晶圓清洗過程中靜電電壓超標原因與改進

伏國秀，劉定斌，喬友學

（天水華天科技有限公司，甘肅 天水，741000）

1 引言

封裝過程晶圓劃片后，晶粒表面及劃道內(nèi)存在大量硅渣，需進行清洗，通常200mm及以下晶圓用獨立的專用清洗機清洗，其過程是：將貼有晶圓的膠膜放置在清洗機吸盤上抽真空，晶圓吸附于吸盤上并旋轉，過程使用高壓去離子水沖洗、再用壓縮空氣吹，之后提高吸盤旋轉速度，利用離心作用，晶圓表面水分會基本脫干，最后取出晶圓。這一過程經(jīng)測試會產(chǎn)生很大的靜電（測試可達-5600V）。目前，EPA內(nèi) A級標準要求生產(chǎn)過程各部位靜電電壓在±100V以內(nèi)[1]，而晶圓清洗過程產(chǎn)生如此大的靜電電壓，將直接威脅產(chǎn)品質(zhì)量。況且，隨著IC線寬逐年減小，CMOS、VMOS等靜電敏感電路增加，解決清洗后晶圓表面靜電電壓嚴重超標的問題已刻不容緩。為此，我們進行了劃片后晶圓清洗過程靜電達標技術改進，取得了很好的效果。下面分析改進過程，希望能跟大家探討。

2 原因分析及改進方案

2.1 原因分析

清洗過程是在一個有進氣、排氣通道的箱體內(nèi)進行的，由于清洗過程中箱體門無法打開，因此，靜電測試是在清洗完成、箱體門自動打開后進行的，而靜電超標現(xiàn)象從這時已經(jīng)出現(xiàn)，直到操作人員從吸盤上取出晶圓放到提籃內(nèi)整個過程都存在。為了有效解決此問題，我們根據(jù)靜電產(chǎn)生機理（摩擦、分離、感應、傳導等）、影響產(chǎn)生靜電大小的因素（分離速度、接觸面積等）[2]結合晶圓清洗過程以及以往工作經(jīng)驗分析，得出可能的原因為：

（1）清洗過程中晶圓高速旋轉，以及清洗過程高壓氣體在機箱內(nèi)形成渦流摩擦產(chǎn)生靜電并超標；

（2）清洗機自身結構不合理，造成靜電超標；

（3）取出晶圓時膠膜與吸盤剝離產(chǎn)生靜電并超標；

（4）操作人員取出晶圓時人體靜電感應到晶圓上并超標；

（5）膠膜原因，膠膜是造成靜電超標非常重要的因素，目前通用膠膜為非防靜電材質(zhì)，本次改進就是在此現(xiàn)狀下解決靜電超標問題，因此將不以更換膠膜作為改進方案。

2.2 改進方案

依據(jù)靜電防護法則，首先抑制靜電產(chǎn)生；其次在靜電產(chǎn)生不可避免的情況下采取接地釋放措施；最后在以上兩途徑都不能有效解決的條件下，采取中和、屏蔽措施[3]，結合上述原因分析，我們提出如下對應的改進方案：

（1）改進晶圓清洗過程氣體產(chǎn)生渦流摩擦的現(xiàn)狀；

（2）改進目前清洗機清洗部位結構；

（3）減小在取出晶圓時膠膜與吸盤摩擦產(chǎn)生的靜電；

（4）減小操作人員人體靜電。

3 驗證與分析

3.1 驗證實施

因晶圓表面鈍化材質(zhì)不同，感應靜電的敏感程度有所不同[3]。為了使驗證結果能充分適用于各類表面材質(zhì)的晶圓，使其表面靜電達到標準要求，我們選取了常用的4種不同表面材質(zhì)（二氧化硅、氮化硅、聚酰亞胺、無表面鈍化材質(zhì)）、不同直徑（100mm、127mm、150mm、200mm）的16種晶圓，將清洗過程分兩個階段，第一階段晶圓在吸盤上，采用A、B方案；第二階段拿取晶圓過程，采用C、D方案，對改進方案進行逐項驗證，如表1。

