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      半導體生產中的靜電消除

      發布:防靜電pc板 瀏覽:1254次 發布時間:2020-5-29

      在整個半導體制造過程中,微粒污染;靜電放電損壞以及與此相關聯的設備停機,是靜電帶來的 三大問題。所以必須對靜電加以控制。國際半導體發展路線圖和SEMI標準提出了將靜電控制在合適水準上的建議。靜電控制方案包括了接地,靜電耗散材料和空氣電離化。為適應快速發展的半導體生產所帶來的要求,靜電耗散材料、空氣離子器也在不斷進行的變化。

      引言

      半導體制造技術的發展,不斷地提升了生產過程中的靜電控制的重要性。全球半導體產業的發展靠兩大輪子推動,一是不斷縮小芯片特征尺寸,二是不斷擴大晶圓尺寸,這些都提出了許多新的挑戰。半導體工業已建立了一系列的技術 發展路線圖,并借助相關的標準來確保能夠應付這些挑戰。

      半導體︱晶圓制造

      在所有的半導體生產領域,由于靜電的負面效應,使得保持高水準的產品質量和成品率變得更加困難。缺少靜電控制,將導致微粒污染,靜電放電損壞和設備故障。這些都會在硅基片的制造中,或光掩模的制造中,或在制造器件的半導體前段潔凈室內以及包括組裝,封裝及最后測試和運送領域的后段制程中發生。

      靜電問題

      無論何時,兩種不同材料的接觸都會產生靜電。因為每一種元素的電子能級都是不同的。兩種材料中,占據最高導帶上的電子的能級也是不同的。因此,當兩個物體接觸在一起時,將發生電荷轉移,一個物體將帶正電,另一個則帶負電。接觸程度(壓力,,切向和法向平整度)越高,電荷轉移就越大。半導體工廠里,具有大能級差(電負性或費米能級)的材料被廣泛應用,如特氟?。═eflon)和p摻雜的硅。

      分開兩個物體,需要克服靜電吸引而做功,因而在兩個物體上產生一個明顯的電位差。這個電位差可高達幾萬伏特,如果物體是絕緣體,這個電位將持續存在;如果物體是導電體,并且有一個接地通道回路,該物體上的電荷將會消失。

      在無塵室,由于空氣濕度較低,并且空氣中自然產生的離子都被HEPA和HVAC系統過濾掉了,所以靜電問題是很嚴重的。在普通環境里,這些自然機 理導致空氣很容易消耗靜電,但在無塵室里,空氣變成了相當好的絕緣體,更困難的是,無塵室里幾乎所有物體的表面都很干凈,所以在普通環境下的幾分 鐘的靜電消耗過程,在無塵室里可能需要一天或更長。由于使用的材料和它們的絕緣特性以及環境條件,使得在無塵室里,靜電電壓要比在普通環境里高 出許多。

      微塵粒子的靜電吸附,增加了芯片表面的污染,增加了缺陷密度,因而降低了良率。潔凈室和微環境內,應用超凈的層流,以減少落在芯片和設備表面的微塵粒子。不幸的是,靜電力會比空氣動力大很多。潔凈室內因制程,產品移動及人員而造成的微塵粒子,會被帶靜電的產品表面電場從層流空氣中吸引出來。芯片表面上的電荷也會引起機械手臂上的意想不到的移動或粘連,從而導致芯片損壞和設備故障。

      半導體︱晶圓制造︱晶圓運載盒

      靜電放電是發生在處于不同電位上的兩個物體之間的、快速的電荷轉移過程。當它在半導體制造過程中發生時,主要的結果是將光掩模和產品損壞。光掩模就象“照相負片”一樣,用于在半導體芯片上印上圖形。在半導體制程中,被損壞的光掩模,需要相當長的時間才能被發現。而在此時間內,卻有成千片有缺陷的產品,被靜電放電損傷的光掩模復制出來。電子器件因靜電放電而導致的損壞,主要發生在封裝,組裝和測試的操作中。當封裝引線碰到接地點時,絕緣的器件封裝上的電荷形成靜電放電。同樣,采用高速自動化操作工藝,在損壞被發現之前,,已經有上千個器件遭到損害。隨著器件特性尺寸的縮小,器件和光掩模抵抗靜電放電的能力也在降低 。

