在整个半导体制造过程中，微粒污染；静电放电损坏以及与此相关联的设备停机，是静电带来的 三大问题。所以必须对静电加以控制。国际半导体发展路线图和SEMI标准提出了将静电控制在合适水准上的建议。静电控制方案包括了接地，静电耗散材料和空气电离化。为适应快速发展的半导体生产所带来的要求，静电耗散材料、空气离子器也在不断进行的变化。
半导体制造技术的发展，不断地提升了生产过程中的静电控制的重要性。全球半导体产业的发展靠两大轮子推动，一是不断缩小芯片特征尺寸，二是不断扩大晶圆尺寸，这些都提出了许多新的挑战。半导体工业已建立了一系列的技术 发展路线图，并借助相关的标准来确保能够应付这些挑战。
半导体︱晶圆制造
在所有的半导体生产领域，由于静电的负面效应，使得保持高水准的产品质量和成品率变得更加困难。缺少静电控制，将导致微粒污染，静电放电损坏和设备故障。这些都会在硅基片的制造中，或光掩模的制造中，或在制造器件的半导体前段洁净室内以及包括组装，封装及最后测试和运送领域的后段制程中发生。无论何时，两种不同材料的接触都会产生静电。因为每一种元素的电子能级都是不同的。两种材料中，占据最高导带上的电子的能级也是不同的。因此，当两个物体接触在一起时，将发生电荷转移，一个物体将带正电，另一个则带负电。接触程度（压力,，切向和法向平整度）越高，电荷转移就越大。半导体工厂里，具有大能级差（电负性或费米能级）的材料被广泛应用，如特氟隆（Teflon）和p掺杂的硅。分开两个物体，需要克服静电吸引而做功，因而在两个物体上产生一个明显的电位差。这个电位差可高达几万伏特，如果物体是绝缘体，这个电位将持续存在；如果物体是导电体，并且有一个接地通道回路，该物体上的电荷将会消失。在无尘室，由于空气湿度较低，并且空气中自然产生的离子都被HEPA和HVAC系统过滤掉了，所以静电问题是很严重的。在普通环境里，这些自然机 理导致空气很容易消耗静电，但在无尘室里，空气变成了相当好的绝缘体，更困难的是，无尘室里几乎所有物体的表面都很干净，所以在普通环境下的几分 钟的静电消耗过程，在无尘室里可能需要一天或更长。由于使用的材料和它们的绝缘特性以及环境条件，使得在无尘室里，静电电压要比在普通环境里高 出许多。 微尘粒子的静电吸附，增加了芯片表面的污染，增加了缺陷密度，因而降低了良率。洁净室和微环境内，应用超净的层流，以减少落在芯片和设备表面的微尘粒子。不幸的是，静电力会比空气动力大很多。洁净室内因制程，产品移动及人员而造成的微尘粒子，会被带静电的产品表面电场从层流空气中吸引出来。芯片表面上的电荷也会引起机械手臂上的意想不到的移动或粘连，从而导致芯片损坏和设备故障。
半导体︱晶圆制造︱晶圆运载盒
静电放电是发生在处于不同电位上的两个物体之间的、快速的电荷转移过程。当它在半导体制造过程中发生时，主要的结果是将光掩模和产品损坏。光掩模就象“照相负片”一样，用于在半导体芯片上印上图形。在半导体制程中，被损坏的光掩模，需要相当长的时间才能被发现。而在此时间内，却有成千片有缺陷的产品，被静电放电损伤的光掩模复制出来。电子器件因静电放电而导致的损坏，主要发生在封装，组装和测试的操作中。当封装引线碰到接地点时，绝缘的器件封装上的电荷形成静电放电。同样，采用高速自动化操作工艺，在损坏被发现之前,，已经有上千个器件遭到损害。随着器件特性尺寸的缩小，器件和光掩模抵抗静电放电的能力也在降低 。制程设备同样面对静电放电的危险。当静电放电发生时，部分放电所释放出的能量，以100MHz-20GHz频率段的无线电波的形式出现。这些无线电波，可以辐射或沿电源线传播到距静电放电发生位置相当远的距离。这些无线电信号与目前大多数控制生产设备的微处理器的信号处于同一频率段。当与静电放电相关联的电磁干扰被生产设备所接收,，各种故障就会发生。这些故障包括停机，意外操作，重新启动及其它导致产品和设备损坏的行为。 国际半导体技术路线图反映了半导体制造的发 展趋势。每年12月出版，传达当时和以后15年对半导体工厂之建设和营运的要求。对于静电控制路线图指出：“静电荷对半导体制造的各个阶段都有负面的影响，引发三个基本问题。随着微尘尺寸变小，静电吸附(ESA)污染增加，使得实现低缺陷密度的目标更加困难。静电放电(ESD)导致器件和光掩模损坏。随着器件的特性尺寸缩小，仅需更小的静电放电能量就可以导致器件或掩模的损坏。因静电放电相关的电磁干扰而引发的设备故障，降低了设备的总使用效率(OEE)。并且，随着控制设备的微处理器的速度的提高，变得更加频繁。这三个问题发生在，原始晶片和掩模的制造中，半导体厂内器件的制造过程中，后段的封装，组装和测试中的各个单独器件的处理制程”。该路线图还包括了为预防静电问题而降低静电水平的建议。这些建议既应该引入到新的工厂和设备中，也应该引入到现有的工厂中。随着更新，更小的工艺技术的引入，静电水平必须降低，对于每一个 半导体厂来说，关键是引入一个静电控制方案。