半导体厂务防静电系统与设备接地联合调试课程 - 第1节

1.1 静电产生机理

静电的本质是物体表面电荷的累积。当两种不同材料接触再分离时，电子从一个表面转移到另一个表面，失去电子的材料带正电，得到电子的材料带负电。在半导体厂务环境中，静电的产生主要源于以下三种机制：

• 接触-分离起电：最常见的方式。人员走动、设备移动、物料搬运等动作都会导致材料接触与分离，产生静电。
• 摩擦起电：两种材料相互摩擦，接触面积增大，分离速度加快，电荷转移量显著增加。
• 感应起电：带电物体靠近导体时，导体内部电荷重新分布，形成感应电荷。若导体接地不良，感应电荷无法泄放，形成静电积累。

静电序列与材料选择

不同材料在静电序列中的位置决定了其带电极性。下表列出了半导体厂务中常见材料的静电序列位置及带电倾向：

1.2 静电放电模型

静电放电（ESD）是累积电荷通过某种路径瞬间释放的过程。在半导体厂务中，三种标准放电模型被广泛用于评估静电风险：

1.2.1 人体模型（HBM）

人体模型模拟带电人体接触器件时产生的放电过程。人体电容典型值为 100pF，放电电阻为 1.5kΩ。HBM 是半导体器件 ESD 敏感度分级的基础标准。

1.2.2 机器模型（MM）

机器模型模拟自动化设备（如机械臂、测试机）对器件放电的过程。机器电容典型值为 200pF，放电电阻接近 0Ω，放电电流峰值远高于 HBM，破坏性更强。

• 放电特性：上升时间 < 5ns，峰值电流可达 10A~30A。
• 厂务关注点：设备接地阻抗必须 ≤ 1Ω，确保放电能量快速泄放。
• 防护策略：设备金属外壳直接接地，避免浮空导体存在。

1.2.3 器件模型（CDM）

器件模型模拟器件自身带电后对地放电的过程。器件在自动化生产过程中因摩擦或感应起电，当引脚接触低阻抗路径时发生快速放电。

1.3 静电对半导体器件的危害

静电放电对半导体器件的危害可分为 突发性失效 和 潜在性损伤 两类。在半导体厂务环境中，ESD 危害直接影响良率和可靠性。

1.3.1 突发性失效

• 介质击穿：栅氧化层在高压下发生不可逆击穿，导致器件短路或开路。
• 热二次击穿：大电流导致局部温度急剧升高，PN 结熔化或金属化短路。
• 金属熔融：铝或铜互连线因电流密度过大而熔断，形成开路。

1.3.2 潜在性损伤

• 栅氧化层退化：多次低能量 ESD 事件导致氧化层陷阱增加，阈值电压漂移。
• 界面态增加：Si-SiO₂ 界面损伤，导致载流子迁移率下降，器件性能劣化。
• 漏电流增大：PN 结微损伤导致反向漏电流增加，影响低功耗设计。

1.3.3 危害等级与防护要求