半導體製程機台隔震工程實務

前言

現今半導體晶圓廠投資動輒千億，其中又以製程機台投資為最大宗，影響這些製程機台停止運轉的，除了電力的中斷外，就屬地震為最嚴重。電力系統可以備援，但地震的侵襲則是無預警且影響範圍廣大。為了避免這些災害，晶圓廠對於防震都有一連串的措施。其中爐管機台的隔震更是不斷努力，從最早期機台沒有基座，後來使用鐵板載重，再後來使用鋼構載重，目前則是使用隔震平台。本文期望在透過實驗後，建立隔震平台使用上最佳化的參數設定。

高科技的研發製造，微晶片、微處理器和精密儀器設備等等的微型化精密度要求逐漸提高。為了善用此類精密儀器，其使用過程通常需要一個可接受震動水準的穩定平台。因為在高科技的研究、發展與製造過程中，震動可能源於地震、氣流、噪音、交通、關門。在製造設備更為複雜且更要求微型化更精密時，震動影響之重要性在奈米科技之發展時程上已逐漸超越過去對製造設備精密度的要求。就半導體晶片的生產過程，很多設備對振動是非常敏感的。尤其黃光設備，振動更是直接影響到晶片曝光顯影的結果^[1]。而影響此結果的因素，除了設備本身的制振能力、廠房的抗振設計，另外一個關鍵的因素便是架設在設備與廠房之間基座。目前廠內黃光設備都是使用被動式基座，本文期望在目前使用的被動式基座之外，能有一個更有效的制振基座可供選擇，業界已使用的主動式基座，應用在黃光設備基座上可以得到不錯的成效。

文獻探討

防震的領域可粗分為隔震與減震兩大項，許多實際結構物已裝設各類型隔、減震系統。廣義而言，結構控制的範疇不只侷限於傳統房屋及橋梁結構。儀器、設備的隔減震已隨著人們對其依賴性升高而逐漸加強^[2]。半導體晶圓製程機台為一完整的設備，欲於這些設備內加入減震系統有待設備開發者設計。因此，能維持原設備的完整性又可減輕地震危害的解決方案就屬隔震系統較為可行。

儀器設備隔震系統要考量的重要因素有易於安裝、免保養、快速維修、適合各類工作平台等。材質的選擇可為金屬、合金、硬化塑膠等不易因空氣潮溼、時間等因素腐蝕變質的材料，且各部分零件模組化、一致化可方便運送、組裝與維護保養。耐火、導電性等要求亦是儀器設備物隔震系統設計時之重要考量因素。

隔震系統可有效的隔離震動源對結構物的侵害。隔震支承裝置有許多種型式，其中，滾動式隔震支承裝置，係以滾動的方式隔離各水平向地震的侵襲。理論分析顯示，不論地表輸入之最大加速度為何，此裝置的動力反應均呈現一固定反應。由國家地震中心振動台試驗，滾動式隔震支承裝置的確能隔絕大部分的地震力輸入，因此可以避免或降低地震帶來之災害損失^[3]。

滾動式隔震支承平台係採用「滾動」方式作為隔震系統的新式隔震支承^[4]。此隔震支承之滾動面為一變化斜面，利用上部結構重量分量使其自動回復至初始位置。水平面地震波的傳遞方向可分成相互垂直的兩水平向分量，因此將滾軸以相互垂直方式上下相疊，即可組成一抵抗任一方向地震侵擾的滾動隔震裝置。滾動面與其上之滾動軸承均以金屬合金製成，符合前述耐久、耐火、性質不易變化的原則且具高度承載能力(如 圖1)。

