半导体制造工艺中的静电问题及其对策

随着半导体元件的高集成化、高速化和低电压化，诸如半导体设备以及显示设备、硬盘之类的电子元器件，以及包含有这些电子元器件的电子设备比以前更容易受到静电的影响。半导体制造过程中产生的静电所引发的各种障碍，是导致产品可靠性和良率降低的主要因素。在本期中，工程师铃木孝先生（一代工程师事务所）将为大家解说在无尘车间中处理半导体时发生的代表性的静电故障及其对策。

·       感应起电

·       静电吸附（ESA：Electrostatic Attraction)

·       静电放电（ESD：Electrostatic Discharge）

·       电磁干扰（EMI：Electromagnetic Interference）

感应起电

在阐述静电问题之前，我想先解说一下感应起电现象。
假设非导体原材料以及设备、备件已因流动或摩擦而产生静电。如果在这个带电物体附近有一个未被接地的非接地导体（浮动导体），则会在这个非接地导体上发生一种称为感应起电的现象。之前一直是电中性的导体受到附近带电物体的影响，变成仿佛正在产生静电的状态。具体而言，如果非导体带正电，则附近未接地导体的非导体侧会带负电，而其另一侧则会带正电。也可以说是导体中的电子被带电物质吸引，使得导体中的一部分电荷被极化。导体被感应起电的状态非常危险，会发生放电以试图中和极化电荷。在现场，这种未接地的导体往往是人体，而应对措施是将人体接地，即也就是具有导电性的鞋和地板。

图1. 感应起电（左）和从接地导体放电以中和感应起电（右）

静电吸附（ESA：Electrostatic Attraction)

静电吸附（ESA）是指，当设备或环境中的颗粒带电时，会因为库仑力而导致颗粒附着在设备上并污染表面。附着在设备上的颗粒即使吹气也不会飞散，很难去除。
颗粒附着所引起的不良，大体上可分为如下4种。

图2. 颗粒附着所引起的不良案例　 　

基本上，无尘车间中的颗粒往往具有大小尺寸小于1μm，而且很多都漂浮在环境中而不会因重力而下落的特征。因此，通常利用向下的单向气流予以去除。但是，如果器件或颗粒带电，则颗粒会由于库仑力的作用而脱离气流，并在器件表面沉积。所以，还要采取利用离子发生器进行空间静电消除等措施。这里的重点在于，生成的离子也被置于气流中。根据规模的不同，也有不采用空间静电消除，而是引入点状静电消除或超净工作台的处理方法。

而对于表面沉积粒子的计数测量，则可采用目视显微镜测试、荧光显微镜测试、表面粘附粒子计数器等手段。
另外，还必须同时采取更换无尘服以避免产生灰尘、上司和下属之间应相互使用粘胶辊检查衣服上是否有异物、安装粘胶垫等相关措施。

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静电放电（ESD：Electrostatic Discharge）

静电放电（ESD）也就是所谓的放电。由带电设备或人体放电而产生的大电流会击穿电路元件，导致电路发生热破坏。目前，MOS（金属氧化物半导体）元器件是LSI中最常用的结构，在面对静电放电时非常脆弱。这是因为其输入栅极使用了薄膜绝缘体。如果放电产生的高压脉冲进入输入栅极，就会发生绝缘介质击穿，最坏的情况下会导致半导体芯片损坏。随着元器件的微小化，防静电措施也越来越严格。

图3.静电放电（ESD）的示意图

在各种生产现场中，因静电带电而产生的电压作为静电管理电压而受到管理、限制，例如在电子元器件的制造工序中，电压要求控制在100V以下；而对静电放电特别敏感的硬盘驱动器磁头、滑块制造工序中，则要求将电压控制在10V左右以下。
防止静电带电的最简单方法，是将导电物体接地以中和带电电荷。需要再强调一次的是，导电物体不仅包括金属，也包括人体。对于人体而言，需要佩戴接地腕带、穿着佩戴防静电鞋/衣服/手套、完善工作环境（如确保工作空间的地板和桌子具有导电性等）。

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电磁干扰（EMI：Electromagnetic Interference）

在半导体行业，电磁干扰（EMI）一般就是感应起电。以MOS元器件为例，之前一直是电中性的导体受到附近带电物体的影响，变成仿佛正在产生静电的状态。感应起电虽然不会引起MOS器件的绝缘介质击穿，但可能会对质量产生影响。在很多情况下，附近的带电物体就是工人，而这个措施也是基于人体接地，也就是采用具有导电性的鞋子和地板。然后再进一步同时使用腕带等。

图4. 电磁干扰（EMI）示意图

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执笔：工程师 铃木孝（一代工程师事务所）