半導體器件工業生產中的靜電防護技術

楊光敏 溫文輝

（中國振華集團永光電子有限公司 貴州省貴陽市 550018）

隨著我國工業經濟的飛速發展和我國電子產業的不斷進步，電子制造產業憑借其產品運營生產的高可靠性、完備性和低成本性等諸多優勢，在市場競爭過程中獲得了一席之地，促進了我國電子產品的小型化發展、自動化發展和科學化發展，我國電子器件生產制造企業也逐步朝著薄膜化、集成化、系統化和微型化等諸多方向進步，邁入了超大規模集成電路芯片時代。與此同時，隨著我國半導體器件工業生產技術的不斷進步和企業市場競爭范圍的進一步拓寬，電子元器件生產過程中由于靜電危害而導致的諸多問題逐步凸顯，器件細化導致的半導體產品額定功率下降、半導體氧化層薄膜氧化后導致其產品絕緣性能大幅度降低而造成的安全問題、半導體高度集成而導致的半導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體性能不穩定性甚至被破壞等諸多問題，逐步得到生產制造企業的關注與重視。在此背景下，對半導體器件工業生產過程中的靜電防護技術進行探討和研究，也就具備重要理論意義與現實價值。

1 靜電的來源

在半導體器件的工業生產過程中，由于半導體器件的生產制造過程、工作間隙的傳輸過程、包裝過程、長距離運輸過程、甚至儲存過程、使用過程等各個環節都可能產生靜電，而半導體元器件使用者和半導體器件物體之間發生的摩擦、接觸甚至分離導致的靜電，也是半導體器件和大規模集成電路生產過程中主要的靜電來源。與此同時，半導體器件生產過程中員工工作服、工作臺和座椅之間的摩擦、員工工作服表面產生一定的靜電電荷，由于手持的橡膠或塑料鞋底的絕緣性，靜電電荷很難發生轉移，導致員工與地面發生摩擦時將產生靜電。此外，在半導體器件長距離的運輸過程中，半導體元器件表面和包裝材料之間的摩擦也能夠產生一定數值的靜電電壓。

2 靜電的危害性

2.1 靜電吸附

在半導體器件的工業生產過程中，靜電吸附是指半導體器件生產過程中所使用的大量的石英或高分子材料，在成功生產制造后，由于該類材料絕緣性能優良，在實際使用過程中不可避免地會因為和外界環境的摩擦甚至工業生產活動導致其表面不斷積累電荷，從而使半導體器件表面電位越來越高，結合靜電吸附原理可知，當半導體元器件工作中所存在的浮游塵埃吸附于半導體元器件的芯片表面時，將直接改變半導體器件線條之間的阻抗能力，最終影響半導體元器件的功能和壽命，也就產生人們常說的半導體元器件生產過程中靜電吸附而導致諸多危害。

2.2 靜電放電 (ESD) 造成電擊穿

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

3 靜電損傷的特點

在半導體器件的工業生產過程中，靜電損傷的特質可概括為隱蔽性、累積性、復雜性和隨機性四大特質。其中，就隱蔽性而言，在半導體器件工業生產過程中，除非發生大規模或大范圍的靜電放電事故，否則人類并不能夠直觀感受到生產車間或所在空間的靜電存在。當靜電放電產生且該規模較小時，人類也并不能夠產生一定的電擊感覺，由于人類感知的靜電放電電壓為2 ～3kV，因此，在半導體器件的工業生產過程中，靜電損傷存在著較強的隱蔽性特質。就復雜性問題而言，在半導體器件的工業生產過程中，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備，盡管如此，部分生產車間導致的靜電損傷現象也難以借助高精儀器，將靜電損傷原因及造成的損傷結果進行匹配或區別，往往使人們誤以為靜電損傷失效，而將其當作其它失效，導致人類忽視了半導體器件工業生產過程中的靜電防護安全，表1 即為半導體器件靜電損傷敏感度標準。

表1：半導體器件靜電損傷敏感度標準

4 靜電放電的三種模式

4.1 帶電人體的放電模式（HBM）

由于人類在半導體器件的生產過程中，將會在生產車間與其他各類型物體之間發生一定接觸或摩擦，也就是人體與半導體器件發生一定接觸時，將使人體靜電造成半導體器件損傷，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半導體器件進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標準。

