環境因素對半導體製程的影響
前言
一、從環境因素對半導體設備的影響
環境因素(Environmental Factors)已成為影響設備穩定度、製成精度與整體良率的關鍵條件。
隨著製成節點持續微縮，設備對環境的敏感度大幅提升，既使是人類感官無法察覺的微小變化，也可能導致曝光誤差、量測飄移，甚至造成設備無法達到原廠規範的啟用條件。
因此，針對設備周邊進行更高等級的環境控制，已成為先進製程不可或缺的一環。
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(如何提高產品製程的良率? 改善設備周邊環境就能達到更高的良率嗎?)
二、為什麼我們需要重視 ｢微環境控制」?
微環境控制的核心目的，並不是盲目追求帳面上的完美數值，而是為了降低製程中的不確定性(Process Variability)，確保機台能在最理想的條件下持續運作。
特別是對於高解析度、高靈敏度的設備來說，為完靜的控制品質，往往直接決定了產線的三大關鍵：
(2) 製品良率是否能達到業界標準。
(3) 長時間運轉下的性能一致性。
三、微環境是什麼?
我們人體的感官往往無法察覺微幅的溫度升降或微米級的震動，但對於半導體先進製程設備而言，這些微小的環境波動卻是決定良率的關鍵。對微環境進行精準控制，盡可能減少生產過程中的環境變因
(Process Variability），是維持設備穩定運行、改善製程良率必不可少的一環。
四、微環境各項物理指標的意義與單位
1. 溫度(Temperture)：
環境中的溫度值，亞洲地區常以 ℃ 表示。
通常用於標記設備運行的操作溫度。
會直接關係到設備機件與晶圓材料的熱膨脹狀態。
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(溫度升高至使空氣折射率出現變化)
2. 濕度(Humidity)：
相對濕度 %RH (Relative Humidity) ，表示空氣中實際水氣含量相對於該溫度下最大可容納水氣量的百分比。除了滿足設備的基本設置條件外，更重要的是防止光阻吸濕，並維持空氣折射率的穩定。
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(折射率發生變化致光刻出現異常)
3. 照度 (Illuminance)：
以勒克斯 (Lux) 表示。每單位面積（1 m²）上接受的光通量（1 流明）的量，1 lux = 1 lumen / m²。
用於標示光敏材料的穩定度或影響光學檢測的對位精度的指標。
-
(光敏材料受到影響)
4. 風速 (Air Velocity)：
常以 m / s表示，為影響空氣潔淨度、粒子控制及熱擴散效率的關鍵參數。
5. 潔淨度 (Cleanliness Level)：
是阻絕汙染的第一道防線，為半導體生產中最重要的指標之一，通常以 ISO Class進行分級。
在極端高精密製程（如 EUV、奈米級前段製程）中，微環境往往需要達到 ISO Class 1 或 2 的嚴苛標準。
以下為ISO等級對照表：
|
ISO |
對應舊制 |
≥ 0.1 µm |
≥ 0.2 µm |
≥ 0.3 µm |
≥ 0.5 µm |
≥ 1.0 µm |
≥ 5.0 µm |
評級說明 |
主要用途 |
|
ISO 1 |
— |
10 |
2 |
— |
— |
— |
— |
最高等級潔淨環境 |
奈米級研究、極高階材料研究、特殊粒子控制實驗 |
|
ISO 2 |
— |
100 |
24 |
10 |
4 |
— |
— |
超高潔淨環境 |
先進半導體研發、 |
|
ISO 3 |
Class 1 |
1,000 |
237 |
102 |
35 |
8 |
— |
極高潔淨室 |
光罩製作、先進曝光製程、 |
|
ISO 4 |
Class 10 |
10,000 |
2,370 |
1,020 |
352 |
83 |
— |
高潔淨室 |
半導體製程、微電子製造、 |
|
ISO 5 |
Class 100 |
100,000 |
23,700 |
10,200 |
3,520 |
832 |
29 |
高潔淨 / 局部超潔淨區 |
無菌充填、手術核心區、 |
|
ISO 6 |
Class 1,000 |
1,000,000 |
237,000 |
102,000 |
35,200 |
8,320 |
293 |
中高潔淨室 |
電子零件製造、精密組裝區、半導體一般製程區 |
