先進半導體廠電磁干擾與靜電放電之防護策略

前言

對先進半導體廠而言，電磁干擾(Electro Magnetic Interference, EMI)與靜電放電(Electrostatic Discharge, ESD)之防護，一直是YED、Module與廠務人員面對的重要挑戰課題。

什麼是EMI？什麼是ESD？

首先說明何謂電磁干擾(Electro Magnetic Interference, EMI)？電磁干擾是指任何在傳導或電磁場伴隨著電壓、電流的作用而產生會降低某個裝置、設備或系統的性能，或可能對生物或物質產生不良影響之電磁現象。例如：無線和有線電話，受到電磁干擾會使信號發生畸變失真，嚴重時可完全被電磁干擾淹沒；自動控制系統受到電磁干擾時，可能出現失控、誤控或誤動作，使控制系統的可靠性和有效性降低，並危及安全。

其次說明何謂靜電放電(Electrostatic Discharge, ESD)？靜電放電是指靜電的正電荷或是負電荷逐漸累積時，會與周圍環境產生電位差，經由放電路徑而產生在不同電位之間移轉現象。靜電放電的過程會產生暫態的高電壓、電流、電場，對許多設備與人體都會造成影響，包括電磁干擾、訊號失真、元件損壞、產品瑕疵、良率影響與火災爆炸等。

EMI與ESD對半導體廠運轉的影響與風險

在半導體廠，電磁干擾除可能影響人體健康外(極低頻磁場屬於世界衛生組織附屬機構國際癌症研究所(IARC)歸類「2B可能致癌物」)，更主要是影響到製程和量測儀器設備的使用，例如：電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope, SEM、Transmission Electron Microscope, TEM)影像邊緣曲折與黃光(Litho)電子束偏移等。

而在半導體廠，靜電放電的主要風險除可能因靜電放電造成工廠內可燃性液體或氣體產生火災事故外，目前大部分靜電放電研究皆朝向電子元件或電子系統受到過度電性應力(Electrical Overstress, EOS)破壞，導致半導體元件 ，形成一種永久性的毀壞，進而影響積體電路(Integrated Circuits, ICs)的電路功能，而使得電子產品工作不正常 。不過本研究將跳脫以往製程人員在積體電路ESD之防護設計，將聚焦於化學管路內部因流體摩擦管壁產生靜電放電而導致流體內產生細小微粒(Particle)，而在製程反應的過程中，造成產品的缺陷(Defect)。

EMI與ESD防制方向

在研究電磁干擾防制方向前，首先仍需先瞭解電磁干擾種類。電磁干擾依傳導方式而分為傳導型(Conducted)和輻射型(Radiated)兩種。本文主要將探討無塵室內輻射型之電磁干擾的來源及實際量測無塵室內電磁干擾狀況，並將量測結果與SEMI E33-94建議值比較^[1]；另外，為降低電磁干擾以達到上述標準，本文亦提出兩種方法 : 一為被動式屏蔽(Positive Shielding)，使用高導磁材料隔絕電磁場，可用在大多數場合。二為主動式消除(Active Cancellation)，偵測磁場並產生相反磁場抵銷，主要用於保護較敏感的對象。最後將提供實際案例與改善結果，給未來有需要的同仁參考。

其次，在研究靜電放電防制方向，首先將瞭解靜電如何產生。一般而言，靜電產生的原因約略三種，包括摩擦帶電、感應帶電及傳導帶電；本文將主要探討高電阻率的化學品在金屬管路、塑材管路中摩擦帶電產生的影響，及如何透過靜電儀器量測管路內放電的行為；另外，靜電防護最有效的方法為使用良好的接地系統，但此方法只適用於導體，因此，我們亦可透過增加溼度、使用靜電消除器、使用抗靜電材料(如 : NE-Tubing)、降低摩擦速度，來抑制靜電的產生。最後亦將提出解決化學品管路內靜電累積的策略與建立管壁即時健康量測系統。

文獻探討

EMI防制的理論基礎

電磁波的產生與分類

在研究電磁干擾防制之前，首先我們先瞭解的何謂「電磁波」；「電磁波」是由電場與磁場交互作用所產生，屬能量的一種。它以波的形式接近光的速度進行傳遞，自古以來就以各種面向存在於大自然。電磁波一般包括以下兩種分類，第一類為「游離輻射」，第二類為「非游離輻射」￫圖1。^[2][3]