近來由於半導體製程趨向奈米等級，儀器設備對於地板振動隔離的要求等級也不斷地提升，傳統的隔振技術已經漸漸地不符合實際的需要，所以國際先進隔振產品廠商紛紛投入主動隔振控制技術的研發，以協助高科技奈米級儀器設備產業的發展^[5]。對於結構第一自然頻率超過20、30Hz的多數儀器設備而言，4Hz以下之低頻率振動在經過設備儀器結構體時，已經大幅衰弱而沒有明顯的影響，基於此種觀點所提出之一般先進儀器設備所要求之振動規範都只考慮4Hz以上的振動，而且認為4~8Hz範圍之振動規範要求亦可放寬。依照不同量測與製程的情形，提出了VC-A至VC-E，五種振動規範等級，作為儀器設備之地板振動隔離所需的參考規範。然而對於現代與未來微奈米等級的精密機械儀器而言，許多都對4Hz以下的低頻率振動十分敏感，變化緩慢的低頻率振動可能對於承載重要元件的樑結構造成類似靜態彎曲的明顯位移，造成系統內各個元件的相對運動進而影響設備儀器的功能。這些傳統微振動準則逐漸不符合實際的需要，因而美國國家標準及技術研究院(National Institute of Standards and Technology, NIST)之先進量測實驗室(Advanced Measurement Laboratory, AML)提出了兩項更嚴格的振動規範，分別為NIST-A及NIST-A1，參考如 圖2。其中NIST-A在20Hz以上與VC-E相同，但是在20Hz以下則規範其環境微振動位移不可超過0.025um，適用於奈米等級之檢測機台如AFM、SEM、SPM等；而NIST-A1則要求在5Hz以上之環境微振動速度不可超過0.75um/sec，適用於次世代奈米製程儀器開發之環境要求。表1則是通用振動規範的說明與應用情形^[6]。

主動式隔振基座是應用於機台對抗微振的設施，目前半導體先進顯影製程要求的振動規範多數落在VC-E，而一般半導體廠房地板振動約為VC-A或B的等級，如 圖3的綠色直條。使用傳統被動式隔振器雖然可以隔離掉中高頻地板振動，卻有自然頻率共振放大振動的問題(圖3藍色直條)，造成低頻範圍不符合VC-E規範要求；若是搭配主動隔振技術，就可以有效抑制此自然頻率共振，達到所需的地板振動隔離要求(圖3紅色直條)，提升等級至VC-E^[7]。

研究方法

爐管機台因為較其它半導體製程機台瘦高，因此遭受地震影響較其它機台嚴重，現行以實際機台尺寸，並取得各個組成的重量，設計出一套質心符合實際爐管機台位置配重的結構，其中Power Box與Blower Box屬於附屬設備，在裝機時是安裝在不同樓層，與主機台並不合併在一起，而且無承載任何晶片，所以在設計時不予列入考慮，如 圖4。

考量晶片在機台內的大部分時間是位於製程腔體內，特別針對製程腔體位置設計一平台可供承載晶舟與晶片。將機台重量分配區分成2區塊，計算出重心位置，調配質量塊模擬爐管機台重心配置，如 圖5。

爐管機台模擬結構設計完成後，需要輔以加速量測儀器與位移量測儀器，藉以觀察地震發生時機台的動作情況。量測儀器說明及安裝位置如 圖6。

本次模擬實驗是與國家地震工程研究中心合作，藉由其三軸向地震模擬振動台進行模擬實驗(圖7)，於振動台面設置爐管機台模擬結構，進行架設安裝工程。

於國家地震工程研究中心地震模擬振動台將模擬結構架設完成後，並將晶舟固定於晶舟承載平台上，晶舟選擇用石英材質而非碳化矽材質，此兩種材質都是爐管機台常用的晶舟材質，但石英材質表面較光滑，磨擦力較差，容易產生晶片滑片，歷年來地震也是石英材質晶舟損壞晶片較嚴重，因此實驗以石英材質晶舟來承載晶片，藉以觀察滑片現象與地震對晶舟與晶片的影響(圖8)。

隔震平台加速規、設備加速規、晶舟加速規、隔震平台位移計配置情況如 圖9，除了這些量測儀器之外，更在晶舟旁邊架設運動攝影機(GoPro)，用以記錄晶舟與晶片的動作情況。