3.2 驗證結果分析

第一階段A方案說明，打開清洗機前門能夠降低靜電電壓，但是考慮到生產(chǎn)過程安全等問題，因此不可取； B方案說明關閉剝離膠膜用反沖氣能夠降低靜電電壓至合格范圍，是減小靜電電壓的有效方案。其原因是清洗機結構不合理，清洗結束后，吸附在吸盤上的膠膜在高壓反沖氣反沖作用下快速與吸盤分離，在分離過程中，膠膜上產(chǎn)生很大的靜電（在驗證的16種晶圓中，測試最大靜電達5.6kV），晶圓表面感應產(chǎn)生了靜電。根據(jù)此結果，B方案是可取的，但考慮到關閉反沖氣的情況下，膠膜與吸盤分離較慢，分析可能會出現(xiàn)吸盤與膠膜未完全分離時，操作人員拿取晶圓造成晶粒擠壓損傷（崩晶）。因此需對此現(xiàn)象進行再驗證，具體見表2第1、2項。

第二階段在采取了C、D方案后，雖然有所減小，但仍存在靜電電壓超標現(xiàn)象。經(jīng)綜合分析，我們認為只能采用靜電中和及操作人員帶防靜電腕帶的方法來綜合解決，而且這一過程必須邊取晶圓邊用離子風吹。從實際情況看，選用手持式可移動離子風槍即可滿足消除拿取晶圓過程及取出后這一動態(tài)過程中晶圓表面的靜電，這與表2中第3項再驗證的結果一致。

根據(jù)驗證結果分析，我們討論制定了改進措施，提出了第二次驗證方案并組織實施，第二次驗證方案和實施效果詳見表2。

3.3 第二次驗證效果分析與跟蹤

第二次驗證表明：只有完全關掉反沖氣，操作人員佩戴防靜電腕帶，使用移動式離子風槍，風槍氣壓調(diào)至恰當?shù)姆秶?，取出晶圓時邊取邊風淋，取出后晶圓正面、膠膜反面均進行離子風淋數(shù)秒時間，并且這一過程風槍與晶圓保持一定距離的情況下，晶圓清洗過程靜電電壓可達標。

鑒于目前使用的膠膜及加工的晶圓類型多、直徑不同（產(chǎn)生的靜電大小不同）、劃片后晶粒大小不同（晶粒大時可能在取片過程中造成晶粒邊角崩裂等損傷，俗稱崩單晶），因此將不同生產(chǎn)廠家、多個型號的清洗機均采用此驗證方案加工產(chǎn)品，經(jīng)過長期的跟蹤檢驗、測試，晶圓表面靜電電壓值均在合格范圍，且未發(fā)現(xiàn)有晶粒損傷現(xiàn)象。

表1 實施方案驗證與結果

表2 第二次驗證方案及效果

4 結論

劃片后晶圓清洗過程關閉清洗機剝離膠膜用反沖氣，操作人員佩戴防靜電腕帶，在取出晶圓過程中采用手持式可移動離子風槍對晶圓進行風淋（這一過程須遵循工藝條件：風槍氣壓調(diào)至恰當?shù)姆秶?，晶圓取出時邊取邊風淋，取出后晶圓正面、膠膜反面均進行離子風淋數(shù)秒時間，風槍與晶圓始終保持一定距離），能夠解決長期存在的晶圓劃片后清洗過程中其表面靜電電壓嚴重超標的問題，可有效降低靜電對產(chǎn)品的威脅，提高封裝過程中的靜電防護能力。

[1] GJB 3007A-2009，防靜電工作區(qū)技術要求[S]. 中國軍事標準，2009.

[2] 楊志丹，張治杰. 電子產(chǎn)品中靜電防護問題研究[J].電子測試，2011，3.

[3] 孫可平. 電子工業(yè)靜電放電（ESD）防護與控制技術[M]. 大連：大連海事大學出版社，2007.

[4] SJ/T 10694-2006，電子產(chǎn)品制造與應用系統(tǒng)防靜電檢測通用規(guī)范[S]. 電子行業(yè)標準，2006.