表2：帶電人體放電模式下的分級標準

4.2 帶電機器的放電模式（MM）

由于在半導體器件的工業生產過程中，機械設備摩擦或靜電感應會導致電荷的積累，通過半導體器件的放電造成機器的損傷，該類靜電放電模式即為帶電機器的放電模式。和帶電人體的放電模式相比，帶電機器的放電模式，由于機器設備本身并不具備電阻，帶電機器的實際電容量參數值相對更大，因此，帶電機器的放電模式下的敏感度分級標準和帶電人體的放電模式下的敏感度分級標準并不相同，表3 即為帶電機器放電模式的分級標準。

表3：帶電機器放電模式下的分級標準

4.3 帶電器件的放電模式（CDM）

在半導體企業器件裝配、傳輸、試驗、測試甚至遠距離運輸和儲存使用過程中，由于半導體器件外部材料和其他材料之間產生摩擦，導致半導體元器件產生靜電，該類模式即為帶電器件的放電模式。當半導體器件利用引出腿接地方式驅散器件所帶有的電荷時，器件外殼上的靜電將通過半導體帶電器件的芯片和引出端，對地面放出一定電荷，使帶電器件得以正常運行。目前，我國帶電器件的放電標準正處于緊密制定過程中。

5 靜電防護技術應用

5.1 靜電的安全泄放

在半導體元器件生產制造過程中，靜電防護并不是采取外界措施嚴格杜絕靜電的產生，而是通過外界措施的采取，有效降低人體或機械設備由于靜電積累而導致不安全問題。根據人體放電模型及相關參數設置可知，當人體所在環境放電過快時，放電電流參數值進一步增大，很容易導致人體產生不舒適感，該感覺在冬季氣候條件下時常發生。在半導體生產制造過程中，針對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致該類敏感元器件受到靜電損傷。當放電速度過慢時，較高的靜電電壓存在于整個靜電安全泄放過程中，靜電并不能得到很好的泄放，半導體材料上儲存的較高電荷將會對敏感器件產生較強的威脅，長期的高壓環境作用于敏感器件，將直接導致敏感器件損傷。

5.2 靜電控制的主要措施

在半導體器件的生產制造過程中，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，半導體產品生產制造過程中，將根據半導體元器件的生產工藝流程和所處車間的具體環境，利用每日監測測得的防靜電區的濕度、溫度等諸多參數，確保該類參數值達到半導體電子產品生產的基本工業要求，而在半導體生產過程中的防靜電區域，工作人員采取任意工業操作都必須戴上防靜電手環，也必須使工作人員在桌墊旁靜坐一定時間后操作，使人體在該類半導體生產制造環境中所積累的電荷泄放于大地，保證人體在半導體生產制造過程中的靜電泄放安全。

5.3 靜電防護中的接地

在半導體器件生產制造過程中，靜電防護主要是通過增加靜電泄放環境中的靜電泄漏，使半導體生產過程產生的靜電負荷通過接地導線導入大地，避免半導體元器件設備中靜電電荷的積累對產品造成危害。該類方法的使用并不能限制半導體生產制造過程中靜電的產生，但卻能通過半導體產品生產過程中累積的靜電的有效泄放，消除半導體產品因靜電而導致的損傷，使半導體電子產品處于安全狀態，為半導體電子產品建立強有力的靜電防護安全體系。

6 結論

總而言之，在半導體器件的工業生產與制造過程中，絕大部分的半導體電子產品受到靜電損傷的影響，導致電子產品出現生產質量下降或部分功能消失等諸多問題，嚴重者甚至將導致半導體產品不能正常運轉，在很大程度上直接影響了整個半導體器件生產企業的市場競爭力，不利于企業經濟效益的獲取和市場形象的塑造。本文在分析靜電來源、靜電危害特質等的基礎上，提出做好半導體生產過程中各環節的靜電防護，為半導體元器件生產制作企業的靜電防護技術的不斷提升提供一定保障。