不同於滾動式隔震支承裝置，主動式隔振系統的構成是由，主動式除振元件、控制器、調壓閥元件等組成。利用振動加速度感測器感應承載物的振動，藉由控制器生成能抑制振動的相對應回饋信號。這個信号經由伺服閥，驅動致動器，藉此減低振動能量。亦利用位置感測器監測位移發生量，藉由控制器生成能使位移回復至原點的相對應回饋信號。這個信號也是利用相同的振動抑制方式使位移量減為最低。主動式隔振系統配置與原理如 圖10。

主動式隔振系統包含垂直、水平方向的振動制御功能，可以達到承載物的全部方向(3軸6自由度)振動制御效果，如 圖11。簡單的說，就是利用感測器去感應外來的振動源，避振器再給予反方向的作用力讓基座桌面保持在原本的位置，預期主動式避振器可以降低二個等級的振動。

主動式隔振基座安裝計畫事先請設備提供機台重量與其他特殊的需求，於素地環境振動值量測與現場放樣，接著進行基做的設計，先針對上框結構做設計，設計上避振器的載重需求是設備重量加上基座上框的重量，然後再依據設計的上框選用避振器型號。選定避振器後，進行基座的下框與避振器的連接設計，進行避振器的電腦振動模擬。

確定模擬結果是符合設備的振動需求後開始進行基座的製作，若模擬結果不符合振動需求，則改善結構的設計，直至電腦模擬結果是符合振動規範的。

主動式隔振基座製作完成後於現場進行基座的安裝作業與避振器的管路、電源配置作業，設備進機後將設備安裝定位於基座上方，進行主動式避振器的調教作業，避振器內即有振動偵測元件，可以隨時監控基座桌面的振動變化量，給予適時的位移量補正。避振器調教完畢後，會再以振動量測儀器進行基座桌面的量測作業，確保振動是符合規範的。

主動式隔振基座的組成元件，包含面板、主動式避振器、下框立柱、底板、固定片等元件，如 圖12。

主動式隔振基座安裝步驟依序為 : ①底板安裝 ②下框立柱安裝 ③主動式避振器安裝 ④面板安裝 ⑤固定片安裝 ⑥設備定位 ⑦固定片拆除，安裝完成，如 圖13。

結果與分析

模擬爐管機台隔震裝置於國家地震工程研究中心實驗，分成四種實驗條件 : ①設定隔震台啟動加速度為20gal ②設定隔震台啟動加速度為40gal ③設定隔震台啟動加速度為0gal ④無隔震條件，並進行了24項測試，如 表2。

實驗振動輸入波依照921地震原始地震資料，將X、Y、Z軸地震波(圖14)等比例調整至測試條件，再進行振動測試。

①    設定隔震台啟動加速度為20gal之測試結果：

• 加速度反應：(表3)
  表3、20gal之加速度反應

  X向	20gal	40gal	80gal	250gal	400gal	650gal	1000gal
  Top of Facility	14.9	17.2	20.6	34.9	40	58.9	87
  Top of Boat	234	296	287	295	295	300	293
  Bot. of Boat	10.3	11.1	12.9	19	22.3	34.3	50.5
  Base	9	10.3	14.8	17.8	20.4	24	37
  Y向	13gal	25gal	51gal	158gal	253gal	411gal	632gal
  Top of Facility	25.8	25.2	31.7	48.7	55.6	66.1	78
  Top of Boat	236	215	257	289	316	406	433
  Bot. of Boat	16	13.8	16.9	23.3	27.9	35.1	38.4
  Base	6.7	7.1	10	14.7	18.9	20.6	26

• 位移反應：(表4)
  表4、20gal之位移反應

  X向	20gal	40gal	80gal	250gal	400gal	650gal	1000gal
  Top	3.21	4	1.91	7.2	14.1	27.3	44.3
  Base	3.13	3.9	1.76	6.3	12.8	25.6	41.6
  Y向	13gal	25gal	51gal	158gal	253gal	411gal	632gal
  Top	1	1.4	2.63	6.5	9.8	13	19.6
  Base	1.1	1	2.07	4.4	7.4	10	15

