（电力电子与电力传动专业论文）芯片制造工艺中的静电放电（esd）及其防治对策研究.pdf

abst ract wit h t h e h ig h d e v e lo p m e n t o f e le c t r ic i n d u s t ry , t h e h a r m c a u s e d b y t h e s t a t ic b e c o m e s m o r e a n d m o r e s e r io u s in t h e p r o c e s s e s o f p r o d u c in g a n d u s in g e le c t r i c p r o d u c t s , a n d it b ri n g s in e s t im a b le e c o n o m ic lo s s . i n a m e r ic a f o r e x a m p le , t h e lo s s c a u s e d b y s t a t ic r e a c h e s 1 0 b ill io n d o l la r s e v e ry y e a r in e le c t r ic in d u s t ry. it is j u s t t h e e le c t r o s t a t ic d is c h a r g e ( e s d ) r e s u lt i n t h e h a r m. e s d c a n m a k e t h e e le c t r o n ic u n it s in c a p a b le o r le a d t o h id d e n t r o u b le , a n d e v e n d a m a g e e le c t r o n ic p r o d u c t s c o m p le t e ly . s t a rt in g f r o m t h e p r i n c ip le o f e s d , t h is p a p e r d is c u s s e s h o w t h e e s d c o m e s in t o b e in g a n d it s h a r m t o e le c t r o n ic p r o d u c t s in t h e p r o c e s s o f c h i p p r o d u c in g , a n d e s p e c ia lly d is c u s s e s t h e t h e o ry a n d p r a c t i c e o f e le c t r o s t a t ic t e s t in t h e c h ip s m a n u f a c t u r in g w o r k s h o p . b a s e d o n t h is , t h e a u t h o r d id s o m e t e s t - w o r k i n s h a n g h a i b e lli n g c o . l t d . , m a i n ly a b o u t e v e ry t y p e o f e q u ip m e n t s i n t h e e le c t r o s t a t ic d is c h a r g e p r o t e c t e d a r e a in s o m e w o r k s h o p s ( in c lu d in g a rt if ic ia l a g i n g w o r k s h o p , t e s t in g w o r k s h o p , s e m i- f in is h e d a rt ic le s s t o r a g e w o r k s h o p a n d f in is h e d a rt ic le s s t o r a g e w o r k s h o p , e t c ) . t h is p a p e r e s t im a t e s a ll t h e t e s t d a t a a n d p u t s f o rw a r d s o m e t e c h n ic a l a d v ic e s . t h is p a p e r a ls o in t r o d u c e s t h r e e k in d s o f e s d m o d e l in t h e e le c t r ic in d u s t ry : h u m a n b o d y m o d e l ( h b m ) , m a c h in e m o d e l ( m m ) a n d c h a r g e d d e v ic e m o d e l ( c d m ) a n d c la s s if