圖1、電磁波的分類

「非游離輻射」 : 非游離輻射係指頻率小於3×10的15次方赫茲(Hz)的電磁波，一般俗稱電磁波者皆屬此類。它的能量較微弱，無法打斷原子的鍵結產生游離化。 

「游離輻射」 : 游離輻射係指頻率大於3×10的15次方赫茲(Hz)的電磁波，一般常稱呼為輻射或放射線；最為人所知的游離輻射就是X光，它的頻率比起非游離輻射高的多，因此醫院的X光室都有鉛板屏蔽，避免輻射外洩。

電磁波的防制與改善

本文將分別提出被動式屏蔽及主動式消除兩種方法，解決輻射型電磁干擾在半導體廠的改善與應用。

A、被動式屏蔽(Shielding)

利用電磁波反射(Reflection)、材料特性(Absorption)及屏蔽指標(Shielding Effectiveness)來分析結果，進行有效屏蔽。

1. 電磁波反射(Reflection, R)
   電磁波傳遞時，若進入到不同特性阻抗的介質時，會有部分能量反射，反射如式(1)所示，其中特性阻抗(Z_S)可參考由如下求得。

    ........式(1)

   在上式中，Er：反射能量，E₀：輸入能量，Z₁ & Z₂：介質特性阻抗。

    ........式(2)

   一般入射端阻抗(Z₁)若為空氣，則為定值，因此可選用不同材料得到不同的導磁係數和電阻係數，來調整需要的反射量。電磁波經過屏蔽層分別在進入和離開屏蔽阻抗(Z₂)時產生反射，最後穿過的能量(E_t)為原本能量減掉反射的能量如￫圖2所示，當然結果希望越小越好。^[4]

   圖2、電磁波經過屏蔽層之示意圖

   
2. 材料吸收(Absorption, A)
   電磁波進入介質時，能量會以指數方式下降￫圖3 ，其中δ為衰減深度(skin depth)，定義為將能量衰減為原本1/e的長度，若δ越小，表示越短的距離就把能量衰減，則效果越好。

    ........式(3)

    ........式(4)

   其中δ為能量衰減至原本的1/e的深度，稱作衰減深度；t為電磁波進入介質後開始計算的距離。
   REMAINING FIELD STRENGTH ,E₁

   圖3、電磁波進入介質後之能量衰減圖

   
3. 屏蔽指標(Shielding Effectiveness, S)
   使用屏蔽指標(Shielding Effectiveness, S)分析結果，如式(5)所示。穿越過屏蔽的能量(E₁)越小 ，則S越大表示越好。

    ........式(5)

   其中E₀為屏蔽前能量大小；E₁則為屏蔽後能量大小。
   電磁波反射(Reflection)的屏蔽指標以R表示，將R帶入式(5)可得到式(6)，其中Z_W一般為空氣
   (377Ω)視為定值，則可發現R屏蔽指標主要受材料的導磁係數(µ)及電阻係數(ρ)影響。

    ........式(6)

   材料吸收(Absorption)的屏蔽指標以A表示，將A帶入式(5)可得到式(7)；我們可發現A屏蔽指標與材料的導磁係數(µ)和電阻係數(ρ)有關。

    ........式(7)

    ........式(8)

   最後總屏蔽指標為R加上A￫圖4，為使用厚度0.02英吋銅屏蔽層的總屏蔽效能。
   結論為Shielding這種方法的好壞，主要則可從材料的特性上決定￫表1，為一般常見材料的導磁係數與電阻係數。

   圖4、厚度0.02英吋銅屏蔽層總屏蔽效能

   
   表1、各種材料導磁係數及電阻係數

   Material	Relativeconductivity σ		Relativepermeability µ
   Silver	1.05		1
   Copper-annealed	1.00		1
   Gold	0.7		1
   Chromium	0.664		1
   Aluminum (soft)	0.61		1
   Aluminum (tempered)	0.4		1
   Zinc	0.32		1
   Beryllium	0.28		1
   Brass	0.26		1
   Cadmium	0.23		1
   Nickel	0.20		100
   Bronze	0.18		1
   Platinum	0.18		1
   Magnesium alloy	0.17		1
   Tin	0.15		1
   Steel (SAE 1045)	0.10		1000
   Lead	0.08		1
   Monel	0.04		1
   Conetic (1 kHz)	0.03		25000
   Mumetal (1 kHz)	0.03		25000
   Stainless steel (Type 304)	0.02		500

