半导体器件工业生产中的静电防护技术

杨光敏 温文辉

（中国振华集团永光电子有限公司 贵州省贵阳市 550018）

随着我国工业经济的飞速发展和我国电子产业的不断进步，电子制造产业凭借其产品运营生产的高可靠性、完备性和低成本性等诸多优势，在市场竞争过程中获得了一席之地，促进了我国电子产品的小型化发展、自动化发展和科学化发展，我国电子器件生产制造企业也逐步朝着薄膜化、集成化、系统化和微型化等诸多方向进步，迈入了超大规模集成电路芯片时代。与此同时，随着我国半导体器件工业生产技术的不断进步和企业市场竞争范围的进一步拓宽，电子元器件生产过程中由于静电危害而导致的诸多问题逐步凸显，器件细化导致的半导体产品额定功率下降、半导体氧化层薄膜氧化后导致其产品绝缘性能大幅度降低而造成的安全问题、半导体高度集成而导致的半导体器件单位面积放电能量承受值存在缺陷、局部高温而造成的半导体性能不稳定性甚至被破坏等诸多问题，逐步得到生产制造企业的关注与重视。在此背景下，对半导体器件工业生产过程中的静电防护技术进行探讨和研究，也就具备重要理论意义与现实价值。

1 静电的来源

在半导体器件的工业生产过程中，由于半导体器件的生产制造过程、工作间隙的传输过程、包装过程、长距离运输过程、甚至储存过程、使用过程等各个环节都可能产生静电，而半导体元器件使用者和半导体器件物体之间发生的摩擦、接触甚至分离导致的静电，也是半导体器件和大规模集成电路生产过程中主要的静电来源。与此同时，半导体器件生产过程中员工工作服、工作台和座椅之间的摩擦、员工工作服表面产生一定的静电电荷，由于手持的橡胶或塑料鞋底的绝缘性，静电电荷很难发生转移，导致员工与地面发生摩擦时将产生静电。此外，在半导体器件长距离的运输过程中，半导体元器件表面和包装材料之间的摩擦也能够产生一定数值的静电电压。

2 静电的危害性

2.1 静电吸附

在半导体器件的工业生产过程中，静电吸附是指半导体器件生产过程中所使用的大量的石英或高分子材料，在成功生产制造后，由于该类材料绝缘性能优良，在实际使用过程中不可避免地会因为和外界环境的摩擦甚至工业生产活动导致其表面不断积累电荷，从而使半导体器件表面电位越来越高，结合静电吸附原理可知，当半导体元器件工作中所存在的浮游尘埃吸附于半导体元器件的芯片表面时，将直接改变半导体器件线条之间的阻抗能力，最终影响半导体元器件的功能和寿命，也就产生人们常说的半导体元器件生产过程中静电吸附而导致诸多危害。

2.2 静电放电 (ESD) 造成电击穿

在半导体器件生产制造过程中，由于静电击穿而导致的危害是半导体器件静电危害的重要形式，该方式将直接导致半导体器件存热二次击穿、金属镀层融化、介质击穿、半导体器件气弧击穿、表面不规律击穿、半导体元器件表面积穿甚至半导体器件整个体积击穿等诸多问题，造成半导体器件存在硬击穿或软击穿等诸多问题，影响最终使用功能。半导体器件中的金属薄膜存在不规律的裂缝，由裂缝外表可初步探知该半导体器件静电放电的类型为软击穿方式，器件能够在现有条件下维持一定的功能使用，但当该器件再次承受静电放电造成的电击穿损伤，或在长时间不停转工作后将直接导致该半导体器件的永久性失效。

3 静电损伤的特点

在半导体器件的工业生产过程中，静电损伤的特质可概括为隐蔽性、累积性、复杂性和随机性四大特质。其中，就隐蔽性而言，在半导体器件工业生产过程中，除非发生大规模或大范围的静电放电事故，否则人类并不能够直观感受到生产车间或所在空间的静电存在。当静电放电产生且该规模较小时，人类也并不能够产生一定的电击感觉，由于人类感知的静电放电电压为2 ～3kV，因此，在半导体器件的工业生产过程中，静电损伤存在着较强的隐蔽性特质。就复杂性问题而言，在半导体器件的工业生产过程中，静电损伤的失效分析往往需借助高科技的扫描电镜仪或其他精确度较高的仪器设备，尽管如此，部分生产车间导致的静电损伤现象也难以借助高精仪器，将静电损伤原因及造成的损伤结果进行匹配或区别，往往使人们误以为静电损伤失效，而将其当作其它失效，导致人类忽视了半导体器件工业生产过程中的静电防护安全，表1 即为半导体器件静电损伤敏感度标准。