ic a t io n s t a n d a r d o f e s d s e n s it iv e d e v ic e . it a ls o p u t s f o r w a r d t h e id e a o f d e s ig n i n g t h e e s d p r o t e c t in g a r e a a n d t h e d e v e lo p in g t r e a d o f io n iz e r . s o w e c o u ld s e t t le t h e t e c h n ic a l b a s e f o r t h e s y n t h e t ic a lly e s d c o u n t e r m e a s u r e o f ic m a n u f a c t u r in g in m o r e s e a r c h in g a n d c o n s u m m a t in g s t e p s . z h a o j u n p in g ( p o w e r e le c t r o n ic s a n d e le c t r ic a l d r iv e ) d ir e c t e d b y s u n k e p in g k e y wo r d s : e le c t r o s t a t ic d is c h a r g e , e le c t r o s t a t ic d is c h a r g e s e n s it iv e d e v ic e , e le c t r o s t a t ic d is c h a r g e m o d e l , e le c t r o s t a t ic d is c h a r g e p r o t e c t e d ar ea,旧ni z er 论文独创性声明 本论文 是我 个人在导 师 指导下进行的 研究工作及取 得的 研究 成果。 论文 中除了 特别加以 标注和致谢的 地方外，不包含其他人或其他机构已经发表或 撰写过的研究成果。 其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已 在论文中作 了明 确的声明并表示了谢意。 作者签名: 日 期: 论文使用授权声明 本人同 意上海海运学院有关保留、使用学位论文的规定，即: 学校有权 保留 送交论文复印件， 允许论文被查阅和借阅: 学校可以 上网 公布论文的全 部或部分内 容， 可以 采用影印、 缩印或者其它复制手段保存论文。 保密的 论 文在解密后遵守此规定。 作 者 签 名: _导师 签 名:日 期: 芯片制造工艺中的静电 放电 ( e s d ) 及其防治对策研究 第一章引言 第一节 概述 随着现代工业的发展，静电几乎闯入了每一个工业领域，同时也显露出难于驾 驭的特性，给人类带来各种危害。在电子工业中，静电可导致产量下降、重复性工 作增加、测试和现场服务活动增多。据不完全统计，静电危害给世界电子工业造成 的损失，每年就达近百亿美元的惊人程度。尤其是近年来，由于超大规模集成电路 的发展以及集成电路制造技术的进步， 如“ 离子注入” 、 “ 电子束刻蚀图形” , c a d / c a m 等， 器件的集成度越来越高， 绝缘介质层( s i 0 2 ) 越来越薄， 器件制造技术已从所谓微 米级向纳米级发展，因而这类器件对静电也越来越敏感。通过应用试验和失效分析， 小到近百伏或几十伏的静电电压，就足以致使元件失效或性能降低。这些器件如果 用于整机产品或系统，则会造成更大的损失。因此，开展静电危害的研究包括 电子工业生产过程中的静电危害，已日益凸现出其迫切性。在电子工业中，静电危 害主要表现为静电 放电( e l e c t r i c s t a t i c d i s c h a r g e ) ，简写为e s d . 但是，e s d 对电子产品质量性能的影响还没有被人们足够地认识。国际电子防护 操作协会曾称: e s d 造成的损失， 每年已达百亿美元。对这个问题引起重视的厂家仅 为巧%，而真正明其道理的就更少了。 ” 除此之外，还存在着许多使人做出错误判 断的事例，如: ( 1 ) 由e s d 引起的失效，往往被错误地判断为瞬变所致。 ( 2 ) 由于对失效分析的深度不合适， 误认为e s d 引起的失效是偶然的、未知的、 早期失效或制造缺陷。 ( 3 )一般的失效分析试验不具备足够的设备和技术手段， 如电子扫描显微镜等。 ( 4 )许多产品设计和制造工程师主要采用简单地增加备件的方法来解决产品失 效率高的问题，而没有认识到解决e s d 的根本方法。 ( 5 )许多人认为e s d 控制只是那些器件制造厂的事， 有的人则认为e s d 控制仅适 用于军工产品的生产. ( 6 )有的人认为加装二极管、电阻保护网络的器件， 在插件设计时采用了保护 电路产品，对静电不敏感。 ( 7 ) 有人认为e s d 可能会造成器件的立即失效， 而忽视了也可能导致潜在故障的 一面。 