静电问题的代价则是静电控制方法之费用的10-100倍。人们发展了各种各样的静电处理方法。半导体制造环境中，不管是在前段的无尘室内，还是在后段的测试，组装和封装，广泛地采用导体及静电耗散材料的接地。接地可防止孤立导体及静电耗散材料上的静电产生，如果这些材料带静电的话，还可将静电导走。每一个导体材料，包括人员，设备，厂务表面（地面，墙面，天花板和工作表面）以及产品，都应该有可靠的接地。这些接地端都应该有定期的检查。未接地的导体通常都是静电放电源。静电耗散材料在耗散静电荷的同时，保持某些绝缘材料的特性（如柔韧性和化学抵抗性）。如果将它们可靠地接地的话，它们将不会保持静电荷。这些材料在一些应用中如桌面或测试插座可替代导体材料，它们在这些应用中，可能会与带静电的产品接触。静电耗散材料的高电阻性（典型的范围是10^4至 l0^11欧姆)，能够将电荷移动过程放慢，以防止静电放电损坏事件发生。必须定期地对静电耗散材料进行审核和测试。许多这类材料与无尘室并不兼容，而且静电耗散特性会随时间发生改变。
辅朗永久型防静电（PFD系列）透明光学树脂板材产品，各种环境下防静电性能均十分稳定。（摩擦试验机，1000g力）IPA擦拭测试六万次，表面电阻几乎没有变化；不受温湿度及光照影响，经实验数据推论实际使用寿命可达五年以上。不幸的是，无尘室中用了许多绝缘材料，如特氟隆，各种塑料和玻璃。这些绝缘材料经常是生产中不可缺少的一部分，甚至是产品本身的一部分。如包括 石英基板的光掩模，带氧化涂层的半导体芯片，最终半导体器件的环氧或陶瓷封装。大多数绝缘体容易产生静电，并携带很长时间。生产中，这些绝缘体会接近产品，甚至是产品的一部分。 静电放电协会的ANSI/ESD的标准S20.20 所建议的那样，采用空气电离化来控制“制程中不可缺少的”绝缘体所产生的静电场。半导体生产中的许多方面如洁净，耐化学腐蚀和高温制程等都依赖绝缘体。对于半导体制造这样一个很少采用人工操作的工业，在制程设备内部这些绝缘体也是必不可少的。最重要的是，不管是前段的半导体芯片还是最后环氧封装了的器件，产品本身就是一个绝缘体。由于总有绝缘体的存在，空气电离化是半导体制程之静电控制方案中必不可少的一部分。中和绝缘体(和孤立导电体)上的静电荷需要采用各种空气电离化。电离器产生由正，负两种空气离子组成的离子云，以中和生产环境中各处的静电。空气离子是由气体分子失去或得到一个电子而形成电晕电离是用于产生空气离子的最常见的方法。也就是，将高电压加在一个尖端上，建立一个非常强的电场。该电场要足够强才能导致电子在空气分子间移动。所产生的空气离子的极性取决于在尖端上所加电压的极性。放射性材料，Ⅹ射线和远紫外线的辐射电离也可产生空气电离。 当被电离的空气遇到带电的绝缘体表面，带电表面就会吸引电离空气中的相反极性的离子，导致中和。因为在生产过程中两种极性的静电都会产生，所以需要两种极性的空气电离。电场 — 生产环境中的任何带电表面所引发的电场都会导致两个潜在的问题：即污染微粒的吸附和感应静电放电，它将损坏光掩模和产品。这两个问题将随着特性尺寸呈线性的变化。 直接影响微粒之静电吸附的三个因素是，空气中的微粒浓度，在空气中暴露时间以及任何电场的存在。前两个变量由工厂的建设，营运和生产过程确定。而任何程度的电场都会导致微粒的静电吸附。工业上建议，将这种吸附限制在不大于其它种类的微粒吸附如重力和扩散。电场同样也会导致光掩模和器件损坏。电场引起光掩模上的金属中的电荷分离，如果在光掩模上孤立的金属间的电位差足够大，静电放电就会发生。电场可能是由光掩模的石英基片上的电荷引起，也可能是由使用光掩模的环境中的其它物体上的电荷引起。污染 — 大多数的半导体生产是在无尘室内进行，而离子发生器所产生的微粒将是一个值得关心的问题。任何一个导致缺陷的致命微粒，有两个特征：化学成分和大小尺寸。在硅半导体的生产中，离子发生器采用硅针尖是正常的，而任何其它材料的针尖都会是化学污染源。随着特性尺寸的收缩，致命微粒的尺寸也随之缩小。对于90纳米器件，致命微粒的典型尺寸为30纳米,而对于25纳米 器件，致命微粒的尺寸将仅为8纳米。随着半导体工业按所预测的技术发展而变化,，静电控制将变得更为重要。人们确信，一个技术极限将使得静电控制，成为必不可少。我们已经在硬盘驱 动器工业看到了一个技术极限，没有综合的静电控制方案，磁阻（MR）头根本无法被制造出来。由于在半导体制造中，绝缘体是制程中必不可少的，甚至产品本身就是绝缘体。因此，空气离子化成为静电控制的一个重要部分。半导体制造技术的发展，要求静电控制方案中的静电耗散材料和离子发生器在性能方面进行发展。
需要记住的是，采用美国国家标准局静电放电标准S20.20中所建议的所有方法的成本，通常是远低于因静电问题造成的损失，包括解决问题的成本。静电控制绝对是一个必需的选项！
资料来源：《中国集成电路》：2005.2