表1：半导体器件静电损伤敏感度标准

4 静电放电的三种模式

4.1 带电人体的放电模式（HBM）

由于人类在半导体器件的生产过程中，将会在生产车间与其他各类型物体之间发生一定接触或摩擦，也就是人体与半导体器件发生一定接触时，将使人体静电造成半导体器件损伤，该模式即为带电人体的放电模式。在该类静电放电的模式下，通常按照人体静电所能承受的静电放电电压对半导体器件进行一定的静电放电敏感度分析，表2 即为带电人体的放电模式情况下的分级标准。

表2：带电人体放电模式下的分级标准

4.2 带电机器的放电模式（MM）

由于在半导体器件的工业生产过程中，机械设备摩擦或静电感应会导致电荷的积累，通过半导体器件的放电造成机器的损伤，该类静电放电模式即为带电机器的放电模式。和带电人体的放电模式相比，带电机器的放电模式，由于机器设备本身并不具备电阻，带电机器的实际电容量参数值相对更大，因此，带电机器的放电模式下的敏感度分级标准和带电人体的放电模式下的敏感度分级标准并不相同，表3 即为带电机器放电模式的分级标准。

表3：带电机器放电模式下的分级标准

4.3 带电器件的放电模式（CDM）

在半导体企业器件装配、传输、试验、测试甚至远距离运输和储存使用过程中，由于半导体器件外部材料和其他材料之间产生摩擦，导致半导体元器件产生静电，该类模式即为带电器件的放电模式。当半导体器件利用引出腿接地方式驱散器件所带有的电荷时，器件外壳上的静电将通过半导体带电器件的芯片和引出端，对地面放出一定电荷，使带电器件得以正常运行。目前，我国带电器件的放电标准正处于紧密制定过程中。

5 静电防护技术应用

5.1 静电的安全泄放

在半导体元器件生产制造过程中，静电防护并不是采取外界措施严格杜绝静电的产生，而是通过外界措施的采取，有效降低人体或机械设备由于静电积累而导致不安全问题。根据人体放电模型及相关参数设置可知，当人体所在环境放电过快时，放电电流参数值进一步增大，很容易导致人体产生不舒适感，该感觉在冬季气候条件下时常发生。在半导体生产制造过程中，针对部分敏感性元器件或微小电流的元器件，过快的放电速度将直接导致该类敏感元器件受到静电损伤。当放电速度过慢时，较高的静电电压存在于整个静电安全泄放过程中，静电并不能得到很好的泄放，半导体材料上储存的较高电荷将会对敏感器件产生较强的威胁，长期的高压环境作用于敏感器件，将直接导致敏感器件损伤。

5.2 静电控制的主要措施

在半导体器件的生产制造过程中，静电控制的主要措施包括静电泄露、耗散、静电中和、静电屏蔽、静电接地等诸多。通常情况下，半导体产品生产制造过程中，将根据半导体元器件的生产工艺流程和所处车间的具体环境，利用每日监测测得的防静电区的湿度、温度等诸多参数，确保该类参数值达到半导体电子产品生产的基本工业要求，而在半导体生产过程中的防静电区域，工作人员采取任意工业操作都必须戴上防静电手环，也必须使工作人员在桌垫旁静坐一定时间后操作，使人体在该类半导体生产制造环境中所积累的电荷泄放于大地，保证人体在半导体生产制造过程中的静电泄放安全。

5.3 静电防护中的接地

在半导体器件生产制造过程中，静电防护主要是通过增加静电泄放环境中的静电泄漏，使半导体生产过程产生的静电负荷通过接地导线导入大地，避免半导体元器件设备中静电电荷的积累对产品造成危害。该类方法的使用并不能限制半导体生产制造过程中静电的产生，但却能通过半导体产品生产过程中累积的静电的有效泄放，消除半导体产品因静电而导致的损伤，使半导体电子产品处于安全状态，为半导体电子产品建立强有力的静电防护安全体系。

6 结论

总而言之，在半导体器件的工业生产与制造过程中，绝大部分的半导体电子产品受到静电损伤的影响，导致电子产品出现生产质量下降或部分功能消失等诸多问题，严重者甚至将导致半导体产品不能正常运转，在很大程度上直接影响了整个半导体器件生产企业的市场竞争力，不利于企业经济效益的获取和市场形象的塑造。本文在分析静电来源、静电危害特质等的基础上，提出做好半导体生产过程中各环节的静电防护，为半导体元器件生产制作企业的静电防护技术的不断提升提供一定保障。