芯片制造工艺中的静电 放电 ( e s d ) 及其防治对策研究 第二节 我国电子行业中e s d 防治现状 在我国的电子行业中， 对e s d 的防治现状更是不容乐观。 综观我国电子行业的e s d 防治技术现状，我们可以简略地概括为重视不够、标准不全、技术水平较低、产品 档次不高、管理落后。主要表现在以下几点: ( 1 )对e s d 的危害缺乏足够的 重视 从十多家电子产品生产厂家的调查中了解到，许多电子企业的管理者、技术人 员和生产工人，对e s d 对电子产品造成的危害，都或多或少地缺乏应有的认识。他们 对电子产品防e s d 的基本技术要求了解不全。在这方面，与西方先进工业国家的差距 是明显的。美国几乎在2 0 年前，就由海军提出，由国防部首肯，着手制订了一系列 控制e s d 技术标准。为了 推广落实这些技术标准， 美国军事部门 特意编辑出版了“ 保 护电 气和电子元件、组件和设备( 不包括电引爆器件) 的静电放电控制手册” ，广为散 发，并编入军用标准化手册从书，广泛征求意见。其结果是大大提高了指战员对静 电放电控制技术的认识水平。这对于提高电子设备的可靠性与安全性，减少e s d 对电 子设备的千扰与破坏，无疑起了重要作用。 ( 2 ) e s d 防治技术标准制订和颁布滞后，且不系统、不全面 美国、日 本等先进工业国家，为了尽量减少e s d 的危害，不断地组织有关学会、 协会、企业的代表进行深入地调查研究，不断地发表调查报告，并注重相关技术的 开发、研究，提出防治e s d 措施，适时地制订各种技术标准，强制或推荐执行。仅以 美国为例，已 先后制订了一百多个防e s d 技术标淮， 大到静电控制技术大纲，小至每 一种静电产品，如腕带，手套，屏蔽袋等，从调试方法到产品性能、技术规格、技 术参数，都有相应的技术标准，而且系统、全面.这就为各种防静电 产品的公平竟 争，全方位的综合治理e s d 危害，奠定了重要技术基础。 而我国这方面的技术标准和技术法规的制订与颁布却相对滞后。 事实上，我国 “ 防静电胶底鞋、导电胶底鞋安全技术”( g b 4 3 8 5 - 8 4 ) , “ 防静电胶底鞋、导电 胶底 鞋电阻值测试方法”( g b 4 3 8 6 - 8 4 ) 等技术标准首先于1 9 8 4 年颁布实施，起步并不晚， 接着又相继制订了防静电工作服、防静电事故通用导则等国家标准。但无论从数量 上，还是覆盖面上，都不全面、不系统。截止目 前为止，我国这方面的技术标准尚 不足2 0 个，特别是电子行业的防治e s d 标准更少。这不仅制约了全面治理e s d 危害， 又使各种防静电 产品缺乏统一的考核指标，不利于市场的公平竟争。 ( 3 ) 新材料、新产品 研究开发投入少， 技术落后 e s d 防治技术涉及到材料科学、仪器仪表、精细化工、轻工纺织、表面分析等多 学科的交叉，需要投入大量的人力物力进行开发研究.国外的每一个防静电名牌产 芯片制造2艺中的静电 放电 ( e s d ) 及其防治对策研究 品，背后无不有强大的研究机构作后盾。而我国在这方面投入少，技术落后。例如， 我国在研究分析e s d 对电子元器件的击穿、软击穿的过程中，很少配置有扫描电镜等 先进设备。又如，对放电模型、放电机理等基础研究投入少，基础数据贫乏.反映 在防静电产品上，就与国外有明显的差距。例如，国外能生产出无色、浅色和花色 导电纤维， 因而能满足不同层次防静电服装及织物的需求， 使防静电工装“ 时装化，o 我国的导电纤维仍然是黑色或深颜色，差距明显。再如，我国生产防静电涂料、抗 静电添加剂的厂家不少.但开发、生产的多数产品是传统型的表面活性剂或添加剂， 靠吸附空气中的湿气来增强泄漏静电的能力。这对于中等以上湿度环境( 相对湿度5 0 %以上) 是有效的，但在低湿度的环境中，效果就不理想。更有甚者，个别产品均匀 性、一致性差，同一种材质甚至同一块材料，在同一环境条件下测试，其测量结果 竞有2 - 3 个数量级的差异，用户当然望而却步。而美国a c l 公司却从改变分子结构、 打开分子链着手，经过潜心研究，将一种全新的涂料推向市场( 例如金牌4 5 0 0 涂料) ， 即使相对湿度在1 0 % 1 5 %时，亦能稳定地发挥作用，性能优良，且价格合理。这 种产品一进入市场就广受用户青睐。 ( 4 ) 各种防静电材料与制品 “ 鱼龙混杂” ，性能与质量良荞不齐 由于生产防静电材料与制品相对说来投资少，见效快，一些厂家不顾自身生产 条件差，在技术力量弱和质量检测手段缺乏的情况下，仓促上马，产品质量得不到 保证，性能指标良 芳不齐。再加上市场发育不健全，技术标准不完善，因此，尽管 生产厂家很多，但大多数形不成气候，缺乏品牌优势，只能在低水平上竞争。以 上 海为例，尽管世界上知名的电子与半导体制造商目 前已有很多落户上海，但国产的 防静电产品真正能进入这些厂家者，却为数不多。其中缘由，值得我们深思。例如， 国外的离子风机和静电消除器，已由单极性发展到双极性，并且开发出了智能性的 闭环系统，即能根据被消静电环境中静电位的高低自 动反馈，控制着离子风的产生 量和吹出量。