洁净室的ESD问题

洁净室的ESD问题（1）

自从洁净室的静电放电（ESD）问题被提出后，微电子产品生产行业和生物医药制造行业，ESD标准和控制受到广泛的关注。

背景

洁净室是一个超级洁净的环境，它不但要控制通风、过滤、温度、湿度、气压以及离子化等，还要同时对环境内的材料和其他参数进行控制。洁净室的洁净度决定于空气中的悬浮微粒数量，微粒的首要计量单位是微米，即10-6米，大致相当于0.000039英寸。

洁净室级别划分最为通行使用的方法来自ISO14644标准。该标准以每立方米空气中0.1微米的微粒来划分洁净室级别，它取代了过去的美国国家标准209-1992（详见表1），而后者是以每立方英尺空气中0.5微米的微粒数来划分洁净级别的。按照这两个标准规定，209标准中的100级洁净室中每立方英尺空气中大于等于的0.5微粒数不能超过100个，此级别相当于ISO14644标准中的5级洁净室。后者的含义是每立方米空气中大于等于0.5微米的微粒数不超过3520个。

控制静电荷产生在洁净室是非常必要的。静电可能影响生产，也可能使自动化设备受到电磁干扰而失灵，静电产生的静电引力（ESA）还会减少表面的粒子粘附数量。静电荷与产品和工具表面污染密切相关，这一点让ESA越来越受到重视。例如，一个4英寸的晶片带1000V的静电后，对一个直径1微米的粒子的静电引力强度高达830000磅力/平方英寸。可以看出，带电体的静电引力要比重力、气流力和粘着力相比要高得多。

广泛使用的绝缘材料，如玻璃、特氟纶（聚四氟乙烯）和高分子聚合物会产生高电位的静电。解决此问题首先考虑工作站接地，如使用不锈钢工作台台面取代使用静电耗散材料的工作台面。但从安全的角度和静电敏感器件的防护角度看，这样做是有害的。

洁净室的划分见表2。美国法律规定，209E标准可以为国际新的标准所取代，因此它将逐步为ISO14644所淘汰。

ISO8级

ISO8级的洁净室是每立方米大于等于0.5微米的微粒数量少于3,520,000个，相当于Fed Std. 209E的100000级。

10000级（ISO8级）对于抗静电材料中铵基抗静电剂和炭粉的使用没有特别的限制。真空吸塑容器、普通服装、足跟接地式鞋是可以经常看见在此级别的洁净室出现。100000级洁净室算不上严格控制的洁净环境，防尘面罩和手套没有配备的要求。进入ISO8级洁净室的物品没有进行洁净和袋装处理的要求。

ISO 7级(Fed Std. 10,000级)

ISO7级的洁净室是每立方米大于等于0.5微米的微粒数量少于352,000个，相当于Fed Std. 209E的10000级。此级别的洁净室不要求佩戴口罩，但要求穿着抗静电的净化服、靴和头套，并佩戴橡胶手套，允许使用抗静电产品和混炭粉材料。Extensive use of ionization is concentrated in specific areas.特别区域需要使用离子风机应当予以集中。车间内足跟接地带和靴可以接受，同样耦合洁净室用品也可以接受。抗静电聚乙烯泡沫有时也在抗静电周转容器中一同使用。

ISO6级(Fed Std. 1,000级)

ISO6级的洁净室是每立方米大于等于0.5微米的微粒数量少于35,200个，相当于Fed Std. 209E的1,000级。

此级别的洁净室必须身着带有防静电靴的洁净服，防静电靴有接地结构或通过足跟、辅助

接地带实现接地。车间需要时可以使用静电耗散材料的套服。除非经过粒子计数器、除气和化学兼容性等系列测试，填炭的材料的物品不可以在此级别的洁净室中使用。进入此级别的洁净室的物品必须先在同级别的洁净室中进行清洗，并使用双层包装。必须配戴手套、口罩。服装使用一次，必须经过清洗才能再次进入ISO 6级洁净室。新的或经过清洗后的服装在进入更衣室前，必须用袋子封装。经过测试不会产生污染的抗静电用品方能够使用。可以使用离子静电消除器减少粒子吸附，和减少ESD损伤。