      制程設備同樣面對靜電放電的危險。當靜電放電發生時,部分放電所釋放出的能量,以100MHz-20GHz頻率段的無線電波的形式出現。這些無線電波,可以輻射或沿電源線傳播到距靜電放電發生位置相當遠的距離。這些無線電信號與目前大多數控制生產設備的微處理器的信號處于同一頻率段。當與靜電放電相關聯的電磁干擾被生產設備所接收,,各種故障就會發生。這些故障包括停機,意外操作,重新啟動及其它導致產品和設備損壞的行為。

      半導體業界的靜電控制發展趨勢

      國際半導體技術路線圖反映了半導體制造的發 展趨勢。每年12月出版,傳達當時和以后15年對半導體工廠之建設和營運的要求。對于靜電控制路線圖指出:

      “靜電荷對半導體制造的各個階段都有負面的影響,引發三個基本問題。隨著微塵尺寸變小,靜電吸附(ESA)污染增加,使得實現低缺陷密度的目標更加困難。靜電放電(ESD)導致器件和光掩模損壞。隨著器件的特性尺寸縮小,僅需更小的靜電放電能量就可以導致器件或掩模的損壞。因靜電放電相關的電磁干擾而引發的設備故障,降低了設備的總使用效率(OEE)。并且,隨著控制設備的微處理器的速度的提高,變得更加頻繁。這三個問題發生在,原始晶片和掩模的制造中,半導體廠內器件的制造過程中,后段的封裝,組裝和測試中的各個單獨器件的處理制程”。

      該路線圖還包括了為預防靜電問題而降低靜電水平的建議。這些建議既應該引入到新的工廠和設備中,也應該引入到現有的工廠中。隨著更新,更小的工藝技術的引入,靜電水平必須降低,對于每一個 半導體廠來說,關鍵是引入一個靜電控制方案。靜電問題的代價則是靜電控制方法之費用的10-100倍。

      靜電控制

      人們發展了各種各樣的靜電處理方法。半導體制造環境中,不管是在前段的無塵室內,還是在后段的測試,組裝和封裝,廣泛地采用導體及靜電耗散材料的接地。接地可防止孤立導體及靜電耗散材料上的靜電產生,如果這些材料帶靜電的話,還可將靜電導走。每一個導體材料,包括人員,設備,廠務表面(地面,墻面,天花板和工作表面)以及產品,都應該有可靠的接地。這些接地端都應該有定期的檢查。未接地的導體通常都是靜電放電源。

      靜電耗散材料在耗散靜電荷的同時,保持某些絕緣材料的特性(如柔韌性和化學抵抗性)。如果將它們可靠地接地的話,它們將不會保持靜電荷。這些材料在一些應用中如桌面或測試插座可替代導體材料,它們在這些應用中,可能會與帶靜電的產品接觸。靜電耗散材料的高電阻性(典型的范圍是10^4至 l0^11歐姆),能夠將電荷移動過程放慢,以防止靜電放電損壞事件發生。必須定期地對靜電耗散材料進行審核和測試。許多這類材料與無塵室并不兼容,而且靜電耗散特性會隨時間發生改變。

      輔朗永久型防靜電(PFD系列)透明光學樹脂板材產品,各種環境下防靜電性能均十分穩定。(摩擦試驗機,1000g力)IPA擦拭測試六萬次,表面電阻幾乎沒有變化;不受溫濕度及光照影響,經實驗數據推論實際使用壽命可達五年以上。

      不幸的是,無塵室中用了許多絕緣材料,如特氟隆,各種塑料和玻璃。這些絕緣材料經常是生產中不可缺少的一部分,甚至是產品本身的一部分。如包括 石英基板的光掩模,帶氧化涂層的半導體芯片,最終半導體器件的環氧或陶瓷封裝。大多數絕緣體容易產生靜電,并攜帶很長時間。生產中,這些絕緣體會接近產品,甚至是產品的一部分。