而国内的某些离子风机，几年不改型，一直是老面孔，这对于对静电 环境要求较高的电子生产厂家来说，当然就缺乏吸引力。 还有防静电工作服，我国 从南到北，生产厂家很多，但由于产品无特色，创不出名牌，大多占 领不了较大的 市场份额。更有甚者，将自己防静电性能不好的产品推销给用户，这无异于 “ 饮鸡 止渴”，自断后路。 ( 5 ) 产、学、研力量分散，研究与开发形不成合力 就全国范围来说， 高等学校， 研究机构， 生产厂家中从事静电技术的专家、 学者、 技术人员力量很强，可以说人才济济。国际静电杂志主编、美国r o c h e s t e r 大学教授 t . b . j o n e s 教授去年曾经说过，中国有这么多人从事静电 技术的 研究， 大大出 乎他 的意料.可见，我国静电科技力量并不弱。但是，目 前的主要问题是产、学、研力 芯片制造工艺中的静电放电 ( e s d ) 及其防治对策研究 量分散， 研究与开发形不成合力。学会、协会、生产厂家与用户之间接触少，交流 少，各行其事，互不通气。中国物理学会静电专业委员会在2 0 0 0 年之前平均3 年一次 学术会议，间隔很长。全国性的静电期刊因种种原因至今未能面世。平均4 年一届在 中国举办的国际静电会议虽然已举办4 届，在国际上的影响也越来越大，但因语言等 原因国内与会者并不普遍。这些因素，直接影响了我国静电控制技术跨上新台阶。 面向市场、面向用户也是我国静电科技工作者必须在观念上加以解决的问题之 一。用户需要什么，他们在生产实际中遇到的困难与问题，理应成为科研的选题重 点。对于e s d 防治难点，产、学、研应当结合起来，协力攻关，才能使e s d 防治水平 不断提高。这里不妨举一个可供参考的例子，如材料阻抗的测试，在给出测试结果 的同时必须同时给出测试温度和相对温度，这已是常识。但是我国的测试仪器，仍 用3 种不同仪表分别测量这3 个数据。而美国新开发的a c l -8 0 0 型兆欧表，却能将阻 抗、湿度、温度同时在一个测试仪表上读出来，一表三用，大大方便了 用户，因而 广受欢迎。我国的仪表制造商不是做不出来。非不能也，是不为也。归根到底还是 一个面向市场、为用户着想的问题。 本论文在论述芯片生产中e s d 现象及其危害的基础上，重点讨论了芯片制造车间 静电测试的理论与实践，并以在上海贝岭股份公司的实际测试工作为依据，介绍了 在老化车间、测试车间、半成品仓储车间、减薄车间及成品仓储车间的防静电工作 区的各种器材进行的测试数据、评估分析，给出e s d 技术管理目 标值和合理化建议， 从而为进一步探索与完善i c 制造工艺中e s d 综合防治对策奠定技术基础。 芯片制造工艺中的 静电 放电 ( e s d )及其防治对策研究 第二章 ! c 生产中的e s d 现象及其危害 第一节 静电起 电规律简论 2 . 1 . 1静电起电规律 在这里，我们主要讨论固体材料的起电规律。固体材料起电的类型是多种多样 的，其中接触起电具有重要的典型意义。 早在1 7 9 6 年， 伏达就发现， 两种不同的金属a 和b 接触后， 如果接触距离很小 ( 达 到或小于2 5 x 1 0 - e c m ) ，在接触面上就产生电势差。该电势差一般在十分之几伏到几 伏之间，并且存在这一个系列，即: ( +)铝，锌，锡，锡，铅，锑，锡，黄铜，汞， 铁， 钢， 铜， 银， 金， 铂， 把， m n 0 2 p b 0 2 c ) ， 前后 任意两种固 体接触时， 前者带 正电，后者带负电。 1 8 7 9 年亥姆霍兹 ( h e l m h o l 七 z ) 指出， 在固体接触面的 两方， 形成等量异号的电 荷层，如图2 - 1 所示，称为偶电层。 + a 图2 -1 两金属接触形成偶电层 两种金属接触分离以后，就分别带上了静电。这很快得到了证实。1 9 3 2 年 k u l l r a t h 将金属粉末从铜管吹出去，粉末与铜管经历了接触分离过程，使这个对地 绝缘的粉末发生器产生了2 6 万伏的高电压。并观测到，吹铁粉或锑粉时，起电效果 最显著。 两金属接触后再分离产生的静电 起源于接触电 势差，这一点是由 h a r p e r 1 9 5 1 年 证实的.根据金属内电子的势能井，很容易计算出接触面上的面电荷密度: 。 12 = 乓( 0 1- 0 1 ) 召 a ( 2 - 1 ) 式中:6 ，。一偶电层上的面电荷密度; - 一接触间隙的介电常数; 芯片制造工艺中的静电 放电 ( e s d ) 及其防治对策研究 。 一 电 子电 量; d - 一接触间隙距离; 0 1 1 0 : 一 两种 金属的电 子 逸出 功或 功函 数. 该式能很好地解释静电带电系列，功函数高者带负电，低者带正电。 金属与半导体接触，同样出现偶电层.但已不像两种金属那样对称，半导体表 面电荷已有一部分深入到表面层内部。 理论，计算了接触面上的表面电荷密度 1 9 7 1 年k r u p p 根据金属一半导体接触面的势垒 s ，2= 共( o ， 一 0 , ) = ea 共( 。 