什麼是 VC 曲線？微振動三相圖判讀與半導體設備振動等級對照
微振動對半導體設備的影響
從瞭解微振動來提升製程穩定度與良率
在半導體製程中，微振動往往不是一個突發事件，而是一種長時間、持續存在的環境條件。與地震或機械衝擊不同，這類振動的幅度極小、能量有限，卻可能在高解析度與高靈敏度設備中，造成成不可忽視的影響。
隨著設備解析度提升、製程節點微縮，許多過去被視為可忽略的環境振動，逐漸成為影響對位精度、影像穩定性與量測一致性的關鍵因素。這些振動多半無法被人體感知，卻會直接反映在設備的實際運作結果上。
因此，在討論除振設計或改善對策之前，必須先對微振動本身的特性、與評估指標建立共通認知，才能避免在後續分析中產生誤解或錯誤判斷。
關於微振動 (微振動について)
振動的定義 (振動の定義)
振動是指某個物理量(如位移 (Displacement)、速度 (Velocity)、加速度 (Acceleration) 等) 隨時間變化，在某一基準值（如平衡位置）之上與之下反覆交替變動的現象。
而這種現象通常可以用正弦波函數來表達：
微振動的領域
接下來我們探討的範圍都在微振動領域。所謂微振動即為平常人所感覺不到，但對精密設備穩定性造成顯著影響的振動領域。下圖為日常生活中各式振動的量表。
- 免震、耐震領域：地震或與建築物抗震相關的領域。
- 環境振動領域：日常生活中，各式振動源及人能感知到的領域。
- 微振動領域：人所感覺不到，但對精密設備穩定性造成顯著影響的領域。
振動訊號的分析 (振動信号の解析)
在真實世界中，振動為一種帶有方向且隨時間變化的加速度(或位移、速度)信號。具有XYZ三個方向的分量。
at=ax(t) ay(t) az(t)
axt=A1sin 2πf1t + 1 +d1(t)
ayt=A2sin 2πf2t + 2 +d2(t)
azt=A3sin 2πf3t + 3 +d3(t)
其中，
：相位(Phase)，表示函數在t = 0時的起始位置。
d(t)：表示外部干擾的時變函數。
上圖為在三維空間中運動的各軸振動訊號模擬圖。
三相圖 (トリパタイト)
由於振動訊號的特性，使得如果要直接分析，將會相當複雜。因此我們要使用快速傅立葉轉換
(Fast Fourier Transform, FFT) 將振動訊號由時間領域轉至頻率領域進行分析，以頻譜(三相圖)的方式進行振動分析。
横軸以頻率 [Hz] ､縱軸以振動速度 [mm/s] 來表示。三相圖為一將振動速度、以及的振動速度積分値-振動位移和微分値-振動加速度的頻譜分量一同顯示的圖表。振動測量中，一般振動加速度 a 以 Gal 為表示單位。
1 Gal=1.0 ×10-2 m/s=1.0 cm/s2
同樣地､振動加速度等級 La 其單位以 dB 記述。以 a [ m / s2 ] 為基礎能得到以下關係式：
La=20 log10a10-5
也就是說 La 之基準值 a0 ＝10-5 m / s2 ，測得加速度與基準加速度的倍數關係，以 60 dB 為例時可以得到以下關係式。
60 dB1 Gal=1.0 ×10-2 m/s
另外振動位移 r ､振動速度 v ､振動加速度 a 有著下列以下關係，用於三相圖中變量的換算。
r=a2πf2 v=a2πf
在下圖的情況之中，以標記點的數據為例，在10 Hz時其加速度約為1.00 Gal；位移約為2.50 μm；速度約為 0.16 mm/s。
在下圖的情況之中，以黑線表示的數據為例，在10 Hz時其加速度約為0.06 Gal；位移約為0.14 μm；速度約為 0.009 mm/s。
VC曲線 (VCカーブ)
VC曲線 (Vibration Criteria Curves) 為參考Colin G. Gordon 教授所著 Generic Vibration Criteria for Vibration-Sensitive Equipment 中定義，以速度所繪製出來的曲線，為評估設備振動容許值的國際標準。
| 基準曲線 | 用途 |
|---|---|
| ISO-Workshop | 工廠的作業環境，會使人明顯感覺到振動。 |
| ISO-Office | 辦公室的作業環境，為人日常體感的振動。 |
| ISO-Residental Day | 人體幾乎感覺不到的振動，可適用於睡眠區域。適合電腦機房以及20倍以下的顯微鏡設置。 |
| ISO-Operating Theater | 人體感覺不到的振動。適合電腦機房以及100倍以下的顯微鏡以及一些低感度的設備設置。 |
| VC-A | 適用於400倍以下的高倍顯微鏡、微量秤以及光學測定儀以及曝光機。 |
| VC-B | 適用於1000倍以下的光學顯微鏡、檢查線幅約76 nm積體電路的檢測設備、步進機、光刻機等。 |
| VC-C | 對於檢查線幅約25 nm積體電路的檢測設備及光刻機，為十分良好的設置環境。 |
| VC-D | 適用於TEM或SEM等搭配電子顯微鏡的檢測裝置。 |
| VC-E | 工廠環境難以達到的領域。通常適用於對環境要求極高的檢測設備，以電子束或雷射鎖定極小目標進行分析。 |
VC等級的判讀
在正式進入除振領域之前，我們必須先學會三相圖的閱讀以及VC等級的判讀。
判讀的技巧很容易，VC-A為最大，VC-G為最小。
在實務上，我們會以頻譜上最高峰值所在的區域進行VC等級的劃分。
下圖為實際量測數據的範例。
- 首先，我們先找出各軸於頻譜上的最高峰值。
- 可以看到他們都介於VC-C與VC-B之間，換而言之，超出VC-C卻未超過VC-B。
- 因此，在實務上我們可以判定他們的振動等級皆為VC-B。
下圖為實際量測數據的範例。
- 首先，我們先找出各軸於頻譜上的最高峰值。
- 可以看到X方向介於VC-C與VC-B之間，YZ方向介於VC-B與VC-A之間
- 換而言之，X方向超出VC-C卻未超過VC-B；YZ方向超出VC-B卻未超過VC-A。
因此，在實務上我們可以判定X方向的振動等級皆為VC-B；YZ方向為VC-A。
關於微振動VC等級的判讀 (結語)
透過前述內容，我們已建立對微振動的基本認識，包括其物理定義、所處的振動領域，以及如何透過三相圖與 VC 曲線判讀環境所處的振動等級。
然而，僅僅知道振動有多大仍不足以說明振動對設備的實際影響。即使在相同的環境振動條件下，不同設備、不同安裝方式，甚至同一設備在不同頻率範圍內，所呈現的反應都可能截然不同。
這正是後續分析中必須引入傳達特性（Transfer Function）概念的原因。唯有理解振動如何從地面傳遞至設備本體，並在不同頻率區間被放大或衰減，才能進一步討論被動式隔振與主動式除振系統的設計原理與適用範圍。
在下一章中，將從傳達特性的角度出發，說明振動輸入與設備響應之間的關係，作為進一步探討除振系統的基礎。
