半導(dǎo)體器件工業(yè)生產(chǎn)中的靜電防護(hù)技術(shù)

楊光敏 溫文輝

（中國(guó)振華集團(tuán)永光電子有限公司 貴州省貴陽市 550018）

隨著我國(guó)工業(yè)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和我國(guó)電子產(chǎn)業(yè)的不斷進(jìn)步，電子制造產(chǎn)業(yè)憑借其產(chǎn)品運(yùn)營(yíng)生產(chǎn)的高可靠性、完備性和低成本性等諸多優(yōu)勢(shì)，在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)過程中獲得了一席之地，促進(jìn)了我國(guó)電子產(chǎn)品的小型化發(fā)展、自動(dòng)化發(fā)展和科學(xué)化發(fā)展，我國(guó)電子器件生產(chǎn)制造企業(yè)也逐步朝著薄膜化、集成化、系統(tǒng)化和微型化等諸多方向進(jìn)步，邁入了超大規(guī)模集成電路芯片時(shí)代。與此同時(shí)，隨著我國(guó)半導(dǎo)體器件工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的不斷進(jìn)步和企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)范圍的進(jìn)一步拓寬，電子元器件生產(chǎn)過程中由于靜電危害而導(dǎo)致的諸多問題逐步凸顯，器件細(xì)化導(dǎo)致的半導(dǎo)體產(chǎn)品額定功率下降、半導(dǎo)體氧化層薄膜氧化后導(dǎo)致其產(chǎn)品絕緣性能大幅度降低而造成的安全問題、半導(dǎo)體高度集成而導(dǎo)致的半導(dǎo)體器件單位面積放電能量承受值存在缺陷、局部高溫而造成的半導(dǎo)體性能不穩(wěn)定性甚至被破壞等諸多問題，逐步得到生產(chǎn)制造企業(yè)的關(guān)注與重視。在此背景下，對(duì)半導(dǎo)體器件工業(yè)生產(chǎn)過程中的靜電防護(hù)技術(shù)進(jìn)行探討和研究，也就具備重要理論意義與現(xiàn)實(shí)價(jià)值。

1 靜電的來源

在半導(dǎo)體器件的工業(yè)生產(chǎn)過程中，由于半導(dǎo)體器件的生產(chǎn)制造過程、工作間隙的傳輸過程、包裝過程、長(zhǎng)距離運(yùn)輸過程、甚至儲(chǔ)存過程、使用過程等各個(gè)環(huán)節(jié)都可能產(chǎn)生靜電，而半導(dǎo)體元器件使用者和半導(dǎo)體器件物體之間發(fā)生的摩擦、接觸甚至分離導(dǎo)致的靜電，也是半導(dǎo)體器件和大規(guī)模集成電路生產(chǎn)過程中主要的靜電來源。與此同時(shí)，半導(dǎo)體器件生產(chǎn)過程中員工工作服、工作臺(tái)和座椅之間的摩擦、員工工作服表面產(chǎn)生一定的靜電電荷，由于手持的橡膠或塑料鞋底的絕緣性，靜電電荷很難發(fā)生轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致員工與地面發(fā)生摩擦?xí)r將產(chǎn)生靜電。此外，在半導(dǎo)體器件長(zhǎng)距離的運(yùn)輸過程中，半導(dǎo)體元器件表面和包裝材料之間的摩擦也能夠產(chǎn)生一定數(shù)值的靜電電壓。

2 靜電的危害性

2.1 靜電吸附

在半導(dǎo)體器件的工業(yè)生產(chǎn)過程中，靜電吸附是指半導(dǎo)體器件生產(chǎn)過程中所使用的大量的石英或高分子材料，在成功生產(chǎn)制造后，由于該類材料絕緣性能優(yōu)良，在實(shí)際使用過程中不可避免地會(huì)因?yàn)楹屯饨绛h(huán)境的摩擦甚至工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)導(dǎo)致其表面不斷積累電荷，從而使半導(dǎo)體器件表面電位越來越高，結(jié)合靜電吸附原理可知，當(dāng)半導(dǎo)體元器件工作中所存在的浮游塵埃吸附于半導(dǎo)體元器件的芯片表面時(shí)，將直接改變半導(dǎo)體器件線條之間的阻抗能力，最終影響半導(dǎo)體元器件的功能和壽命，也就產(chǎn)生人們常說的半導(dǎo)體元器件生產(chǎn)過程中靜電吸附而導(dǎo)致諸多危害。

