磁場屏蔽技術推進半導體微型元件研發進程

Spicer Consulting 團隊著 / 勀傑科技團隊編譯

半導體產業的進步使得奈米級元件比以往更加實用，電子顯微鏡像是TEM、SEM和FIB-SEM用於分析產品結構與問題偵測，這些都是半導體產業品保的重要儀器，而儀器的成像品質會受到外在因素影響，使得故障分析難度更高。

半導體微型化元件的優勢

在半導體工業中，不斷投入縮小其元件的研發，在節省成本的同時，也要不斷提高計算速度和功能的期望，代表每個芯片需要更多的晶體管，但在芯片上放置更多的晶體管會產生更多熱能，其中一個能讓晶體管保持較低溫度的方法是將元件製作得更小，使其在進行相同工作時，能縮短電子移動距離以減少熱能產生，因此在相同空間的矽晶片上可以內置更多功能，此設計不僅減少能量消耗，更讓整個系統更快更經濟實惠。

半導體微型元件研發製程的挑戰-外在環境磁場干擾

儘管微型化元件有許多優點，但在製造過程中仍有項挑戰，即是需要具有更高的放大倍率之儀器來檢查元件，通常會使用具有高解析度的電子顯微鏡，而使用電子顯微鏡在芯片成像的過程中，為了達到所需解析度，必須與欲檢測的特徵尺寸相似的精確度來定位電子束，不幸的是，電子顯微鏡對磁場特別敏感，磁場干擾會使電子束偏離，當檢測目標越小所需的解析度越高，該技術對周圍的磁場、振動和聲音也越敏感。

磁場干擾(Electromagnetic Interference；簡稱EMI)在半導體製造環境中很常見，最常見的頻率問題（大約60 Hz）是由大量不同的機台所產生，因為多數製造廠內的空間都很珍貴，導致只能在有限區域內將設備放置的很擁擠，而機台間距離太近就會干擾顯微鏡的成像品質。此外，較新的半導體工廠通常採用吊頂式單軌系統，以在站點之間運輸組件以進行自動裝載和加工，這也有助於材料的可追溯性，這些高架系統通常會產生9 kHz的磁場，這對成像品質產生極大負面影響，必須將其消除以提高解析度，恢復電子顯微鏡原有的效能。半導體工廠中其他典型的磁場干擾源還包括電漿蝕刻機中使用的電磁攪拌器以及光刻機中音圈的驅動平台。

半導體製程磁場干擾評估方法

半導體產業獨特的地方在於高敏感度的電子顯微鏡，且通常被放置於其他會釋放出各種輻射訊號的設備旁，因此找到可以讓兩者更有效率的解決方案最為重要，在安裝這類的高敏感度的電子顯微鏡之前，需要更嚴謹的調查該區域以確保成像品質不會受到任何外部因素干擾。顯微鏡的供應商以及顧問團隊經常使用Spicer Consulting專門研發的SC11 場地分析系統，用於SEM、TEM及相關設備的環境量測，這類儀器可量測並分析Ｘ、Ｙ、Ｚ軸的磁場、震動與噪音聲波，會透過圖表的方式顯示結果，且提供使用者在磁場與顯微鏡的規格上直接進行比較，這些重要資訊可以確保能將電子顯微鏡被安裝在最穩定的環境中（無論是在現有的設施或是在新的實驗室），以確保可以獲得最好的成像品質。

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SC11場地分析系統是電子顯微鏡供應商及顧問團隊常用的環境量測儀器。

主動式磁場屏蔽恢復高解析影像

高階的電子顯微鏡能承受的干擾相當微小，所以給設備尋找一個穩定環境是非常具有挑戰的，而對電子顯微鏡的使用者來說，詢問專家的意見以減少不必要的干擾已經越來越普遍，其中之一的解決方案就是安裝主動式磁場屏蔽系統。Spicer Consulting的磁場屏蔽技術已發展很多年，目前全世界有上千套系統正被使用著，所有Spicer的屏蔽系統，包含最受歡迎的SC24，是由磁場控制裝置、一個或多個磁場感測器，以及三軸或多軸線圈所組成，並將它們安裝在電子顯微鏡周圍。在控制裝置中包含了功率放大器，當干擾出現時，該裝置就會自動驅動電流並通過電纜並產生一個幾乎相等且相反的磁場，這種動態響應可自動回應外在磁場變化作補償，並穩定周遭磁場與恢復成像解析度。

目前Spicer系列的主動消磁屏蔽系統，除了有可解決交流磁場的SC22、同時解決交流磁場與直流磁場的SC24，還有專門解決半導體製程的吊頂式單軌系統產生的9kHz磁場的SC26。此外，因應更多的磁場干擾狀況，提供不同的雙機組合，如搭配環境智能監測系統的雙機SC24Plus、高梯度磁場干擾的2X SC24等。