 B、主動式消除(Active Cancellation)
主動式消除工作原理￫圖5，該系統隨時偵測外來磁場，將磁場讀值傳給中央控制單元，根據讀值大小送控制訊號給磁場產生器，使其產生大小相同極性相反的磁場來抵銷。^[5]

圖5、主動式消除工作流程圖

1. 感測器(Sensor)
   為了偵測周圍環境磁場，感測器要求其敏感度。一般使用感應線圈、霍爾元件、磁阻元件，其中以磁阻元件體積較小，效能較強而較為適用。
2. 電流驅動元件：功率放大器(Power Amplifier)
   一般功率放大器分為Class A、Class B、Class AB三類￫圖6；Class A線性區較佳，輸出全部導通，沒訊號也導通，但效率較低。Class B有最高的效率，約50％導通，沒訊號則不導通，但會受交叉失真(Crossover Distortion Effect)影響。而Class AB介在Class A和Class B之間，大於50％導通，有不錯的線性工作區且不會受交叉失真影響。^[6]

   圖6、一般功率放大器分類

   
3. 線圈(Coil)
   感應線圈用來產生相反磁場，常見的有圓形線圈(Circular Loop Coil)、矩形線圈(Square Loop Coil)及亥姆霍茲線圈(Helmholtz Coil)。

ESD防制的理論基礎

靜電產生機制

在研究靜電放電防護之前，首先我們先瞭解的靜電產生機制；所謂「靜電」(Electrostatics)是指「電荷」
(Electric Charge, 符號以Q為表示，單位為庫倫C)在物質系統中的不平衡分布產生的現象，當電荷在靜止時的狀態，沒有電荷流動。但當兩個物體之間發生接觸或摩擦，就會導致電荷移動、產生靜電。

若以原子為例，原子由帶正電的質子、帶負電的電子以及中子組成。通常情況下，質子與電子數量相等，就可保持電中和與穩定的狀態￫圖7。但兩個物體接觸或發生摩擦時，電子會從對電子「親和力」(Affinity)較弱的材料原子轉移至親和力較強的材料原子中￫圖8。在電子移動後，材料將失去電中性，靜電積聚。吸引電子的材料帶負電，失去電子的材料帶正電，這就是靜電產生的機制￫圖9。

圖7、兩物體之原子保持電中性

圖8、親和力較強的材料將容易竊取電子

圖9、吸引電子的材料帶負電，失去電子的材料帶正電

很多材料在使用過程會造成靜電累積，但其中摩擦起電之電荷量事實上是難以估算的，因摩擦之速度、接觸面積、溫濕度、壓力與材料親和力(Affinity)等皆須納入考慮。參考2009年AlphaLab實驗室將各種材料之親和能力大致排序，常見的材料摩擦起電排序表，可參考￫表2所示^[7]。透過該表，可以簡易的知道常見之材料彼此摩擦後的帶電關係與粗略的帶電電荷量。

表2、各種材料摩擦起電與親和力排序表

當兩物體不斷的接觸、摩擦，物體表面就會因摩擦起電開始累積電荷；倘若物體表面的電荷不斷的累積，會與周圍環境產生電位差，當電位差達到材料抵抗電擊穿能力的量度「介電強度」(Dielectric Strength，單位為伏特/公尺、V/m)時，電荷會經由介質產生放電路徑，而使電荷在不同電位之間發生移轉現象，這種現象就稱之為「靜電放電」(Electrostatic Discharge, ESD)。

電荷消散理論探討

管壁可以因為摩擦起電而累積電荷，故管壁可以視為一個等效「電容」(Capacitor)來儲存電荷。當電容累積電荷時，可以視為等效電路正在對電容充電￫圖10；但相同時間，若該等效電路有放電路徑￫圖11，則電容也會透過放電路徑不斷放電，直至將電荷全數放完為止。