2.2 靜電放電 (ESD) 造成電擊穿

在半導(dǎo)體器件生產(chǎn)制造過程中，由于靜電擊穿而導(dǎo)致的危害是半導(dǎo)體器件靜電危害的重要形式，該方式將直接導(dǎo)致半導(dǎo)體器件存熱二次擊穿、金屬鍍層融化、介質(zhì)擊穿、半導(dǎo)體器件氣弧擊穿、表面不規(guī)律擊穿、半導(dǎo)體元器件表面積穿甚至半導(dǎo)體器件整個(gè)體積擊穿等諸多問題，造成半導(dǎo)體器件存在硬擊穿或軟擊穿等諸多問題，影響最終使用功能。半導(dǎo)體器件中的金屬薄膜存在不規(guī)律的裂縫，由裂縫外表可初步探知該半導(dǎo)體器件靜電放電的類型為軟擊穿方式，器件能夠在現(xiàn)有條件下維持一定的功能使用，但當(dāng)該器件再次承受靜電放電造成的電擊穿損傷，或在長(zhǎng)時(shí)間不停轉(zhuǎn)工作后將直接導(dǎo)致該半導(dǎo)體器件的永久性失效。

3 靜電損傷的特點(diǎn)

在半導(dǎo)體器件的工業(yè)生產(chǎn)過程中，靜電損傷的特質(zhì)可概括為隱蔽性、累積性、復(fù)雜性和隨機(jī)性四大特質(zhì)。其中，就隱蔽性而言，在半導(dǎo)體器件工業(yè)生產(chǎn)過程中，除非發(fā)生大規(guī)?；虼蠓秶撵o電放電事故，否則人類并不能夠直觀感受到生產(chǎn)車間或所在空間的靜電存在。當(dāng)靜電放電產(chǎn)生且該規(guī)模較小時(shí)，人類也并不能夠產(chǎn)生一定的電擊感覺，由于人類感知的靜電放電電壓為2 ～3kV，因此，在半導(dǎo)體器件的工業(yè)生產(chǎn)過程中，靜電損傷存在著較強(qiáng)的隱蔽性特質(zhì)。就復(fù)雜性問題而言，在半導(dǎo)體器件的工業(yè)生產(chǎn)過程中，靜電損傷的失效分析往往需借助高科技的掃描電鏡儀或其他精確度較高的儀器設(shè)備，盡管如此，部分生產(chǎn)車間導(dǎo)致的靜電損傷現(xiàn)象也難以借助高精儀器，將靜電損傷原因及造成的損傷結(jié)果進(jìn)行匹配或區(qū)別，往往使人們誤以為靜電損傷失效，而將其當(dāng)作其它失效，導(dǎo)致人類忽視了半導(dǎo)體器件工業(yè)生產(chǎn)過程中的靜電防護(hù)安全，表1 即為半導(dǎo)體器件靜電損傷敏感度標(biāo)準(zhǔn)。

表1：半導(dǎo)體器件靜電損傷敏感度標(biāo)準(zhǔn)

4 靜電放電的三種模式

4.1 帶電人體的放電模式（HBM）

由于人類在半導(dǎo)體器件的生產(chǎn)過程中，將會(huì)在生產(chǎn)車間與其他各類型物體之間發(fā)生一定接觸或摩擦，也就是人體與半導(dǎo)體器件發(fā)生一定接觸時(shí)，將使人體靜電造成半導(dǎo)體器件損傷，該模式即為帶電人體的放電模式。在該類靜電放電的模式下，通常按照人體靜電所能承受的靜電放電電壓對(duì)半導(dǎo)體器件進(jìn)行一定的靜電放電敏感度分析，表2 即為帶電人體的放電模式情況下的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

表2：帶電人體放電模式下的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

4.2 帶電機(jī)器的放電模式（MM）

由于在半導(dǎo)體器件的工業(yè)生產(chǎn)過程中，機(jī)械設(shè)備摩擦或靜電感應(yīng)會(huì)導(dǎo)致電荷的積累，通過半導(dǎo)體器件的放電造成機(jī)器的損傷，該類靜電放電模式即為帶電機(jī)器的放電模式。和帶電人體的放電模式相比，帶電機(jī)器的放電模式，由于機(jī)器設(shè)備本身并不具備電阻，帶電機(jī)器的實(shí)際電容量參數(shù)值相對(duì)更大，因此，帶電機(jī)器的放電模式下的敏感度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和帶電人體的放電模式下的敏感度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)并不相同，表3 即為帶電機(jī)器放電模式的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

表3：帶電機(jī)器放電模式下的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

4.3 帶電器件的放電模式（CDM）

在半導(dǎo)體企業(yè)器件裝配、傳輸、試驗(yàn)、測(cè)試甚至遠(yuǎn)距離運(yùn)輸和儲(chǔ)存使用過程中，由于半導(dǎo)體器件外部材料和其他材料之間產(chǎn)生摩擦，導(dǎo)致半導(dǎo)體元器件產(chǎn)生靜電，該類模式即為帶電器件的放電模式。當(dāng)半導(dǎo)體器件利用引出腿接地方式驅(qū)散器件所帶有的電荷時(shí)，器件外殼上的靜電將通過半導(dǎo)體帶電器件的芯片和引出端，對(duì)地面放出一定電荷，使帶電器件得以正常運(yùn)行。目前，我國(guó)帶電器件的放電標(biāo)準(zhǔn)正處于緊密制定過程中。