一 : ， 一 二 + 0 0 e口 ( 2 - 2 ) 式中:s , : ， e , d 同式( 2 - 1 ) 0 m 一 金属费 米能级 至导带的 能 距; 0 、 一半 导 体 功 函 数; e 、 一禁 带 宽 度; x - 一半导体导带底在表面处的电子逸出功，又称半导体电子亲和势; 0 。 一 能距， 下 位置为价带顶， 上 位置为使半导 体表面电中 性，电 子占 据的 那 些表面态的顶。 金属与介质接触，s 与式( 2 - 2 ) 基本相同。因为半导体与介质相比，除了介质 的禁带宽度较大之外，概念上并无根本不同。 金属与高分子材料接触分离后，高分子固体表面的电荷密度为: s = e d , ( 0 m 一 o p ) ( 2 - 3 ) _， 5. 口。又 又- 二 下 动子 式中 式中 d ， 一 高 分子 表 面 态 密 度; 0 ， 一金 属 功 函 数 ; 0 ; 一高 分 子 固 体 表 面 功 函 数; e , d 一 与式( 2 - 1 ) 相同; 二 一 高 分子固 体的 介电 常 数。 如果两种高分子材料相接触，则面电荷密度为: ( 2 - 4 ) : 9 p 1 1 汽 2 一两 种 高 分 子 材 料 的 功函 数; 6 , 1 1 6 , 2 一 两 种高 分子材料的 相对介电 常数 芯片制造工艺中的静电 放电 ( e s d ) 及其防治对策研究 il l a 2 一 两种介质接触面处的电 荷穿入深度。 2 . 1 . 2影响固体带电的因素 固体起电规律除了由于材料的种类不同而不同之外，影响固体带电的因素主要 还有以下两个方面: ( 1 ) 周围环境条件: 如环境温度、 湿度、 气体介质的状况 ( 水分、 气压、外加 电场)等。 ( 2 ) 力学因素:如接触类型 ( 接触、摩擦、转动、扭转) 、接触面积、分离速 度以及接触时物体间受力大小等。 第二节i c 生产中的主要静电源 i c 生产中之所以有静电产生，主要有以下三个方面的原因. ( 1 ) 生产车间建筑装修材料多采用高阻材料 i c 生产工艺要求使用洁净车间或超净车间.要求除尘微粒粒径从以 往的0 .3 p m 变到。 . 1 p m以下，尘粒密度约为3 5 3 个/ m 3 ( 1 0 个/ q 3 ) 。为此，除了 安装各种除尘 设备之外，还要采用无机和有机不发尘材料，以防起尘。但对建材的电性能没有作 为一项指标考虑进去。工厂企业洁净厂房设计规范中也未做规定。i c 工厂的洁净厂 房主要采用的室内 建筑装修材料有:聚氨脂弹性地面、尼龙、过氯乙烯、 硬塑料、 聚乙 烯、塑料壁纸、树脂、玻璃、木材、白 磁板、磁漆、有机玻璃、水磨石、耐酸 磁漆、石膏等等。上述材料中，大部分是高分子化合物或绝缘体。 例如有机玻璃体 电阻率为1 0 2 一1 0 1 0 s 2 c m , 聚乙 烯体电阻率为1 0 1 3 , 1 0 1 5 s 2 c m ， 干木材体电 阻率 为1 0 “ 一1 0 1 0 s 2 c m ， 因 而导电 性能差， 某种原因 产生静电 后不容易通过它们向 大地 泄漏，造成静电的积聚。 ( 2 ) 人体静电 生产车间中的操作者在正常的生产活动中， 其服装与外界介质表面( 如: 工作台、 坐椅、工具、器具等) 之间、各层衣服之间、内衣与皮肤之间、直至行走时鞋底与地 面之间，都会因频繁的接触一一分离和摩擦而使服装、鞋子带电， 特别在穿用高级 绝缘的化纤衣料时会使带电 加剧。 此外，操作者还可能受静电感应而带电;或当车 间空间内有带电微粒时因吸附作用而带电。在皮肤比 较下燥时，操作者的裸出部位 ( 如手和臂) 与外界介质发生接触一分离和摩擦时， 也会使人体带电. 由上述各起电方式而引起的服装和鞋子的局部带电， 将按照介质上的电荷的流 芯片制造工艺中的静电放电 ( e s d )及其防治对策研究 散规律而逐渐流散到全表面， 达到平衡时就形成操作者工作服上的 静电 位。与此同 时，由于人体本身是良 好的导体，会受到带电服装的静电感应作用，从而使人体( 皮 肤) 周身带电，也形成一定的静电 位。可见，通常所说的人体静电电位实际上包含两 部分:一是人体最外部作为介质材料的工作服的静电位:二是人体本身作为导体的 皮肤的静电 位。所以，人体的静电电压如果消不掉， 而去接触i c ，就可能在不知不 觉中造成i c 的击穿。 ( 3 ) 空气调节和空气净化引起的静电 由于i c 生产要求在4 0 - 5 0 %相对湿度的条件下进行，所以 要实行空气调节，同 时要进行空气净化。降湿的空气要经过初效过滤器、中效过滤器、高效过滤器和风 管，进入洁净室。一般总风管风速为8 -1 0 m / s 。风管内壁涂油漆。当干燥的空气和 风管、干燥的空气和过滤器作相对运动时，都会产生静电。例如国内某i c 净化厂房 实测静电电位，送风口为5 0 0 -7 0 0 v ，但在回风口 却为1 0 0 0 v 左右。 应该指出:静电与湿度有着较敏感的关系。表2 - 1 表示了相对湿度对静电电位的 显著影响，如何选择合适的湿度，即不使静电电 位太高，又能满足生产对湿度的要 求，也是该加以仔细研究的课题。 另外，运送半成品时使用的托盘常常是丙烯或聚氯乙 烯制成的， 也会产生静电。 