|
ISO 7 |
Class 10,000 |
— |
— |
— |
83,200 | 83,200 |
2,930 |
一般潔淨室 |
醫療器材製造、 |
|
ISO 8 |
Class 100,000 |
— |
— |
— |
3,520,000 | 832,000 |
29,300 |
基礎潔淨管制區 |
包裝區、一般工業潔淨區、 |
|
ISO 9 |
Class 1,000,000 |
— |
— |
— |
35,200,000 | 8,320,000. |
293,000 |
接近一般室內空氣 |
非關鍵管制區、 |
-
(晶元遭到汙染)
6. 振動 (Vibration) ：
通常以速度 (Velocity, μm / s or mm / s)、加速度 (Acceleration, m / s2 or gal)進行表示。在國際上我們通常以VC曲線(VC-Curves) 作為共通的標準。
附件為VC曲線之對照表：
|
VC 等級 |
速度（μm/s rms） |
適用設備 |
|
VC-A |
≤ 50.0 |
電子顯微鏡、量測儀（低靈敏度） |
|
VC-B |
≤ 25.0 |
精密雷射量測儀、SEM |
|
VC-C |
≤ 12.5 |
光學對位系統、高精密加工設備 |
|
VC-D |
≤ 6.30 |
高解析 SEM、奈米等級操作區 |
|
VC-E |
≤ 3.10 |
EUV、原子力顯微鏡（AFM）、干涉儀 |
|
VC-F |
≤ 1.50 |
超高解析 TEM、奈米印刷等 |
振動為影響電子顯微鏡、描畫機、精密加工機等高精度設備運作穩定的重要環境因子。
振動並非完全消除即可解決的問題，而是必須被控制在設備可接受的範圍內。
對於電子顯微鏡、電子束描畫設備與奈米加工設備而言，即使是極低幅度的環境振動，也可能造成影像模糊、解析度下降或量測失準。
因此，振動控制往往需搭配：
(1) 事前環境評估
(2) 被動隔振系統設計
(3) 主動式除振系統設計
才能確保設備在實際生產條件下達到規範要求。
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(晶元遭到汙染)
7. 磁場 (Magnetic Field) ：
依據對象裝置的不同，常使用特斯拉 (μT) 或高斯 (mGauss) 進行表示。
又分為交流磁場與直流磁場。在半導體工廠中：
交流磁場 (AC Magnetic Field)：又稱為變動磁場，為因交流電周期變化所產生的磁場。通常為 50 Hz (日本、中國) or 60 Hz (台灣)。由於AC磁場在廠內經常穩定存在於基礎背景中，例如供電系統產生的磁
場，其變化週期穩定、波動小，被視為可預測的穩定場。
直流磁場 (DC Magnetic Field)：又稱為靜磁場。在廠區中實際上的變動磁場來源常為低頻或非週期性 DC 偏移。例如磁場變化產生的磁滯效應、周邊設備的使用或大型直流載體經過等，造成直流磁場產生緩
慢的變動或突波干擾，變化週期不定、波動大，被視為不可預測的非穩定場。需透過長時間數據觀測才能掌握其趨勢。
磁場干擾是半導體廠內最不容易被直觀察覺，卻最關鍵的環境因素之一。
特別是在電子束相關設備中，磁場變動會直接影響電子軌跡，造成成像扭曲或定位誤差。
其中，直流磁場因其變化緩慢、突波不定，往往比交流磁場更難預測與控制，必須透過長時間監測與專業分析才能掌握其趨勢，並進一步規劃對應的抑制或補償措施。
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(受直流磁場干擾之影像) -
(受交流磁場干擾之影像)
8. 噪音 (Noise)：
以分貝 (dB) 為單位，用以表示聲壓的強度。
為影響層流、設備振動及量測穩定性的重要指標之一。
強烈的聲壓會轉化為空氣震動，影響到無塵室層流的穩定性，甚至引發機台部件的微小共振，是影響高階量測穩定性的重要指標之一。
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(影像出現振紋)
五、微環境是高階設備能否發揮效能的隱形關鍵 (結語)
在先進半導體製程中，常見的情況並非設備本身性能不足，而是環境條件未能符合設備的設置規範。
當微環境條件未達要求時，即使是最高階、最昂貴的設備，也可能無法發揮其應有的解析度與穩定度。
因此，微環境控制已不再只是輔助工程，而是設備導入、驗收與長期穩定生產中不可分割的一部分。