5 靜電防護(hù)技術(shù)應(yīng)用

5.1 靜電的安全泄放

在半導(dǎo)體元器件生產(chǎn)制造過程中，靜電防護(hù)并不是采取外界措施嚴(yán)格杜絕靜電的產(chǎn)生，而是通過外界措施的采取，有效降低人體或機(jī)械設(shè)備由于靜電積累而導(dǎo)致不安全問題。根據(jù)人體放電模型及相關(guān)參數(shù)設(shè)置可知，當(dāng)人體所在環(huán)境放電過快時(shí)，放電電流參數(shù)值進(jìn)一步增大，很容易導(dǎo)致人體產(chǎn)生不舒適感，該感覺在冬季氣候條件下時(shí)常發(fā)生。在半導(dǎo)體生產(chǎn)制造過程中，針對(duì)部分敏感性元器件或微小電流的元器件，過快的放電速度將直接導(dǎo)致該類敏感元器件受到靜電損傷。當(dāng)放電速度過慢時(shí)，較高的靜電電壓存在于整個(gè)靜電安全泄放過程中，靜電并不能得到很好的泄放，半導(dǎo)體材料上儲(chǔ)存的較高電荷將會(huì)對(duì)敏感器件產(chǎn)生較強(qiáng)的威脅，長(zhǎng)期的高壓環(huán)境作用于敏感器件，將直接導(dǎo)致敏感器件損傷。

5.2 靜電控制的主要措施

在半導(dǎo)體器件的生產(chǎn)制造過程中，靜電控制的主要措施包括靜電泄露、耗散、靜電中和、靜電屏蔽、靜電接地等諸多。通常情況下，半導(dǎo)體產(chǎn)品生產(chǎn)制造過程中，將根據(jù)半導(dǎo)體元器件的生產(chǎn)工藝流程和所處車間的具體環(huán)境，利用每日監(jiān)測(cè)測(cè)得的防靜電區(qū)的濕度、溫度等諸多參數(shù)，確保該類參數(shù)值達(dá)到半導(dǎo)體電子產(chǎn)品生產(chǎn)的基本工業(yè)要求，而在半導(dǎo)體生產(chǎn)過程中的防靜電區(qū)域，工作人員采取任意工業(yè)操作都必須戴上防靜電手環(huán)，也必須使工作人員在桌墊旁靜坐一定時(shí)間后操作，使人體在該類半導(dǎo)體生產(chǎn)制造環(huán)境中所積累的電荷泄放于大地，保證人體在半導(dǎo)體生產(chǎn)制造過程中的靜電泄放安全。

5.3 靜電防護(hù)中的接地

在半導(dǎo)體器件生產(chǎn)制造過程中，靜電防護(hù)主要是通過增加靜電泄放環(huán)境中的靜電泄漏，使半導(dǎo)體生產(chǎn)過程產(chǎn)生的靜電負(fù)荷通過接地導(dǎo)線導(dǎo)入大地，避免半導(dǎo)體元器件設(shè)備中靜電電荷的積累對(duì)產(chǎn)品造成危害。該類方法的使用并不能限制半導(dǎo)體生產(chǎn)制造過程中靜電的產(chǎn)生，但卻能通過半導(dǎo)體產(chǎn)品生產(chǎn)過程中累積的靜電的有效泄放，消除半導(dǎo)體產(chǎn)品因靜電而導(dǎo)致的損傷，使半導(dǎo)體電子產(chǎn)品處于安全狀態(tài)，為半導(dǎo)體電子產(chǎn)品建立強(qiáng)有力的靜電防護(hù)安全體系。

6 結(jié)論

總而言之，在半導(dǎo)體器件的工業(yè)生產(chǎn)與制造過程中，絕大部分的半導(dǎo)體電子產(chǎn)品受到靜電損傷的影響，導(dǎo)致電子產(chǎn)品出現(xiàn)生產(chǎn)質(zhì)量下降或部分功能消失等諸多問題，嚴(yán)重者甚至將導(dǎo)致半導(dǎo)體產(chǎn)品不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，在很大程度上直接影響了整個(gè)半導(dǎo)體器件生產(chǎn)企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，不利于企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的獲取和市場(chǎng)形象的塑造。本文在分析靜電來源、靜電危害特質(zhì)等的基礎(chǔ)上，提出做好半導(dǎo)體生產(chǎn)過程中各環(huán)節(jié)的靜電防護(hù)，為半導(dǎo)體元器件生產(chǎn)制作企業(yè)的靜電防護(hù)技術(shù)的不斷提升提供一定保障。