工 c 成品在包装、运输过程中，器件与包装塑料纸之间的摩擦起电，也是不容忽视的 静电起电因素之一。 表2 -1相对湿度和静电电压的关系 静电产生的方法 静电电压 ( v ) 相对湿度 1 0 %-2 0 % 相对湿度 6 5 %-9 0 % 在地毯上走动 3 5 0 0 0 1 5 0 0 在乙烯基地板上走动 1 2 0 0 02 5 0 工作人员在工作台上操作 6 0 0 01 0 0 包产品说明书的乙烯封皮 7 0 0 0 6 0 0 从工作台上拾起普通聚乙烯袋 2 0 0 0 0 1 2 0 0 坐在有聚氨酷泡沫材料的工作椅 1 8 0 0 0 1 5 0 0 芯片制造工艺中的静电 放电 ( e s d )及其防治对策研究 第三节 i c 器件的e s d 试验模型及静电放电敏感( e s d s ) 分类 2 . 3 . 1 . e s d 试验模型 自 七十年代以来，国外许多学者根据各种静电危害源静电放电时的特点，相继 提出了一些典型的 静电 放电( e s d ) 模型。所谓静电 放电 模型，就是根据静电放电的特 点和规律进行模拟，并加以简化得来的电路模型。从目 前国外报道的资料来看， e s d 模型主要有八种: 人体模型( h b m ) 、机器模型( m m ) 、带电器件模型( c d m ) 、场增强模型 ( f e m ) 或人体金属模型( b m m ) 、悬浮器件模型( f d m ) 、场感应模型( f i m ) 、电容祸合模 型( c d m ) , 瞬态感应模型( t i m ) 。 在电子工业中，由 于人体模型( h b m ) 、 机器模型( m m ) , 带电器件模型( c d m ) 所代表的静电源放电能量较大，可以对电子产品构成危害，因而 主要有这三种e s d 模型。 2 . 3 . 1 . 1人体模型( h b m ) 人体模型是最常见的，也是提出 最早的e s d 模型， 它是根据带有静电的操作者在 工作过程中与器件的管脚接触，将存储于人体的静电荷通过器件对地放电致使器件 损坏而建立的，因此称为人体带电模型， 其等效电路如图2 -2 所示。这种用一个电 容器通过人体总的电阻放电模拟人体放电的构思早在七十年代就被人们广泛接受。 人体电阻取决于人体肌肉的弹性、水分、接触电阻等多种因素。人体电容的大小与 人体的尺寸、姿态，鞋底厚度、材质等因素有关.由此看出确定该模型的参数是比 较困难的，因而在参数的取值方面也引起了许多争议。早在1 9 6 2 年，美国国家矿务 局5 2 0 公报报道了测试2 2 人次的人体平均电容值为2 0 4 p f ，电容值范围为9 5 -3 9 8 p f , 1 0 0 次试验测得人体手与手之间的平均电阻值为4 0 0 0 0. 1 9 7 6 年，早期从事电子工业 静电 研究的w . k i r k 用一种方法测得人体电容的变化范围为1 3 2 1 9 0 p f ，人体电阻的 变化范围为8 7 -1 9 0 0 。这些为早期模型的建立和参数的选取提供了参考和依据。 1 9 8 0 年5 月，美国海军海上系统指挥部发表的d o d 标准中提出了一个1 0 0 p f 串联一个 1 5 0 0 0 电阻的所谓 “ 标准模型”。这与其说是标准，不如说是为了一致的缘故。该 标准现己被广泛地接受。其典型放电电流波形图如图2 -3 所示。 芯片制造工艺中的静电放电 ( e s d ) 及其防治对策研究 r 、 一 人 休等效电 祖 c b 一人 休等效电 容 图2 -2 h m b 等效电路图 v1 0 t i m e ( n s ) 图2 -3 h m b 典型放电电流波形图 1 5 0 2 . 3 . 1 . 2带电器件模型( c d 1 1 ) i c 器件本身可作为电 容器的一个极板可能储存电 荷，当它与地接触时，这些静 止电荷迅速释放，可能造成工 c 元器件的损坏。带电 器件模型( c d m ) 就是用来描述这种 情况的， 该模型是s p e a k m a n 1 9 7 4 年首先提出 来的。 带电 器件模型是电 阻、电容和电 感组成的，其等效电路如图2 -4 所示。以上各参数的取值依不同的器件或装置及其 放置情况而不同。典型的电 流波形如图2 -5 所示( 该波形为1 6 管脚集成块r 取1 0 5 1 , l d 取l o n h , c 取3 . 6 p f , u 取5 0 0 v 时的 情况) 。 影响器件模型失效的因 素主要有: 表面 材料、移动速度、包装的形状结构、材料组成和放置情况。例如，一片1 6 管脚的集 成块，管脚朝上时的电容为3 p f ，管脚朝下时为2 p f ,斜置时电容为1 -1 . 5 p f a 芯片制造工艺中的静电 放电 ( e s d ) 及其防治对策研究 r d 一器件或装置对地等效电阻 c d 一器件或装置对地等效电 容 l d 一导 线 等效电 感 图2 一4 c d m 等效电路图 8 . 3 0 4 . 9 8 -七06 66 llji y尸u。目0 - 4 . 9 日 - 8 . 3 00 1 2 3 4 5 6 7 t i m e ( n s ) 图2 -5典型c d m 电流波形图 2 . 