圖10、電容充電路徑與電荷量關係式

圖11、電容放電路徑與電荷量關係式

故如果從材料電荷消散的能力切入研究，則需探討電容放電之關係式，如式(9)及式(10)所示。^[8]

 ........式(9)

 ........式(10)

其中，Q₀為電容初始之電荷量，單位為庫倫(C)；Q_t為電容t秒後的電荷量，單位為庫倫(C)；V₀為電容初始之電壓，單位為伏特(V)；V_t為電容t秒後的電壓，單位為伏特(V)；R為等效電路之放電路徑阻抗，單位為歐姆(Ω)；C為等效電容量，單位為法拉(F)；t為放電時間，單位為秒(s)。

我們可以透過￫圖11與式(10)觀察到，若放電時間t等於一倍的RC時間常數時，則電容積存的電荷將放電至原先的約37%左右，並隨著時間越長，最終電容電荷量降為0。但因管內之等效電容難以估測，倘若放電路徑電阻R若過大，則RC時間常數愈大，則需要更長的時間才能將積存的電荷消散。又因式(10)，則可知道積存電荷下降，電容等效電壓亦下降，使得管壁內對管壁外的電位差下降，進而降低擊穿之機率。於此，探究管材與化學液體之放電等效阻抗、電阻率等電性就為必要，才可評估電荷是否可以快速地消散掉，減低電荷累積與ESD之風險。

靜電防護的方法

靜電防護除降低速度、壓力、減少摩擦及接觸頻率，選用適當材料及形狀，增大電導率等抑制措施外，一般而言還可採取下列措施：①接地②搭接③遮蔽④使用抗靜電劑⑤提高環境濕度⑥使用靜電消除器。

• 接地：即將金屬導體與大地(接地裝置)進行電氣上的連接，以便將電荷洩漏到大地。
• 搭接：將兩個以上獨立的金屬導體進行電氣上的連接，使其相互間大體上處於相同的電位。
• 遮蔽：用接地的金屬線或金屬網等將帶電的物體表面進行包覆，從而將靜電危害限制到不致發生的程度。遮罩措施還可防止電子設施受到靜電的干擾。
• 使用抗靜電劑：對幾乎不能洩漏靜電的絕緣體，採用抗靜電劑以增大電導率，使靜電易於洩漏。
• 提高環境濕度：採用噴霧、灑水等方法，使環境相對濕度提高到60～70%，以抑制靜電的產生，解決工廠等生產中靜電的問題。
• 使用靜電消除器：進行靜電中和。

 計畫/研究方法

電磁干擾防護研究方法

電磁干擾防護流程說明

為有效管理工廠內電磁干擾對製程良率與環境安全的影響，我們透過流程圖方式￫圖12，分別探討執行步驟、執行計劃與成效驗證。

圖12、電磁干擾防護改善計劃流程圖

電磁干擾防護計劃說明

在電磁干擾防護計劃上，首先需要先瞭解環境對電磁干擾相關規範與標準；在一般工作場所，參考行政院環保署顧問洪榮勳博士建議，在居留時間>4小時以上工作場所，建議極低頻交流磁場應小於10mG(毫高斯)，而在無塵室敏感度機台，參考SEMI E33-94建議值，應控制在小於1mG(毫高斯)。

其次，在電磁干擾的量測儀器選擇，Narda EFA-300為世界上使用普及的電磁場測量系統，普遍使用於低頻電磁場測量，如高壓輸電線、變電站、配電室等作業場所，進行設備低頻電磁輻射研究或環境低頻電磁輻射測量或研究等不同領域，其使用頻帶包括5Hz-32KHz、30Hz-32KHz、5Hz-2KHz、30Hz-2KHz寬頻滿足不同的測量需求 ，進行自然背景對比測量。

對於電磁干擾防護計劃評估，最重要的步驟，應該是如何選擇「主動消除」或是此採用「被動屏蔽」方式進行改善；一般而言，對於居室或一般工作場所，通常採用矽鋼片包覆方式之「被動屏蔽」做法較為恰當且節省成本，至於無塵室敏感度機台，因對製程良率影響較大，通常建議採取「主動消除」方法，將電磁干擾控制在小於1mG(毫高斯)。