ISO 5 级(Fed Std. 100级)

ISO5级的洁净室是每立方米大于等于0.5微米的微粒数量少于3,520个，相当于Fed Std. 209E的100级。

ISO 5级洁净室中，建议使用广泛使用离子静电消除器消除静电；洁净室中人员须穿戴无尘服，无尘服覆盖其身体、头部、面部、手和眼睛。在工作站和生产场地，所有添置的离子设备能够被观察到。在洁净室内尽可能不使用可能产生污染的混炭物质和含有铵基的抗静电剂。由于具有不依赖吸湿和非极性溶剂中清洗不丧失防静电特性的优点，固有导电性的聚合物在洁净室中广泛使用。物品必须先进行清洗，并使用双层包装，通过风淋室进入ISO 5级洁净室。手套覆盖手臂，无裸露皮肤。使用氨基抗静电剂的材料中的氨基物可能污染器件表面，除非不含有此类抗静电剂，否则限制使用乙烯基的抗静电台垫。不能够使用非净化的普通纸张和笔。厂家需要设有一名或多名专职净化控制工程师，处理ESD问题和净化问题。体积过大不能用双层包装袋包装的设备必须使用70%非极性清洁剂擦拭或用去离子水清洗后才能进入洁净室。

ISO 4 级(Fed Std. 10级)

ISO4级的洁净室是每立方米大于等于0.5微米的微粒数量少于352个，相当于Fed Std. 209E的10级。在ISO 4 级洁净室中必须穿戴带有空气微循环装置的邦尼服（无尘服）。所有工作站和生产制造中心的工作标准中必须配置离子化设备内容。厂家必须配备多名专职净化控制和ESD控制工程师。物料必须经过70%非极性清洗剂或去离子水清洗后才可进入工作场地。ISO 5级的操作要求在ISO 4 级中也必须执行。. ISO 4 级中的用品的ESD要求和无污染要求更加严格。

ISO 3级(Fed Std. 1级)

ISO3级的洁净室是每立方米大于等于0.5微米的微粒数量少于35个，相当于Fed Std. 209E 的1级。

人员不直接在ISO3级的洁净室工作。在ISO3级的洁净室中使用低粒子产生的特殊离子化设备或放射型等新型离子化设备消除静电。新型的离子化设备主要解决ESA问题，它不能产生污染，并且配备实时粒子计数器监测设备运行状况。

标准的离子化设备由于电极变化在这个最高净化级别的环境中会造成污染。α粒子或X射线式的离子化设备经过严格的质量审核后方可使用。一般设备容易产生微粒，因此须注意减少或消除这些可能的污染源。如果有静电场的问题话，厂家必须配备一名或多名专职净化控制工程师和一名ESD控制工程师。

物料必须经过70%非极性清洗剂或蒸馏水清洗后才可进入工作场地。采购部门在制定采购订单时必须保证供应商在净化和ESD方面与自己的产品保持一致。

ESD和ESA控制工具

洁净室的分级以及ESD和ESA问题，不但是净化控制的问题，更重要的是静电相关的问题。ESD控制的测量最早用于国防、电子组装线、半导体、晶片生产和硬盘驱动制造等行业。在ESA控制领域，光纤、医药、晶片制造和硬盘驱动公司都已逐步建立了洁净室ESA 控制体系。在这些行业无论是静电还是ESD（静电放电）的控制室都是至关重要的。虽然，取决于敏感组件和磁头的静电敏感程度，ESD受到广泛的关注，但是在晶片制造行

