静电消散类钻碳涂层ESD-DLC产业应用与优势
前言:半导体产业制程优化挑战
由于半导体组件微小化和高密集化，因此在材料或是制程方面仍有许多需要探讨的议题。其中封装制程载盘上的组件由于静电放电(electrostatic discharge)造成的损坏[1](如图一所示)导致良率降低是备受重视的课题之一。传统的改善方案是对工件做硬阳处理，或者工件选用静电消散材料(如:铁氟龙、电木材料等等…)。上述方案在高温封装制程中，因为材料不耐高温导致使用寿命减少、机械性质变差甚至丧失静电消散(Electro-static Dissipative, ESD)功能。为了在高温封装制程中能够耐高温(至少300℃以上)、耐腐蚀、维持可调控之静电消散能力(104~11ohm/sq)且具有相当程度的机械性质，现已有具备上述条件之类钻碳(Diamond-like Carbon, DLC)涂层与其制程技术，可以解决现今半导体产业所面临之瓶颈。
图一、静电放电导致电子组件损坏之SEM图[1]
制程技术与涂层开发:物理气相沉积与静电消散类钻碳涂层
上述之ESD-DLC制程可以物理气相沉积系统制备。物理气相沉积(Physical vapor deposition，PVD)原理主要是藉由物理方式来加热或激发目标(Target)材料来沉积涂层的技术，大多应用在切削工具与模具的表面处理。PVD应用范围广泛，由于制程可于常温下进行，大部分涂层都可以透过PVD来制备。PVD的主要技术有:
1.蒸镀(Evaporative)：使材料加热到汽化升华为气态使其附着在基材
2.溅镀(Sputter)：使材料被高能离子撞击离开材料形成气体使其附着在基材
3.离子镀(Ion plating)：使材料被电弧撞击瞬间产生高温气体使其附着在基材
不同的PVD技术的制程参数与涂层性质会有所差异[2](如表一所示)，可根据欲开发之涂层材料选择适当的PVD技术，达到涂层性质优化。
表一、物理气相沉积技术与薄膜特性参数[2]
根据ANSI/ESD S541的标准[3]，当材料电阻低于104 Ω/sq具有导电性(conductive)，介于104~1011 Ω/sq具有消散性(dissipative)，高于1011 Ω/sq具有绝缘性(insulative)。类钻碳涂层(DLC)在氢含量低于5%且不掺杂金属元素的条件下，不同sp3键结百分比(x)可分成非晶碳(a-C, x < 50%)与四面体非晶碳(ta-C, x > 50%)[4]。研究文献指出，a-C的电阻范围约104~106 Ω/sq[5]，ta-C的电阻范围约1012 Ω/sq以上[6]，由此发现DLC涂层的片电阻会受到sp3键结百分比所影响。除了控制ESD-DLC涂层的sp3百分比之外，也可能以掺杂(doped)氢气(H)、金属元素钛(Ti)、铬(Cr)或非金属元素硼(B)、硅(Si)来调控电阻值，同时可根据工件材料种类优化ESD-DLC涂层的机械性质、附着性与耐蚀性。
图二、ESD-DLC可调控电阻与掺杂元素之示意图[3-6]
传统工艺与涂层比较:硬阳处理与ESD-DLC差异性
业界的静电消散工艺主要以硬阳处理、喷涂铁氟龙的金属载盘为主，其次则使用聚合物(如表二所示)。硬阳处理的原理是将金属工件接上阳极，放置于常温电解液中，在阳极施加一电流使电解液解离成氢氧根离子在工件表面产生氧化层[6]。当硬阳处理所产生的静电消散层虽然能达到较高的厚度，当工件的几何形状越复杂，会有越多死角导致电流无法均匀流过工件表面，造成工件表面氧化层厚薄不一致，导致电阻值不均，甚至会产生较大的尺寸公差。
随着高温环境温度下工作时间越长，硬阳处理的静电消散层会由于上述原因逐渐不稳定，同时也会降低其耐蚀性与机械强度，在高温制程时静电放电产生机率提高，导致产线良率降低。ESD-DLC涂层之sp3结构赋予它钻石般的机械强度与化学稳定性[7]等，使得ESD-DLC在高温(>300℃)环境和长时间制程时也能维持其良好的强度静电消散功能，制程也能透过公自转的方式维持涂层的均匀性，突破传统半导体高温静电防护技术难关，以降低成本、提高良率与制程技术独特性，展现出ESD-DLC之优异性能。
因应国际环保意识提升，国际大厂纷纷要求供应链符合绿色制程，以物理气相沉积法（Physical vapor deposition，PVD）为基础的ESD-DLC真空镀膜技术，可应用于LED载盘、晶圆及IC封装载盘等高价值产品，对比传统硬阳处理及铁氟龙喷涂制程，具有高良率、低污染、高附着力、可循环及低温制程等特性。
表二、传统静电消散材料与ESD-DLC性质比较表
参考文献
[1]http://www.ics.ee.nctu.edu.tw/~mdker/Local%20Conference%20Papers/2004%20TESD_pp58-63.pdf
[3] http://www.pbi-am.com/tw/properties/anti-static-conductivity
[4] https://doi.org/10.3390/app11104445
[5] https://doi.org/10.1016/j.carbon.2014.04.049
[6] https://doi.org/10.1063/1.117519
[7] https://www.tepla.com.tw/hard-anodizing-for-al.htm
[8] https://www.trusval.com.tw/big5/news_page_62_0