靜電放電防護研究方法

靜電放電防護流程說明

為有效管理工廠內靜電放電對製程良率與環境安全的影響，我們透過流程圖方式￫圖13，分別探討執行步驟、執行計劃與成效驗證。

圖13、靜電放電防護改善計劃流程圖

靜電放電防護計劃說明

在靜電放電防護計劃上，首先需要先瞭解靜電放電相關規範與標準；在使用PFA管材與流體電阻率>10MΩ*m的情況下，依據工研院實驗結果，應該將靜電電壓控制在<1000V/m以下，避免對管壁或流體產生Wet Partic -le 影響。

其次，在靜電放電的量測儀器選擇，我們選擇基恩斯SK-H050靜電量測儀，其功能為量測物體表面靜電電壓，將該數據成為推論管內累積電荷之量測參考，評估目前管路之健康狀態。其量測原理為可將該機器本身視為一個等效電容C，並接收待測物之電力線，即可得出該物體表面之電壓。

對於靜電放電防護計劃評估，最重要的步驟，應該是如何在方法、材質與成本評估上取得最佳平衡點。一般場面在靜電防護上，通常採用降低速度或壓力、減少摩擦及接觸頻率、使用抗靜電劑、提高環境濕度或使用靜電消除器，其實最有效方法為採用接地方式，將電荷導引至大地；不過，如果材料屬於非金屬材質，通常除上述方法外，改用靜電消散管材(NE-Tubing)及建立管壁即時健康監測系統亦屬於可行之解決方案。

結果與分析

EMI防護改善案例說明

公司量測機台￫圖14，較大的紅圈為被保護之設備，較小的兩個紅圈為磁場感測器。未安裝主動式消除系統前，量測圖形邊緣會扭曲不平整，安裝主動式消除系統之後明顯改善，￫圖15為改善前後比較圖。

圖14、機台實際裝設主動式消除系統

圖15、主動式消除改善圖(左圖為改善前，右圖為改善後)

ESD防護改善案例說明

在瞭解廠內化學管路管內靜電累積真因後，本文提出全面量測的方式，針對NTD化學管路進行管路健檢與潛在之危害探查，並定位化學管路ESD位置，使人員可以針對舊有的化學供應系統進行高效率的更新與加強，進而提升系統穩定度。

一般PFA管材與某些化學液體因高電阻率之關係，使得管壁內容亦積存電荷，產生ESD危害。本文於此提出三項解決策略，使廠內的管路ESD災害降低，提升穩定度。

運轉參數最佳化

液體高速於管內流動時，可能會造成管內液體的流速不均，形成「紊流」(Turbulence Flow)，使得液體與管壁摩擦之次數增加￫圖16，導致管壁電荷積存情況更加嚴重，以單相液體，電流生成與層流之流速大約成比例增加，而於紊流中則大約呈平方倍成長。其中判斷紊流與液體均勻流速之「層流」(Laminar Flow)的分別可透過雷諾數
(Reynolds Number, Re)指標進行分類，其關係式如式(11)所示。

圖16、雷諾數與紊流、層流之關係

 ........式(11)

其中，V：平均流速(m/s)、D：管直徑(m)、μ：流體動力黏度(Pa, s)、ρ：流體密度(kg/m³)。

倘若Re小於2000，則可視流體為層流；若Re大於4000則可視流體為紊流。故我們可透過化學液體於管內流動之參數最佳化，可以減少電荷累積之產生。於日本的靜電安全指南中，亦提出最大流速之經驗建議公式，如式(12)，作為液體最大流速之設計參考。

 ........式(12)

其中，V：最大平均流速(m/s)、D：管直徑(m)、σ：液體之導電率(ρS/m)、L：槽水平剖面之對角線長度(m)。

建立管壁即時健康監測系統

如￫圖17所示，我們將透過安裝於NTD供應系統之11組「線上型靜電量測儀」進行即時之電壓監測，並將測量數據回傳至監控系統SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)，即時掌握化學管路與Pump元件之健康狀況，並將資料蒐集、建檔，做為未來研究與分析的重要參考￫圖18。

