在整個(gè)半導(dǎo)體制造過程中，微粒污染；靜電放電損壞以及與此相關(guān)聯(lián)的設(shè)備停機(jī)，是靜電帶來的 三大問題。所以必須對靜電加以控制。國際半導(dǎo)體發(fā)展路線圖和SEMI標(biāo)準(zhǔn)提出了將靜電控制在合適水準(zhǔn)上的建議。靜電控制方案包括了接地，靜電耗散材料和空氣電離化。為適應(yīng)快速發(fā)展的半導(dǎo)體生產(chǎn)所帶來的要求，靜電耗散材料、空氣離子器也在不斷進(jìn)行的變化。

引言

半導(dǎo)體制造技術(shù)的發(fā)展，不斷地提升了生產(chǎn)過程中的靜電控制的重要性。全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展靠兩大輪子推動，一是不斷縮小芯片特征尺寸，二是不斷擴(kuò)大晶圓尺寸，這些都提出了許多新的挑戰(zhàn)。半導(dǎo)體工業(yè)已建立了一系列的技術(shù) 發(fā)展路線圖，并借助相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)來確保能夠應(yīng)付這些挑戰(zhàn)。

半導(dǎo)體︱晶圓制造

在所有的半導(dǎo)體生產(chǎn)領(lǐng)域，由于靜電的負(fù)面效應(yīng)，使得保持高水準(zhǔn)的產(chǎn)品質(zhì)量和成品率變得更加困難。缺少靜電控制，將導(dǎo)致微粒污染，靜電放電損壞和設(shè)備故障。這些都會在硅基片的制造中，或光掩模的制造中，或在制造器件的半導(dǎo)體前段潔凈室內(nèi)以及包括組裝，封裝及最后測試和運(yùn)送領(lǐng)域的后段制程中發(fā)生。

靜電問題

無論何時(shí)，兩種不同材料的接觸都會產(chǎn)生靜電。因?yàn)槊恳环N元素的電子能級都是不同的。兩種材料中，占據(jù)最高導(dǎo)帶上的電子的能級也是不同的。因此，當(dāng)兩個(gè)物體接觸在一起時(shí)，將發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，一個(gè)物體將帶正電，另一個(gè)則帶負(fù)電。接觸程度（壓力,，切向和法向平整度）越高，電荷轉(zhuǎn)移就越大。半導(dǎo)體工廠里，具有大能級差（電負(fù)性或費(fèi)米能級）的材料被廣泛應(yīng)用，如特氟?。═eflon）和p摻雜的硅。

分開兩個(gè)物體，需要克服靜電吸引而做功，因而在兩個(gè)物體上產(chǎn)生一個(gè)明顯的電位差。這個(gè)電位差可高達(dá)幾萬伏特，如果物體是絕緣體，這個(gè)電位將持續(xù)存在；如果物體是導(dǎo)電體，并且有一個(gè)接地通道回路，該物體上的電荷將會消失。

在無塵室，由于空氣濕度較低，并且空氣中自然產(chǎn)生的離子都被HEPA和HVAC系統(tǒng)過濾掉了，所以靜電問題是很嚴(yán)重的。在普通環(huán)境里，這些自然機(jī) 理導(dǎo)致空氣很容易消耗靜電，但在無塵室里，空氣變成了相當(dāng)好的絕緣體，更困難的是，無塵室里幾乎所有物體的表面都很干凈，所以在普通環(huán)境下的幾分 鐘的靜電消耗過程，在無塵室里可能需要一天或更長。由于使用的材料和它們的絕緣特性以及環(huán)境條件，使得在無塵室里，靜電電壓要比在普通環(huán)境里高 出許多。

微塵粒子的靜電吸附，增加了芯片表面的污染，增加了缺陷密度，因而降低了良率。潔凈室和微環(huán)境內(nèi)，應(yīng)用超凈的層流，以減少落在芯片和設(shè)備表面的微塵粒子。不幸的是，靜電力會比空氣動力大很多。潔凈室內(nèi)因制程，產(chǎn)品移動及人員而造成的微塵粒子，會被帶靜電的產(chǎn)品表面電場從層流空氣中吸引出來。芯片表面上的電荷也會引起機(jī)械手臂上的意想不到的移動或粘連，從而導(dǎo)致芯片損壞和設(shè)備故障。