业，由于净化控制的成为首要问题，ESA比ESD得到更多的重视。

不断进步的ESD标准和拥有静电控制技术的ESD/ESA测量仪器提供了测量材料、设备、人体和其他ESD、ESA场的工具。

洁净室中ESD控制的测量

我们现在讨论在ESD标准中和工业评估ESD控制物品实际操作。以下是常见的物品和材料：

1. 地板

2. 工作站

3. 传输工具

4. 货架

5. 树脂玻璃或聚碳酸酯光栅Plexiglas or Polycarbonate Enclosures

6. 货车

7. 椅子

8. 工衣

9. 离子静电消除器

10. ESD监控仪

11. ESD 材料：

1) 塑料袋

2) 真空托盘

3) 手套

4) 真空泵

5) 静电屏蔽袋

7) 胶片

8) 真空吸管

9) 晶片盒

洁净室中的ESD问题（2）

表面阻值和相对湿度

按照ANSI/ESD S541-2003标准（ESD包装及材料标准），表面阻值率大于1011欧姆的材料属于绝缘材料。绝缘材料由于不导电，附带的静电荷可能在材料表面保持几秒钟或者更长的时间。表面阻值的降低或升高往往与相对湿度有关。材料1011欧姆阻值时的相对湿度是该材料保持静电耗散特性的临界点。用于包装静电敏感器件的材料需要有较低临界点，因为在操作或运输的过程中有可能出现干燥的空气环境。在没有静电屏蔽包装的情况下，没有泄放到大地的摩擦静电荷（由于表面摩擦所产生）可能让器件遭受静电场感应损伤。

表３是不同相对湿度情况下产生静电的比较。在ＡＮＳＩ／ＥＳＤＳ２０．２０标准中，建议环境湿度控制３０—７０％范围。相对湿度低于３０％时，物体很容易产生静电。按照ＥＳＤＡ（美国静电放电协会）有关表面电阻的标准(ANSI/ESD S TM11.11-2001)，平面材料测量表面电阻前，须在相对湿度12% +/-3%，温度730F +/-50F（译者：原文如此）环境下预处理４８小时。可以看出，吸湿性的ＥＳＤ材料的表面电阻与相对湿度存在必然的联系。防潮袋（ＭＢＢ）在干燥环境下（低相对湿度）仍然能够保持良好的静电耗散特性，因此被认为是有非常好的防静电特性。

使用干燥空气或氮气并装入干燥剂，去除ＭＢＢ中的湿气后，袋中的相对湿度可以达到４％以下。在于处理４８—７２小时后，取出袋中的承载物，袋子的表面电阻测量结果可以评估该材料能否保持抗静电特性。图１是ＡＮＳＩ／ＥＳＤＳＴＭ１１．１１－２００１的测量方法示意，图２是不同材料的测试结果的例子。

ANSI/ESD STM11.11-2001标准可以用于评估晶片盒、晶片隔板、输送带、净化纸、胶片、树脂玻璃、聚碳酸酯壳、阻隔袋/屏蔽袋、洁净泡棉、聚酯盒以及其他物品的防静电特性。

ANSI/E SD ST M11.13-2004 ——小物体的测量

限于篇幅，本文不能介绍所有表面电阻的方法。这里重点介绍一下针对规格大小不能使用ANSI/ESD STM11.11-2001标准中的环状电极进行测量的洁净室材料的表面电阻测量，这就是ANSI/ESD STM11.13-2004标准(测试方法标准)。图3是防静电真空吸笔和吸盘的检测示意图。该高分子聚合物在使用较长时间后会老化，吸盘的其表面电阻增加会变为绝缘材料。

热成型或真空成型的托盘在洁净室中非常常见，而其中许多盘的结构复杂。用于测量平面材料的环形电极无法测量诸如抽屉型的吸塑盘，因此，ANSI/ESD STM11.13-2004对于手套、托盘、真空吸盘、晶片盒、胶片和其他的小结构聚合物的测量提供了有利的支持。