• 反應比較圖：(圖15)

  圖15、20gal之反應比較圖

  

②    設定隔震台啟動加速度為40gal之測試結果：

• 加速度反應：(表5)
  表5、40gal之加速度反應

  X向	20gal	40gal	80gal	100gal	150gal	250gal	400gal	650gal	1000gal
  Top of Facility	21.6	22.5	31.4	36.4	36.6	46.9	50.7	69.4	107
  Top of Boat	243	367	447	432	413	430	430	435	428
  Bot. of Boat	15.3	17.3	21.4	23.8	23.9	29.2	30	39.8	58.3
  Base	14.3	16	20.9	22.8	23.3	24.9	28.3	31.3	46.9
  Y向	13gal	25gal	51gal	65gal	98gal	158gal	253gal	411gal	632gal
  Top of Facility	40	50.6	55.9	61.3	69	79.3	93.9	120	120
  Top of Boat	422	510	491	495	504	547	574	664	687
  Bot. of Boat	25.9	29.7	30.6	33	35.9	42.6	50.7	58.9	62.3
  Base	11.4	13.4	17.4	18.7	20.7	25.1	27.2	32.2	32.6

• 位移反應：(表6)
  表6、40gal之位移反應

  X向	20gal	40gal	80gal	100gal	150gal	250gal	400gal	650gal	1000gal
  Top	0.83	2.41	2.19	2.32	3.64	5.74	10.5	21.6	38.4
  Base	0.82	2.33	2.15	2.33	3.66	5.78	10	20.5	36.7
  Y向	13gal	25gal	51gal	65gal	98gal	158gal	253gal	411gal	632gal
  Top	0.99	1.53	2.67	2.89	4.02	7.64	9.7	17.1	20.3
  Base	0.57	0.77	2.15	2.27	3.39	4.46	9.1	16.6	18.8

• 反應比較圖：(圖16)

  圖16、40gal之反應比較圖

  

③    設定隔震台啟動加速度為0gal之測試結果：

• 加速度反應：(表7)
  表7、0gal之加速度反應

  X向	20gal	40gal	80gal	250gal	400gal	650gal	1000gal
  Top of Facility	4.3	11.1	13.1	20.4	27.1	41.4	96.8
  Top of Boat	9.9	15.4	22.8	44.6	77.2	154	217
  Bot. of Boat	2.5	4.1	6.2	10.9	19.6	28.5	50.4
  Base	2.5	4.5	5.9	10.7	18.4	27.1	38.3
  Y向	13gal	25gal	51gal	158gal	253gal	411gal	632gal
  Top of Facility	4.6	7.6	7.9	14.5	23.4	55.4	90.2
  Top of Boat	15.1	18.2	22.6	66.9	98.5	190	282
  Bot. of Boat	1.6	2.4	2.9	7.8	13.4	29	39.1
  Base	2.1	4.7	5.3	8.6	17.4	26.4	36.6

• 位移反應：(表8)
  表8、0gal之位移反應

  X向	20gal	40gal	80gal	250gal	400gal	650gal	1000gal
  Top	0.83	1.49	4.54	11.8	18.81	32	49.6
  Base	0.88	1.42	4.35	11.9	18.17	30.7	48.4
  Y向	13gal	25gal	51gal	158gal	253gal	411gal	632gal
  Top	0.64	1.18	2.96	10.3	14.48	27.1	38.2
  Base	0.62	1.15	2.74	9.55	13.53	25.27	35.2

• 反應比較圖：(圖17)

  圖17、0gal之反應比較圖

  