半導(dǎo)體︱晶圓制造︱晶圓運(yùn)載盒

靜電放電是發(fā)生在處于不同電位上的兩個(gè)物體之間的、快速的電荷轉(zhuǎn)移過程。當(dāng)它在半導(dǎo)體制造過程中發(fā)生時(shí)，主要的結(jié)果是將光掩模和產(chǎn)品損壞。光掩模就象“照相負(fù)片”一樣，用于在半導(dǎo)體芯片上印上圖形。在半導(dǎo)體制程中，被損壞的光掩模，需要相當(dāng)長的時(shí)間才能被發(fā)現(xiàn)。而在此時(shí)間內(nèi)，卻有成千片有缺陷的產(chǎn)品，被靜電放電損傷的光掩模復(fù)制出來。電子器件因靜電放電而導(dǎo)致的損壞，主要發(fā)生在封裝，組裝和測試的操作中。當(dāng)封裝引線碰到接地點(diǎn)時(shí)，絕緣的器件封裝上的電荷形成靜電放電。同樣，采用高速自動化操作工藝，在損壞被發(fā)現(xiàn)之前,，已經(jīng)有上千個(gè)器件遭到損害。隨著器件特性尺寸的縮小，器件和光掩模抵抗靜電放電的能力也在降低 。

制程設(shè)備同樣面對靜電放電的危險(xiǎn)。當(dāng)靜電放電發(fā)生時(shí)，部分放電所釋放出的能量，以100MHz-20GHz頻率段的無線電波的形式出現(xiàn)。這些無線電波，可以輻射或沿電源線傳播到距靜電放電發(fā)生位置相當(dāng)遠(yuǎn)的距離。這些無線電信號與目前大多數(shù)控制生產(chǎn)設(shè)備的微處理器的信號處于同一頻率段。當(dāng)與靜電放電相關(guān)聯(lián)的電磁干擾被生產(chǎn)設(shè)備所接收,，各種故障就會發(fā)生。這些故障包括停機(jī)，意外操作，重新啟動及其它導(dǎo)致產(chǎn)品和設(shè)備損壞的行為。

半導(dǎo)體業(yè)界的靜電控制發(fā)展趨勢

國際半導(dǎo)體技術(shù)路線圖反映了半導(dǎo)體制造的發(fā) 展趨勢。每年12月出版，傳達(dá)當(dāng)時(shí)和以后15年對半導(dǎo)體工廠之建設(shè)和營運(yùn)的要求。對于靜電控制路線圖指出：

“靜電荷對半導(dǎo)體制造的各個(gè)階段都有負(fù)面的影響，引發(fā)三個(gè)基本問題。隨著微塵尺寸變小，靜電吸附(ESA)污染增加，使得實(shí)現(xiàn)低缺陷密度的目標(biāo)更加困難。靜電放電(ESD)導(dǎo)致器件和光掩模損壞。隨著器件的特性尺寸縮小，僅需更小的靜電放電能量就可以導(dǎo)致器件或掩模的損壞。因靜電放電相關(guān)的電磁干擾而引發(fā)的設(shè)備故障，降低了設(shè)備的總使用效率(OEE)。并且，隨著控制設(shè)備的微處理器的速度的提高，變得更加頻繁。這三個(gè)問題發(fā)生在，原始晶片和掩模的制造中，半導(dǎo)體廠內(nèi)器件的制造過程中，后段的封裝，組裝和測試中的各個(gè)單獨(dú)器件的處理制程”。