圖17、基恩斯SK-050/1000線上型靜電量測儀及NTD供應系統

圖18、安裝線上型靜電量測儀量測結果

更換管材為靜電消散管或不鏽鋼管

因管壁之阻抗過高，使得累積於管內壁之電荷無法透過接地作有效的消散。倘若使用電阻率為靜電消散材料之間的管材或不鏽鋼管，則可避免管內壁之電荷的累積，有效且直接地消散電荷，使ESD災害之機率大幅降低。我們透過實際之實驗佐證靜電消散管之靜電消散能力，如￫圖19所示，比較一般PFA管、「石墨烯外壁塗佈管 」(NE-Tubing)靜電消散管與不鏽鋼管之靜電累積結果 ，可以觀察到使用靜電消散管材￫圖20，在有效接地情況下，管外壁靜電電壓大幅下降，其結果如￫圖21所示 。^[12]

圖19、PFA、NE-Tubing與不鏽鋼管之實驗設計圖

圖20、NE-Tubing靜電消散管

圖21、PFA、NE-Tubing與不鏽鋼管之實驗改善之結果

其中我們將管材更換為NE-Tubing並改善其電荷累積之原理，因NE-Tubing管外覆有一層石墨烯塗佈，其電阻率為5.3Ω*m，為良好導體，故使積存於管內壁之電荷的放電路徑大幅縮小￫圖22，放電路徑為藍色小電阻之示意。反之，一般PFA管內壁若產生電荷積存，則放電路徑過長，又因PFA管才阻抗極大使得路徑電阻過大，造成電荷不易消散￫圖23，放電路徑為藍色大電阻之示意。

圖22、管路電荷積存之放電路徑，Conductivity PFA : 5.3 Ω*m，PFA-HG : >10¹⁶Ω*m

圖23、一般管路電荷積存之放電路徑

結論

隨著製程技術提升，晶片越來越精密，電磁干擾與靜電防護的問題也越來越被重視。

在解決電磁干擾改善計劃之研究結果，我們可以從兩個方向出發，一為解決電磁干擾的源頭，二為保護受干擾的對象，再考慮兩者的經濟效益來做改善。本文比較「 被動式屏蔽」及「主動式消除」兩種改善方式，各有其優缺點；通常「被動式屏蔽」最為普遍的解決方法，一般之使用矽鋼片、錫、鋁來當作屏蔽材料，其缺點是屏蔽效能根據選用的材料而固定，若碰到干擾磁場超過所能屏蔽的範圍，則需要將所有的屏蔽層拆下，重新裝設更厚或其他材料的屏蔽層，保護對象通常為室內空間。

至於「主動式消除」優點為可以隨時監控，紀錄干擾及抵銷磁場大小，而其工作原理是偵測多少磁場就產生多少磁場互相抵銷，以此次案例提到某工廠量測機台所裝的系統為例，最大效能為40dB，適用於保護較敏感的設備，可客製化感測器裝設的位置及數量。

而在靜電放電改善計劃之研究結果發現，任何材料摩擦，皆會產生電荷的交換、靜電的累積，雖然靜電產生的速度難以衡量，但依然可以評估材料透過接地自然消散電荷的速度；倘若電荷累積的速度大於電荷消散的速度 ，累積的電荷之等效電壓將有可能大於材料能承受的電壓，產生靜電放電，將其擊穿、釋放能量，使材料受損 ；又若發生靜電放電的環境為高風險環境，附近有可燃性蒸氣、液體，則更可能造成爆炸與火災，極其危險。

一般工廠使用的PFA管材雖然擁有極佳的絕緣性，但亦導致積存之電荷難以透過接地來移除。倘若管內流動的化學液體為高電阻率，則更容易造成電荷累積於管內壁 ，使得累積電荷的速度上升，增加ESD的可能。本文透過基本的電學理論解說，再透過現場量測佐證，最後提出從液體流動狀態之運轉最佳化、監控系統的建置與管材更換的解決方案與建議，提供未來於設計系統時之改善參考。

雖然本文主要聚焦於NTD化學液體，但PGMEA，Thin -ner等其他化學品亦為高電阻率液體，亦可以透過本文之理論基礎來改善，除了能有效避免ESD於化學供應系統中產生，更可降低災害事件的發生、設備的更換的頻率與降低化學液體受到外部污染之可能，除了減少設備更換的成本，亦使得化學供應系統更加穩定，提升效率與品質。