表4是一个典型的检测结果，可以看出该托盘的检测结果是可靠的。

ANSI/ESD S7.1-2005是有关地面检测的。

ANSI/ESD S7.1-2005是非常好的地面评估方法，从点对点电阻和对地电阻（R TG）两个方面检测地面的防静电性能。导电型（永久性防静电）地板设计的电阻不超过106Ω，而一般的测量方法针对的是点对点电阻在106~109Ω的地板。一块可以防止摩擦静电的地板，在遇到人体穿着绝缘鞋的时候，其静电泄放能力可能就不够了。图4、图5分别是地面对对点和工作台面到接地点的阻值测量示意图。

工作站人员安全考虑——ANSI/E SD ST M4.1-1997：承载电流能力

4—21mA的交流电可以使人体反射；21—40Ma可使肌肉痉挛；40—100mA可导致呼吸困难。工作站的电阻小于106Ω时，从带电器件放电模型（CDM）和交流电安全角度看，其导电性过强。所以，所有的不锈钢推车、工作台、工作架的表面都应该铺垫洁净室专用的静电耗散台垫。

按照《DOD手册-263》155、156页中所有ESD的描述，阻值靠近高值端的抗静电材料静电泄放可能太慢，阻值靠近导电端的抗静电材料有放电和安全的风险。导电材料的表面导致ESD敏感器件受损的原因可能是静电的快速放电和静电对地泄放过快。工作台的表面电阻控制在106~109Ω，同时连接一个1MΩ的电阻接地，可确保安全。图5是对地电阻（R TG）测量的示意图；图6是ANSI/ESD S7.1-2005点对点电阻检测方法草案。

洁净室的ESD问题（3）

隐性静电

这些看不见的电荷有一定的能量。隐性电荷很难用静电场测量仪测量出来，它容易在中间带有导电层结构的包装材料中产生，电荷在绝缘层表面富集，但电压并不表现出来。当导体表面接触到绝缘体表面时，由接触感应带电（CCI）产生的静电可能高达数千伏，并可能导致ESD损坏。

在机器手取放晶片时，用静电场强仪测量邻近的聚酯玻璃窗口的静电场，距离1英寸的场强高达147,000V。

通过聚酯玻璃的晶片都会带电。但当窗口使用半透明的胶片时，晶片上静电吸引的微粒数量最少。

这种测量方法不能用于测量点状的静电源，该情况可以使用一种由计算机控制的非接触式测量仪器来测量场强（图8）。

非接触式的电场测试探头和仪表可以用于带电的硬盘、晶片、吸塑盘和其他物体的静电场测量。图9是粉红色抗静电胶片感光层带电的实际测量结果。

法拉第筒测量：ESDA ADV 11.2——1995

另外一个测量剩余电荷的方法是使用法拉第筒，该方法的测量精度超过1nC/Pf（100V）。这个精确度在半导体行业测量高分子材料足够了。

盘盒即便是在接地的情况下仍然可能带电，图10中的盘盒带电后在离子静电消除器处理后放入法拉第筒中测量的实例。在这个实例中，盘盒充带1000V静电，然后放入法拉第筒后接地，测量结果表明，该盘盒静电的泄放能力为<1nC/Pf。

静电衰减

这测量是测量一个带电体静电衰减到原有电压的10%时的速度。Fed 测量标准101C，4046.1号特别阐述了从+/-5000V衰减到+/-500V静电衰减时间小于2秒钟的测量方法。近来又列入从+/-1000V衰减到+/-100V的测量。这个测量可以表示出材料通过接地泄放静电的能力。但是当物体的形状复杂时测量比较困难，如缠绕的防静电泡棉、真空吸塑和少数尺寸太大不能放入测量仪器的物品。

尽管，在静电环境控制时关联性目标的测量非常有效，按照美国军标263A手册30.5部分附件H，这个测量不能适用于所有的静电现象。Fed 101C标准中的4046.1对此作了修正，使用了大探测板，可以应用硬盘驱动和半导体行业（参见图11）。

图12是洁净室测量手套的照片，1000V/100V静电衰减时间小于2.0S表明合格。在硬盘驱动行业，可能建立的标准要求会更高：1000V/3V静电衰减时间小于2.0S。