該路線圖還包括了為預(yù)防靜電問題而降低靜電水平的建議。這些建議既應(yīng)該引入到新的工廠和設(shè)備中，也應(yīng)該引入到現(xiàn)有的工廠中。隨著更新，更小的工藝技術(shù)的引入，靜電水平必須降低，對于每一個(gè) 半導(dǎo)體廠來說，關(guān)鍵是引入一個(gè)靜電控制方案。靜電問題的代價(jià)則是靜電控制方法之費(fèi)用的10-100倍。

靜電控制

人們發(fā)展了各種各樣的靜電處理方法。半導(dǎo)體制造環(huán)境中，不管是在前段的無塵室內(nèi)，還是在后段的測試，組裝和封裝，廣泛地采用導(dǎo)體及靜電耗散材料的接地。接地可防止孤立導(dǎo)體及靜電耗散材料上的靜電產(chǎn)生，如果這些材料帶靜電的話，還可將靜電導(dǎo)走。每一個(gè)導(dǎo)體材料，包括人員，設(shè)備，廠務(wù)表面（地面，墻面，天花板和工作表面）以及產(chǎn)品，都應(yīng)該有可靠的接地。這些接地端都應(yīng)該有定期的檢查。未接地的導(dǎo)體通常都是靜電放電源。

靜電耗散材料在耗散靜電荷的同時(shí)，保持某些絕緣材料的特性（如柔韌性和化學(xué)抵抗性）。如果將它們可靠地接地的話，它們將不會保持靜電荷。這些材料在一些應(yīng)用中如桌面或測試插座可替代導(dǎo)體材料，它們在這些應(yīng)用中，可能會與帶靜電的產(chǎn)品接觸。靜電耗散材料的高電阻性（典型的范圍是10^4至 l0^11歐姆)，能夠?qū)㈦姾梢苿舆^程放慢，以防止靜電放電損壞事件發(fā)生。必須定期地對靜電耗散材料進(jìn)行審核和測試。許多這類材料與無塵室并不兼容，而且靜電耗散特性會隨時(shí)間發(fā)生改變。

輔朗永久型防靜電（PFD系列）透明光學(xué)樹脂板材產(chǎn)品，各種環(huán)境下防靜電性能均十分穩(wěn)定。（摩擦試驗(yàn)機(jī)，1000g力）IPA擦拭測試六萬次，表面電阻幾乎沒有變化；不受溫濕度及光照影響，經(jīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)推論實(shí)際使用壽命可達(dá)五年以上。

不幸的是，無塵室中用了許多絕緣材料，如特氟隆，各種塑料和玻璃。這些絕緣材料經(jīng)常是生產(chǎn)中不可缺少的一部分，甚至是產(chǎn)品本身的一部分。如包括 石英基板的光掩模，帶氧化涂層的半導(dǎo)體芯片，最終半導(dǎo)體器件的環(huán)氧或陶瓷封裝。大多數(shù)絕緣體容易產(chǎn)生靜電，并攜帶很長時(shí)間。生產(chǎn)中，這些絕緣體會接近產(chǎn)品，甚至是產(chǎn)品的一部分。

靜電放電協(xié)會的ANSI/ESD的標(biāo)準(zhǔn)S20.20 所建議的那樣，采用空氣電離化來控制“制程中不可缺少的”絕緣體所產(chǎn)生的靜電場。半導(dǎo)體生產(chǎn)中的許多方面如潔凈，耐化學(xué)腐蝕和高溫制程等都依賴絕緣體。對于半導(dǎo)體制造這樣一個(gè)很少采用人工操作的工業(yè)，在制程設(shè)備內(nèi)部這些絕緣體也是必不可少的。最重要的是，不管是前段的半導(dǎo)體芯片還是最后環(huán)氧封裝了的器件，產(chǎn)品本身就是一個(gè)絕緣體。由于總有絕緣體的存在，空氣電離化是半導(dǎo)體制程之靜電控制方案中必不可少的一部分。

