现实中微电子制造领域的静电问题
微电子制造中存在大量的生产工序会产生并累积静电。
静电的直接影响之一就是通过静电感应作用将临近的微电子器件(确切而言,是其中的大量金属线路)充电至高静电位。
而微电子制造中涉及的许多电气测试机台(IC封测工厂就含有大量的电测工序),就是典型的CDM(Charged Device Model,器件带电放电模型) ESD关键工序(100%会发生CDM ESD),由此导致微电子器件的电性不.良风险(主要是器件中的绝缘膜层漏电流过大,如gate oxide)必须得到重视并采取有效的管控措施;
而电气测试机台中的testing socket(测试插座)尤其是其中的器件装载导引机构大都采用绝缘塑胶或陶瓷材质,每颗器件的测试过程都会发生器件封装体与testing socket导引机构件之间的摩擦静电起电,随着测试机台测试越来越多的器件,如果testing socket上累积的静电得不到及时的有效消除,越到后面测试的器件发生CDM ESD导致的电气失效不.良风险就越高。
当前基于28nm制程及以下的IC已经占比将近50%,其*高承受的CDM ESD电压大部分不超过100V。其中,*新的7nm、5nm制程的5G IC,CDM耐压更是降至50V以下,这种IC的设计与制程变化,给集成电路前段制造-Wafer Fab、集成电路后段制造-封装与测试、以及SMT工厂的生产工艺中的ESD防护带来了非常大的挑战。
而静电对各类微电子器件的影响,则是体现在其中的不同微观元件受到静电作用而产生各种损坏或失效上。
静电如何对微电子器件构成影响?
微电子器件中包括大量不同的微观元件与器件结构,其受到静电作用构成的器件失效风险也各不相同。例如,IC中连接die pads与封装外部leads的焊线,流过的电流幅值越大,则焊线因电致焦耳热作用的熔断失效风险就越高;而IC中的绝缘膜层,则是在受到电场作用的强度越高,膜层发生击穿失效的风险就越高。
在各种微电子器件的生产制造阶段中,静电则主要通过以下几种形式对微电子器件构成不.良失效(功能失效或工作可靠性下降):
一,静电主要来自于其他物体上,通过接触到微电子器件(尤其是电气管脚或引线)时,通过静电放电(ESD,Electro-Static Discharge)的过程,导致微电子器件内部特定结构损坏而失效。
带静电的人体对电子器件放电
二,静电则是来自于微电子器件上,此种情形下,微电子器件在接触到其他物体(尤其是微电子器件的电气管脚或引线,接触到接地的导电性物体)时,主要以静电放电(以微电子器件的电子管脚与导体接触的情形*为显著)的方式对微电子器件内部的特定结构构成失效冲击。此种静电危害微电子器件的情形,在微电子制造工厂中的各种电测工序中*为典型。
带静电的微电子器件对接地导体放电
以上两种静电对微电子器件构成的失效风险适用于所有微电子器件。
三,微电子器件在靠近高静电源时,即会导致微电子器件内部受到较强的静电作用,而发生电性损坏的失效。这类微电子器件包括photomasks(光掩膜版,用于集成电路、平板显示、触摸屏等产品的光刻工序)、平板显示产品的前端半成品-TFT array玻璃、SAW器件(Surface Acoustic Wave,声表面波)、MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems,微电机系统)等。此种静电危害微电子器件的情形,则在晶圆厂(wafer Fab)、平板显示Fab厂、SAW封装工厂、MEMS封装工厂中比较典型。