      靜電放電協會的ANSI/ESD的標準S20.20 所建議的那樣,采用空氣電離化來控制“制程中不可缺少的”絕緣體所產生的靜電場。半導體生產中的許多方面如潔凈,耐化學腐蝕和高溫制程等都依賴絕緣體。對于半導體制造這樣一個很少采用人工操作的工業,在制程設備內部這些絕緣體也是必不可少的。最重要的是,不管是前段的半導體芯片還是最后環氧封裝了的器件,產品本身就是一個絕緣體。由于總有絕緣體的存在,空氣電離化是半導體制程之靜電控制方案中必不可少的一部分。

      空氣電離化

      中和絕緣體(和孤立導電體)上的靜電荷需要采用各種空氣電離化。電離器產生由正,負兩種空氣離子組成的離子云,以中和生產環境中各處的靜電??諝怆x子是由氣體分子失去或得到一個電子而形成電暈電離是用于產生空氣離子的最常見的方法。也就是,將高電壓加在一個尖端上,建立一個非常強的電場。該電場要足夠強才能導致電子在空氣分子間移動。所產生的空氣離子的極性取決于在尖端上所加電壓的極性。放射性材料,Ⅹ射線和遠紫外線的輻射電離也可產生空氣電離。

      當被電離的空氣遇到帶電的絕緣體表面,帶電表面就會吸引電離空氣中的相反極性的離子,導致中和。因為在生產過程中兩種極性的靜電都會產生,所以需要兩種極性的空氣電離。

      電場 — 生產環境中的任何帶電表面所引發的電場都會導致兩個潛在的問題:即污染微粒的吸附和感應靜電放電,它將損壞光掩模和產品。這兩個問題將隨著特性尺寸呈線性的變化。

      直接影響微粒之靜電吸附的三個因素是,空氣中的微粒濃度,在空氣中暴露時間以及任何電場的存在。前兩個變量由工廠的建設,營運和生產過程確定。而任何程度的電場都會導致微粒的靜電吸附。工業上建議,將這種吸附限制在不大于其它種類的微粒吸附如重力和擴散。

      電場同樣也會導致光掩模和器件損壞。電場引起光掩模上的金屬中的電荷分離,如果在光掩模上孤立的金屬間的電位差足夠大,靜電放電就會發生。電場可能是由光掩模的石英基片上的電荷引起,也可能是由使用光掩模的環境中的其它物體上的電荷引起。

      污染 — 大多數的半導體生產是在無塵室內進行,而離子發生器所產生的微粒將是一個值得關心的問題。任何一個導致缺陷的致命微粒,有兩個特征:化學成分和大小尺寸。在硅半導體的生產中,離子發生器采用硅針尖是正常的,而任何其它材料的針尖都會是化學污染源。隨著特性尺寸的收縮,致命微粒的尺寸也隨之縮小。對于90納米器件,致命微粒的典型尺寸為30納米,而對于25納米 器件,致命微粒的尺寸將僅為8納米。

      結論

      隨著半導體工業按所預測的技術發展而變化,,靜電控制將變得更為重要。人們確信,一個技術極限將使得靜電控制,成為必不可少。我們已經在硬盤驅 動器工業看到了一個技術極限,沒有綜合的靜電控制方案,磁阻(MR)頭根本無法被制造出來。

      由于在半導體制造中,絕緣體是制程中必不可少的,甚至產品本身就是絕緣體。因此,空氣離子化成為靜電控制的一個重要部分。半導體制造技術的發展,要求靜電控制方案中的靜電耗散材料和離子發生器在性能方面進行發展。

      需要記住的是,采用美國國家標準局靜電放電標準S20.20中所建議的所有方法的成本,通常是遠低于因靜電問題造成的損失,包括解決問題的成本。靜電控制絕對是一個必需的選項!

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