ANSI/ESD STM2.1-1997 防静电工衣

按照ANSI/ ESD STM2.1-1997标准―静电敏感器件保护——工衣‖的要求，人体穿着不会富集静电的工衣是非常重要的。以下我们将阐述，按照ANSI/ESD STM11.11-2001标准，预先经过73°F +/-5°，12% RH +/-3% RH预处理48—72小时，测量表面电阻的服装材料的特征。

点对点电阻

ANSI/ESD STM 2.1-1997标准中使用两个净重5磅电极测量布片之间的电阻和袖对袖的电阻，根据ESD STM2.1特别制作的夹子可以用于测量两个袖口之间的电阻，理想的电阻是1.0 x 106~1.0 x 109 Ω。上述的测量须在绝缘板上进行。

另一种非标准的，但在工业实际中应用的检测方法已经为一些机构所推行。这个方法就是，将一个非接触式静电电压表测量探头放进衣服内，用一个带电体靠近已经接地的工衣。衣服内的静电极小，或者没有穿透的静电场。用一个能够产生几千伏的静电枪在工衣外对静电电压表直接放电，在+5,355 V和-7,185V时测量电压。工衣的测量电压为+15 V 和-40 V。

离子化的测量ANSI/ESD STM3.1 -2000

因为极性关系，一个静电带电体靠近离子化设备时，要么会被吸引，要么会被离子中和。当离子与表面的电荷结合时即会发生中和。在实际应用中，将静电降低到几百伏足以消除对尘埃的吸附。然而，对于磁头来讲，几伏的电荷就可以导致严重的损伤后果。一种新型的离子化设备问世，它可以实时监控离子的产生，确保中和电压不超过+/-1.0V，极大降低了磁头遭受损伤的风险。如果离子化设备离子失去平衡，它将会让物体直接带电，或通过感应让其带电。

由空气中的粒子导致的ESA会让粒子因为相反电荷的吸引污染表面。这在医药、硬盘驱动、光感、光纤通讯和国防工业中都是不能接受的。

在电子行业最初采取在工作区使用导静电材料或静电耗散材料接地，同时结合使用ANSI/ESD S541-2003标准中规定的包装来达到ANSI/ESD S20.20-1999标准中的静电防护要求的目的。

而在洁净室，层流空气会产生静电场。设备中的接触分离的动作会让静电敏感组件，在放到导电的工作表面时，产生火花放电或其他形式的放电，从而受损。高级别静电防护区和离子化相结合使用在ISO 2 – 4 级的洁净室中广泛应用。相反，在ISO 5 – 8级洁净室工作站中，使用离子化是为了降低绝缘体上的静电。在评估离子化设备的测量静电衰减和平衡度方面，ANSI/ESD STM3.1-2000标准是很好的一个工具。

将一个6‖ x 6‖ 大小，带20pF电量的平板放到按照九个划分好的位置固定的离子化设备的下面，测量其平衡电压和静电衰减时间。在图13中，带有反馈装置的离子化设备的平衡电压在+/-1.0 V以下。其他的离子化控制系统监测其离子平衡电压，静电衰减时间，湿度和粒子数量。

简而言之，控制静电场和静电现象是非常困难的任务，然而，运用ESD测试方法，掌握ESD材料特征，可以通过产品和材料品质限制，促使ESD/ESA防护计划的改善，同时确保其变为常规的外部审核和内审的内容。高分子聚合物是一种静电生成物，运用最新的ESD包装和材料方面的文件——ANSI/ESD S541-2003，首先要注意的是不仅减少ESA，而且在ISO 1-8级洁净室中控制ESD。

其中一个必要的环节是，对供应商所标明的ESD依据和产品净化指标进行检测，通过详细的正规检验部门的检验报告或第三方的验证让产品质量得到保证。在实际生产当中有许多这方面的实例：ESD产品和净化产品因为在购买时没有正规的质量和洁净室适用范围的技术报告，在被发现不符合要求时，而不得不停用或被取代。