3 . 1 . 3机器模型( m m ) 机器模型，是用来描述带电的绝缘面板、小车、金属盒或任何孤立导体等静电 源的。 该模型首先在日 本得到广泛应用， 所以 也叫日 本模型。这种模型是用2 0 0 p f 电 容串联零欧姆电阻构成，是人体模型的一种变更。机器模型放电的波形与c d m 波形相 似，不同的是机器模型的电容较大，图2 - 6 是典型的机器模型对小电阻( 1 0 0 ) 放电 的波形，其峰值电流可达到几百安培，持续时间决定于放电电路的电感和电阻，一 般为几百个纳秒。 芯片制造工艺中的静电 放电 ( e s d )及其防治对策研究 3 00 - 30 0 伙_ 、-尸尸洲 、 电 ， - - - 洲 产 v州1 t i m es ) 2 . 5 x 1 0 s 图2 -6 m m 典型放电电流波形图 2 . 3 . 2 i c 器件的静电放电敏感( e s d s ) 分类 按照中国国家军用标准 “ 电子产品防静电控制大纲”的规定，电子元器件、组 件和设备对e s d的敏感度被分为 1 级、2 级和3 级。静电敏感度在0 -1 9 9 9 v 之间的 电子元器件、组件和设备为 1 级;静电敏感度介于2 0 0 0 - 3 9 9 9 v的电子元器件、组 件和设备为2 级;静电敏感度在 4 0 0 0- 1 5 9 9 9 v的电子元器件、组件和设备为3 级: 静电敏感度为 1 6 0 0 0 v 或 1 6 0 0 0 v以上的元器件、组件和设备被认为是非静电敏感产 口 pp o 表2 -2 是按元器件类型列出静电敏感元器件( s s d ) 的分级表。 电子部s j / t l 0 6 3 0 一1 9 9 5 “ 电子元器件制造防静电 技术要求”也是按照表2 一2 进行分类的。另外，包含有e s d s 元器件的组件和设备的e s d 敏感度级别依赖于在组 件和设备内使用的元器件的敏感度级别。 通常以 最敏感的e s d s 元器件的级别为组件 和设各的e s d s 级别。 芯片制造工艺中的静电 放电 ( e s d ) 及共防治对策研究 级别和静电敏感度范围 1 级，静电敏感度范围 0 - 1 9 9 9 v 2 级，静电敏感度范围 2 0 0 0 - 3 9 9 9 v 3 级，静电敏感度范围 4 0 0 0 - 1 5 9 9 9 v 表2 -2 s s d 的分级表 元器件类型 微波器件( 肖 特基势垒二极管、点接触二极管、其他检波 二极管) 离散型m o s f e t 器件 表面声波( s a w ) 器件 电祸合器件( c c d ) 结型场效应晶体管( j f e t ) 薄膜电阻器 运算放大电路( o p a m p ) 集成电路( 工 c ) 精密稳压二极管( 加载电压稳定度 0 . 5 %) 使用1 级元器件的混合电路 超高速集成电路 可 控硅整流器( s c r ) 当1 0 0 时t o 0 . 1 7 5 ,4 离散型n d s f e t 结型场效应晶 体管( j f e t ) 运算放大器( o p a m p ) 集成电 路( 工 c ) 超高速集成电 路( u h s i c ) 精密电阻网络( r z ) 使用2 级元器件的混合电路 低 功 率 双 极型晶 体管( p t 1 0 0 m n， i c i 0 0 m a ) 离散型m o s f e t 运算放大器( o p a m p ) 集成电路( i c ) 超高速集成电路( u h s 工 c ) 所有不包括在 1 级或2 级中的其它微电路 小 信号 二 极管( 功 率 1 w或i d 0 . 1 7 5 ,4 ) 低 功 率 双 极 型 晶体 管 ( 1 0 0 m w p t 3 5 0 m w 且 芯片制造丁艺中的静电放电 ( e s d ) 及其防治对策研究 1 0 0 m a i . 9 x l o ll 工作椅椅面一地间电阻 1 . 9 x l o ll 纸箱电阻 1 . 3 x 1 0 6 1 . 6 x 1 0 6 1 . 1 x1 0 6 1 . 3 3 x1 ja 手推车电阻0 ( 金属) 货架电阻0 ( 金属) 工作椅起电电压 7 . 4 6 . 9 8 . 3 7 . 5 3 kv 工作服起电电压 1 . 1 1 . 4 1 . 3 1 . 2 6 kv 3 . 2 . 2 测试车间测试结果:( 温度:2 1 0 c湿度:5 0 % ) 芯片制造工艺中的静电放电 ( e s d ) 及其防治对策研究 测 试 测试值 电阻起电电压 对象 (0)( kv) 辐射场强 ( v/ m ) 平均值 货架电阻 地板表面电阻 1 . 9 x 1 0 2 1 . 9 x 1 0 0 3 . 3 x 1 0 9 1 . 9 x 1 0 9 2 . 3 6 x 1 0 9 5 2 工 作椅椅 面 一椅 背间电 阻 1 . 9 x 1 0 2 工作椅椅面一地间电阻 1 . 9 x 1 0 2 5.5.7.-1.3. 纸箱电阻 手推车电阻 2 x1 0 4 x 1 0 9 x 1 0 4 5 x1 0 0 7 x 1 0 9 0 x 1 0 9 0 x1 0 6 . 