隨著半導體技術演進至次 10 nm 節點，以及高頻寬記憶體（HBM）等 3D 架構，即使是極小的靜電電位，也可能導致關鍵元件失效。相較於 AC 系統，DC 離子化在保護微凸塊（micro-bumps）、TSV 等先進封裝結構方面展現出更高的有效性。隨著製程微縮與封裝複雜度持續提升，於濕式清洗與乾燥製程中進行 ESD 控制已成為關鍵課題。這些製程雖為表面前處理所必需，卻常因流體剪切、摩擦起電或電容耦合效應而誘發靜電荷。對於具備超薄介電層與高密度互連結構的元件而言，其 ESD 敏感度極高，甚至在低於 10 V 的電壓條件下即可能發生失效。
表面充電機制
- 電動力充電（Electrokinetic Charging）：去離子水於旋轉過程中產生離子分離，可能在晶圓表面形成數百伏特的電位。
- 摩擦起電（Triboelectric Charging）：濕式製程中與高分子材料（如 PTFE、PFA）接觸，在低濕度環境下可誘發高達 ±15 kV 的電位。
- 電容耦合效應（Capacitive Coupling）：於旋轉乾燥階段，鄰近帶電表面可能形成局部電位梯度。
| 事件 | 觀測電壓 | 易受損結構 |
|---|---|---|
| 旋轉乾燥加速 | 300–5,000 V | 次 2 nm 閘極氧化層（>30 V 即可能失效） |
| 高壓噴洗 | 500–10,000 V | TSV、微凸塊（<100 V） |
| CDM 放電 | 30–100 V | HBM 堆疊、細間距互連結構 |
| 低於 10 V 的 ESD 事件 | <10 V | 先進節點、超薄介電層、TSV、微凸塊 |
抑制與控制策略
- 接地與材料控制：所有設備完整接地（<1 Ω），並採用具靜電耗散特性的材料。
- 化學品策略：使用具離子性的沖洗化學品（如 NH4OH）以中和表面電荷。
- 離子化控制：於製程區域上方 20–40 公分處配置離子化設備，並維持 ±5 V 的離子平衡。
- 監控機制：使用 Charge Plate Monitor 進行即時監測，設定 ±50 V 警戒值，並透過 SEM／AFM 進行結構檢查。
HBM 製程中的 DC 離子化應用
HBM 結構（如 TSV 與微凸塊）對 ESD 極為敏感。DC 離子化技術具備以下優勢：
- 精準的離子平衡控制（±1–5 V）
- 低電磁干擾，電場穩定（無 AC 極性交替）
- 可於研磨、鍵合與測試等製程階段提供連續防護
| 項目 | AC 離子化 | DC 離子化 |
|---|---|---|
| 離子平衡 | ±10–50 V | ±1–5 V |
| 電磁干擾風險 | 高 | 低 |
| 中和速度 | 約 2–5 秒 | <1 秒 |
| 輸出機制 | 單一發射極 | 雙發射極，連續輸出 |
| 電場穩定性 | 波動 | 穩定 |
在先進節點的濕式製程中，ESD 已成為日益嚴重的風險來源。透過 DC 離子化技術，搭配完善的接地設計、材料優化與即時監控機制，已被證實為保護次 10 nm 結構的關鍵策略。隨著先進晶圓廠逐步導入相關實務，ESD 韌性已成為製程成功與產品可靠度不可或缺的一環。