④    無隔震條件之測試結果：

• 加速度反應：(表9)
  表9、無隔震之加速度反應

  X向	20gal	40gal	60gal
  Top of Facility	48	97	156
  Top of Boat	227	380	473
  Bot. of Boat	42	83	131
  Base	35	68	104
  Y向	13gal	25gal	38gal
  Top of Facility	35	64	104
  Top of Boat	360	521	608
  Bot. of Boat	25	47	70
  Base	12	23	36

• 反應比較圖：(圖18)

  圖18、無隔震之反應比較圖

  

依據實驗結果，將不同條件之數據做比較，其結果如下 : 

• X向加速度反應比較：(圖19)

  圖19、X向加速度反應比較圖

  
• Y向加速度反應比較：(圖20)

  圖20、Y向加速度反應比較圖

  

依據實驗結果與比較分析，得到下列幾點結論 : 

1. 在無隔震的情況下，由於晶舟結構的關係，於微小的地震(20gal)下便會產生加速度劇烈放大的效應，導致晶圓產生滑片的現象。
2. 啟始加速度設為20gal亦無法有效減小晶舟搖晃的現象，因此，必須將啟始值往下修正。
3. 不設定啟始值之測試結果良好，在400gal才開始產生微幅滑片現象。

綜合以上，最佳啟始加速度應設在0~20gal之間，若設為0gal，則隔震平台太敏感，會徒增設備維修的困擾；若設為20 gal，則無法有效降低滑片的風險。如 圖21，最佳啟始加速度之參數設定應落在0~20gal之間，且應偏向0gal才能有效降低晶舟搖晃程度。

若以地震造成的位移量來判斷，無論啟始值設在0gal或是20gal，殘留位移量都非常小，隔震平台啟動後，最後都會落在機台可接受的範圍內。因此地震發生時，隔震平台有啟動都可減緩晶舟的搖晃程度，但是還要考量避免不是因為地震而造成的移動，例如人員誤推。

設計參數時，考慮不是故意推機台而產生的力量碰撞，若是不經意斜靠機台而產生的力量，則根據人因考量^[8]，啟動加速度最佳參數設定7gal，可達到防呆效果(表10)。

啟動加速度設定為7gal，加速度與位移反應與0gal和20gal啟動值的比較圖如 圖22，加速度比較表與位移比較表如 表11和 表12。

以實際地震紀錄為參考，自1999年以來有造成晶片報廢的地震共收集到有5次地震加速度記錄值(表13)。如果以這5次地震模擬安裝隔震平台後，對於晶舟的保護效果來看(表14)，隔震平台對於地震發揮了保護作用。在經過本案深入探討隔震平台啟始加速度的設定值之後，在半導體製程機台隔震工程實務上，能將每一個隔震平台發揮最大的功效來達到保護機台與晶片的目的。

主動式隔振基座實績上已於其他公司應用於曝光機上，基座設計圖如 圖23。

實際安裝照片如 圖24。

測振結果如 圖25，達到VC-E等級。 

結論

根據統計，爐管機台在運用隔震平台之前，因地震報廢晶片損失初估至少5000片晶片，在安裝隔震平台之後，不再有爐管機台之內的晶片報廢，可見隔震平台對於爐管機台內晶片的保護重要性，以後隔震平台對於爐管機台已成為標準配備。

當今全球半導體先進製程技術日新月異激烈競爭之際，除了產品研發與製程良率要不斷努力提昇之外，如何保全我們的努力成果以及避免地震災害，在台灣屬於地震帶的情況下，我們也務必努力朝地震零災損的目標前進。

主動式隔振基座可以廣泛應用於半導體與光電產業的製程與檢測儀器設備的環境振動控制，在製程越來越精密的情形下，儀器設備對於環境振動隔離的要求也越來越嚴格。傳統被動式隔振器無法滿足先進設備儀器的需求，必須採用主動隔振基座。以國內半導體產業與其他精密電子產業的蓬勃發展來看，此項技術應用的需求性一定會不斷的增加。因此，使用精密儀器設備振動規範需求的主動隔振式隔振基座，實為高科技產業所迫切需要的。