1 6 x 1 0 6 2 3 . 4 0 x 1 0 9 6 2 5.-4. 芯片管子( 细) 电阻4 . 1 x1 0 3 . 3 x 1 0 9 5 . 5 x 1 0 9 3 . 8 0 x1 护6 2 芯片管子( 粗) 电阻48 x 1 0 0x 1 0 5 . l o x 1 0 9 6 2 工作服点对点电阻 工作台电阻 1 . 1 . 1 9 x 1 0 2 4 x 1 0 9 7 x 1 0 9 2 x1 0 5.一1 1 . 4 3 x1 0 6 2 7 . 鞋子电阻 7 x 1 0 ( 新 ) 1 x1 0 o f ) 加热炉静电场 芯片管子摩擦起电电压 0 . 1 ( 细) 0 . 1 ( 粗) 0 . 1 kv 芯片制造工艺中的 静电 放电 ( e s d ) 及其防治对策研究 工作服摩擦起电电压 5 ( 新) 6 ( 旧) 3 . 1 2 . 7 0 . 5 5 kv 工作人员在工作台操作时 最高静电电压 2 . s 0 kv 工作人员倾倒 i c 片时 静电电压 0 . 2 kv 2.9-0.10.30.2 测试部内辐射 电场 测试部高速运转部分 起 电电压 电脑显示屏前静电电压 第一类显示屏: 1 . 7 , 1 . 3 , 1 . 8 第二类显示屏: 0 . 3 , 0 . 5 , 0 . 5 第三类显示屏: 0 1 . 6 kv 0 . 4 3 kv o kv 3 . 2 . 3 半成品仓储车间测试报告( 温度:2 1 0 c湿度:5 0 9 6 ) 蕊谈饭 电阻 ( 0) 起电电压 ( kv) 辐射场强 ( v/ m ) 平均值 垫纸电阻 1 0 9 1 0 9 1 0 9 1 0 9 0 海绵电阻 1 0 1 2 1 0 1 2 1 0 2 1 0 1 2 q 圆片包装盒电阻 1 0 9 1 0 10 1 0 9 4 . 0 0 x 1 0 9 0 芯片制造工艺中的静电 放电 ( e s d ) 及其防治对策研究 圆片包装盒盒盖电阻 l o l l l o l o 7 . 0 0 x 1 0 0 黄色片盒电阻 1 0 1 l o l l l o t 7 . 0 0 x 1 0 0 黄色片盒盒内电阻 l o l l 1 0 1 l o 4 . 0 0 x 1 0 0 白色片盒电阻 l 0 l o l o , 1 0 1 0 工作台电阻 1 o 1 0 l o , 7 . 0 0 x 1 0 0 ( 说明: 上面表格内数据使用的是简易测量法，只有数量级) ，、. 获 电阻 (a) 起电电压 ( kv) 辐射场强 ( vl m) 平均值 海绵垫电阻 1 . 1 x 1 0 1 . 6 x 1 0 1 . 3 x 1 0 1 . 3 3 x 1 0 0 圆片包装盒电阻 1 . 4 x 1 0 1 . 3 x1 0 1 . 4 x1 0 1 . 3 6 x l 0 00 圆片包装盒盒盖电阻 1 . 4 x 1 0 1 . 4 x 1 0 1 . 5 x1 0 1 . 4 3 x 1 0 t q 白 色周转片盒电阻 1 . 3 x 1 0 1 . 3 x 1 0 1 . 3 x 1 0 1 . 3 0 x1 0 0 芯片制造工艺中的 静电 放电 ( e s d ) 及其防治对策 研究 黄色周转片盒电阻 1 . 1 x1 0 1 . 2 x 1 0 1 . 3 x1 0 1 1 . 2 0 x 1 0 1 1 腕套内测与接线 扣之间电阻 1 . 6 x 1 0 5 1 . 2 x 1 0 5 1 . 2 x 1 0 5 1 . 3 3 x 1 0 5 5 2 工作人员操作时 起电电压 2 . 1 4 . 6 0 . 8 2 . 5 0 kv 3 . 2 . 4成品仓储车间测试报告( 温度:2 2 0 c湿度:5 0 9 6 ) .、.、 *9 i4tt 电阻 ( q) 起电电压 ( kv) 辐射场强 ( vl m ) 平均值 卷带盘电阻 1 0 9 l 0 l 0 9 1 0 9 5 2 包装内箱电阻 1 0 4 1 0 4 1 0 4 l 0 0 0 包装外箱电阻 l 0 8 l 0 1 0 9 4 . 0 0 x 1 0 8 5 2 货架表面电阻绝缘体( 普通油漆) 手推车电阻0( 金属) 铝箔包装袋内 表面电阻 l 0 9 l 0 9 1 0 10 4 . 0 0 x l 0 9 5 2 铝箔包装袋外表面 电阻 1 0 9 l 0 9 l 0 7 . 0 0 x 1 0 8 5 2 芯片 制造工艺中的 静电 放电 ( e s d ) 及其防治对策研究 新民品管电阻 1 0 10 1 0 10 1 0 9 7 . 0 0 x1 了5 2 旧民品管电阻 1 0 l i l o l l 1 0 1 4 . 0 0 x 1 0 1 1 5 2 卷带膜电阻 1 0 4 1 0 1 0 4 . 0 0 x1 0 d 卷带电阻 1 0 4 1 0 4 1 0 4 1 0 1 0 胶带电阻 1 0 9 1 0 9 1 0 9 1 0 9 5 2 映衬垫电阻 1 0 6 1 0 6 1 0 6 1 0 6 5 2 新薄膜电阻 1 0 1