合(data fitting) ，擬合的公式如下:
B = K · (r +X)-n + offset
B 磁場測量值 (mG)
K= d · μo · I / 4π
μo (真空磁導率)= 4π 10-7 (T · m / A) = 4π (mG · m / A)
d=1當n=1；
d=產生磁場的有效載流電線長度，當n=2；
d= 磁偶極面積大小，
當n=3；
I 產生磁場的電流大小(Amp)
r +X 測量距離: 磁場量測點到產生磁場的電源距離(meter)
因為機台都有外殼包覆，所以磁場只能在外殼以外量測。
故r是機台內產生磁場的電源到外殼的距離，
X 是磁場量測點到外殼的距離。
offset為環境背景值(無塵室內無任何機台作業的磁場背景值約0.3–0.5mG)，
擬合過程分別將n值分別帶入n=1、2、3，並調整offset值使得誤差(均方根誤差RMSE: root mean square error)落於<offset的合理環境背景值範圍內。
結果與分析
在檢視擬合結果之前，必須了解，就算擬合的數據與實驗結果非常吻合(RMSE很小)，並不代表擬合公式就是正確的！還要看看擬合出來的參數是否有意義，最容易驗證的值就是r(機台內產生磁場的電源到外殼的距離)，r的合理值應在1.0或2.0公尺以下，視機台大小而定。另外如為了讓RMSE很小而調整offset的大小到<0.2mG以下，這擬合結果也就不準了，因為offset 為環境背景值即便是無任何機台環境背景都至少0.3 mG。還有K值的大小也是另一個觀察的指標，K值為d參數和機台電流乘積所決定，當n=1或3時d皆為一常數，分別是1和磁偶極面積大小 (將電源當成磁偶極其面積大小約0.01-0.1 m2)，當n=2時d就為一個變數，d=載流電線長度‧sinθ，θ是距離方向與電流夾角，隨著測量距離的改變θ也在改變，計算時假設用45o角當平均，機台電源處載流電線長度約0.5-1.0m。一般機台的電功率約在102-103瓦特，若供電電壓用210伏特來計算，機台使用的電流大小約在10-100安培。因此，知道d值和電流的大小，就可檢視K值擬合結果是否有意義。
從 表二、三、四及考量4個參數K、r、offset、RMSE 的合理範圍，來分析13台機台的磁場衰減距離擬合。當n=1時，有10台機台顯示擬合結果佳 圖四之1，但其它參數值卻不具有物理意義 表二；另有3台則擬合不成功（offset太小或RMSE值太大 圖五之1），畢竟磁場與距離成一次方反比主要成立於磁場測量距離遠小於載流導線長度。當n=3時，顯示擬合結果成功率較高，其次才是n=2（圖四之2，n=3； 圖五之2，n=2），磁場與距離成二或三次方反比，此擬合結果算是十分合理，因為機台裡產生磁場的多是有限長度大電流導線或小迴圈的變壓器。若還要更仔細討論，像是變壓器的電流大小可再乘上線圈匝數，K值的容許範圍將可加大，則n=3會有更多擬合成功的機台，例如：HDCBK1和ACEPA3。 圖四、 五的圓點為實際測量值，曲線為擬合結果。
圖四、HCAPN1 機台的擬合磁場衰減距離圖
圖五、HIHIV9 機台的擬合磁場衰減距離圖
|
n |
機台 |
K |
r |
offesst |
RMSE |
擬以核結果 |
|---|---|---|---|---|---|---|
|
1 |
HDCBK1 |
9.22 |
0.34 |
0.1 |
0.64 |
offset太小 |
|
1 |
HCUVA2 |
1.54 |
0.24 |
0.1 |
0.05 |
K和offset太小太小 |
|
1 |
HDOXD1 |
2.22 |
0.20 |
0.6 |
0.10 |
K太小 |
|
1 |
HCSCD5 |
0.58 |
0.10 |
1.0 |
0.06 |
K太小 |
|
1 |
HCEPA3 |
29.95 |
0.13 |
0.1 |
6.36 |
offset太小RMSE太大 |
|
1 |
HSSK12 |
3.66 |
0.37 |
1.0 |
0.13 |
K太小 |
|
1 |
HIHIV9 |
12.8 |
0.14 |
0.1 |
1.54 |
offset太小RMSE太大 |
|
1 |
HCAPN1 |
3.72 |
0.91 |
0.2 |
0.21 |
K和offset太小 |
|
1 |
HDRNA1 |
4.07 |
0.26 |
0.3 |
0.01 |
K太小 |
|
1 |
HSMGA2 |
6.75 |
0.13 |
0.1 |
2.86 |
offset太小RMSE太大 |
|
1 |
HCSCN5 |
0.47 |
0.04 |
1.7 |
0.05 |
K太小 |
|
1 |
HPSS02 |
0.57 |
0.04 |
0.9 |
0.04 |
K太小 |
|
1 |
AMHS380 |
2.59 |
0.12 |
0.1 |
0.16 |
K和offset太小 |
|
n |
機台 |
K |
r |
offesst |
RMSE |
擬以核結果 |
|---|---|---|---|---|---|---|
|
2 |
HDCBK1 |
24.8 |
0.97 |
0.8 |
0.28 |
|
|
2 |