空氣電離化

中和絕緣體(和孤立導(dǎo)電體)上的靜電荷需要采用各種空氣電離化。電離器產(chǎn)生由正，負(fù)兩種空氣離子組成的離子云，以中和生產(chǎn)環(huán)境中各處的靜電?？諝怆x子是由氣體分子失去或得到一個(gè)電子而形成電暈電離是用于產(chǎn)生空氣離子的最常見的方法。也就是，將高電壓加在一個(gè)尖端上，建立一個(gè)非常強(qiáng)的電場。該電場要足夠強(qiáng)才能導(dǎo)致電子在空氣分子間移動。所產(chǎn)生的空氣離子的極性取決于在尖端上所加電壓的極性。放射性材料，Ⅹ射線和遠(yuǎn)紫外線的輻射電離也可產(chǎn)生空氣電離。

當(dāng)被電離的空氣遇到帶電的絕緣體表面，帶電表面就會吸引電離空氣中的相反極性的離子，導(dǎo)致中和。因?yàn)樵谏a(chǎn)過程中兩種極性的靜電都會產(chǎn)生，所以需要兩種極性的空氣電離。

電場 — 生產(chǎn)環(huán)境中的任何帶電表面所引發(fā)的電場都會導(dǎo)致兩個(gè)潛在的問題：即污染微粒的吸附和感應(yīng)靜電放電，它將損壞光掩模和產(chǎn)品。這兩個(gè)問題將隨著特性尺寸呈線性的變化。

直接影響微粒之靜電吸附的三個(gè)因素是，空氣中的微粒濃度，在空氣中暴露時(shí)間以及任何電場的存在。前兩個(gè)變量由工廠的建設(shè)，營運(yùn)和生產(chǎn)過程確定。而任何程度的電場都會導(dǎo)致微粒的靜電吸附。工業(yè)上建議，將這種吸附限制在不大于其它種類的微粒吸附如重力和擴(kuò)散。

電場同樣也會導(dǎo)致光掩模和器件損壞。電場引起光掩模上的金屬中的電荷分離，如果在光掩模上孤立的金屬間的電位差足夠大，靜電放電就會發(fā)生。電場可能是由光掩模的石英基片上的電荷引起，也可能是由使用光掩模的環(huán)境中的其它物體上的電荷引起。

污染 — 大多數(shù)的半導(dǎo)體生產(chǎn)是在無塵室內(nèi)進(jìn)行，而離子發(fā)生器所產(chǎn)生的微粒將是一個(gè)值得關(guān)心的問題。任何一個(gè)導(dǎo)致缺陷的致命微粒，有兩個(gè)特征：化學(xué)成分和大小尺寸。在硅半導(dǎo)體的生產(chǎn)中，離子發(fā)生器采用硅針尖是正常的，而任何其它材料的針尖都會是化學(xué)污染源。隨著特性尺寸的收縮，致命微粒的尺寸也隨之縮小。對于90納米器件，致命微粒的典型尺寸為30納米,而對于25納米 器件，致命微粒的尺寸將僅為8納米。

結(jié)論

隨著半導(dǎo)體工業(yè)按所預(yù)測的技術(shù)發(fā)展而變化,，靜電控制將變得更為重要。人們確信，一個(gè)技術(shù)極限將使得靜電控制，成為必不可少。我們已經(jīng)在硬盤驅(qū) 動器工業(yè)看到了一個(gè)技術(shù)極限，沒有綜合的靜電控制方案，磁阻（MR）頭根本無法被制造出來。

由于在半導(dǎo)體制造中，絕緣體是制程中必不可少的，甚至產(chǎn)品本身就是絕緣體。因此，空氣離子化成為靜電控制的一個(gè)重要部分。半導(dǎo)體制造技術(shù)的發(fā)展，要求靜電控制方案中的靜電耗散材料和離子發(fā)生器在性能方面進(jìn)行發(fā)展。

需要記住的是，采用美國國家標(biāo)準(zhǔn)局靜電放電標(biāo)準(zhǔn)S20.20中所建議的所有方法的成本，通常是遠(yuǎn)低于因靜電問題造成的損失，包括解決問題的成本。靜電控制絕對是一個(gè)必需的選項(xiàng)！