HCUVA2 |
2.4 |
0.63 |
0.4 |
0.02 |
K太小太小 |
|
2 |
HDOXD1 |
3.74 |
0.58 |
0.9 |
0.13 |
|
|
2 |
HCSCD5 |
0.570 |
0.34 |
1.1 |
0.09 |
K太小 |
|
2 |
HCEPA3 |
42.73 |
0.43 |
0.4 |
0.66 |
RMSE > offset |
|
2 |
HSSK12 |
6.71 |
0.85 |
1.6 |
0.21 |
|
|
2 |
HIHIV9 |
17.4 |
0.43 |
0.8 |
0.60 |
|
|
2 |
HCAPN1 |
4.3 |
0.33 |
0.9 |
0.20 |
|
|
2 |
HDRNA1 |
6.13 |
0.64 |
1.0 |
0.26 |
|
|
2 |
HSMGA2 |
9.14 |
0.41 |
0.1 |
1.50 |
offset太小RMSE太大 |
|
2 |
HCSCN5 |
0.42 |
0.18 |
1.8 |
0.02 |
K太小 |
|
2 |
HPSS02 |
0.41 |
0.17 |
1.1 |
0.02 |
K太小 |
|
2 |
AMHS380 |
3.23 |
0.39 |
0.6 |
0.09 |
|
n |
機台 |
K |
r |
offesst |
RMSE |
擬以核結果 |
|---|---|---|---|---|---|---|
|
3 |
HDCBK1 |
109.0 |
1.62 |
1.1 |
0.25 |
K和r太大 |
|
3 |
HCUVA2 |
6.5 |
1.03 |
0.5 |
0.02 |
|
|
3 |
HDOXD1 |
9.04 |
0.94 |
1.1 |
0.15 |
|
|
3 |
HCSCD5 |
1.52 |
0.64 |
1.1 |
0.11 |
|
|
3 |
HCEPA3 |
88.57 |
0.73 |
1.3 |
0.99 |
K太大 |
|
3 |
HSSK12 |
21.70 |
1.34 |
1.8 |
0.24 |
|
|
3 |
HIHIV9 |
36.89 |
0.74 |
1.0 |
1.27 |
RMSE > offset |
|
3 |
HCAPN1 |
8.22 |
0.59 |
1.1 |
0.26 |
|
|
3 |
HDRNA1 |
16.41 |
1.03 |
1.2 |
0.34 |
|
|
3 |
HSMGA2 |
18.92 |
0.71 |
0.2 |
1.06 |
offset太小 |
|
3 |
HCSCN5 |
0.65 |
0.37 |
1.8 |
0.04 |
|
|
3 |
HPSS02 |
0.60 |
0.34 |
1.1 |
0.04 |
|
|
3 |
AMHS380 |
5.39 |
0.64 |
1.0 |
0.05 |
結論
目前可根據實際測量值，來定出機台的安全磁場作業距離(EMCdistance)，即機台磁場衰減強度不再隨距離變化，可依磁場大小分為三類：假設測量距離X=0位置，當磁場強度>80mG， EMCdistance >5.7公尺；當磁場強度介於20mG與80 mG中間時， EMCdistance >3.0公尺；當磁場強度< 20mG，則 EMCdistance >1.8公尺。如果能利用機台輻射出磁場強度會隨距離成二次方或三次方反比的擬合結果，再輸入正確的電流和結構參數(機台內主電流線長度，迴圈面積..等)，不必經過費時費力繁瑣的測量便可決定無塵室內上百機台的安全磁場作業距離，有此資料，以下兩個目的則可輕易達成：一、可確定機台彼此之間的EMC安全距離；二、可依此磁場的衰退距離使無塵室內機台的佈置空間利用最佳化。
參考文獻
- SEMI E33-94, ”SPECIFICATION FOR SEMICONDUCTOR MANUFACTURING FACILITY AGNETICCOMPATIBILITY” Semiconductor Equipment And Materials International, Mountanin View, CA,1992,1994.
- SPR(Special international committee on radio interference) was founded in 1934 to set standards for controlling electromagnetic interference in electrical and electronic devices, and is a part of the International Electrotechnical Commission (IEC).
- 筆者曾於2010底針對十二廠四期三樓的各種機台產生的磁場大小作過測量，總共測量過230個機台(歡迎對機台EMI有疑慮的單位來跟筆者索取)。但是無法利用十二廠四期三樓的各種機台來做磁場強度衰減距離實驗，因為十二廠四期三樓已無乾淨的電磁波環境。
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