静電気放電（ESD）とは？ チップが静電気に弱い理由

静電気放電は、英語でElectrostatic Discharge、略してESD。人や物にたまった電気が、ほかの物にふれたり、ごく近づいたりした瞬間に、一気に流れることです。冬にドアノブで「パチッ」とくるのが、まさに静電気放電です。人にとってはチクッとするだけですが、チップにとっては雷に打たれるようなもの。チップの中でいちばん細い部分は髪の毛の千分の1よりも細く、一気に流れこむ電気で突き破られたり、焼き切れたりします。

静電気はどうやって生まれる？

2つの物がふれて、また離れると、電子の一部が片方からもう片方へ移ります。電子が増えたほうはマイナスに、減ったほうはプラスに帯電します。こすると移る電子が増えるので、摩擦帯電と呼ばれます。カーペットの上を歩く、椅子から立ち上がる、テープをはがす、セーターを脱ぐ。どれも静電気を生みます。

電気を通さない物、たとえばプラスチックや化学繊維の服、ゴム底の靴をはいた人では、電気は逃げ場がなく、そこにとどまります。だから「静」電気です。空気が乾いているほど電気はたまったまま残り、乾いた日にカーペットの上を歩くと、人の体は1万ボルトを超えることもあります。

放電とは？

帯電した物が、電気を通す物、たとえば金属のドアノブにふれると、電気は一気に流れます。これが放電です。電圧は高くても、まばたきよりずっと短い時間で終わり、流れる電気の量も多くないので、人はチクッと感じるだけです。

困るのは、人が感じるのはだいたい2〜3千ボルトからなのに、とても敏感なチップなら数十ボルトで傷つくことがある点です。まったく気づかなかった放電で、もうチップを傷めているかもしれません。

なぜチップは静電気に弱い？

チップの基本の部品はトランジスタ、電気で操作する小さなスイッチです（「トランジスタとは？」）。そのゲートの下には、ゲート酸化膜というとても薄い絶縁膜があり、ふだんはチップが動く程度の小さな電圧を止めていればすみます。放電は一瞬で高い電圧を送りこみ、よくある壊れ方は3つです。

• 絶縁膜が突き破られる：薄い壁に穴があくように、ゲートと下がつながり、スイッチが言うことを聞かなくなります。
• シリコンに焼けた点ができる：電流が小さな場所に集まってシリコンを少し溶かし、リークやショートの道ができます。
• 配線が焼き切れる：多くは前の2つで先に壊れたあと、大きな電流が細い金属の線に流れこみ、線を溶かします。

チップが小さくなるほど中の部品は細くなり、耐えられる量も減ります。

静電気を受けたチップは、その場で壊れる？

いつもではありません。その場で壊れるものは、まったく動かなかったり、どこかのピンがショートしたりしていて、出荷前のテストでたいてい見つかります（「チップはどうテストする？」）。傷を負っただけのものは、動くしテストにも通りますが、絶縁膜に小さな傷が残り、リークが少し増えて、しばらく使ってから壊れます。見てもわからないので、いちばん厄介です。チップが放電に耐えられるかは、信頼性試験でも確かめます（「信頼性試験とは？」）。

チップは自分を守っている？

守っています。ピンの1本1本の横に保護回路がつくってあり、ふだんは何もしません。ピンに突然高い電圧が来ると道を開き、電気を電源線かグラウンド線へ流して、中のトランジスタを迂回させます。川の横の放水路のようなものです。

ただし、いくらでも大きくはできません。大きくすると、ピンを通る速い信号が遅くなります。だから保護回路は最後の守りで、静電気はまずチップの外で抑える必要があります。

工場ではどう静電気を防ぐ？ 順番に

チップにふれる場所、たとえば後工程工場の組立ラインやテストエリアは、静電気対策エリアにします。考え方は、電気を生まない、生まれたらゆっくり逃がす、逃がせないものは打ち消す、最後にチップを包んでから持ち出す、です。

ステップ1：まず人を接地する（リストストラップ、マット、床、靴）

• 何をする：手首にリストストラップを巻き、コードで作業台の接地点につなぎます。作業台のマット、床、靴も、電気をゆっくり通すものにします。
• なぜ：人は動くたびに帯電します。接地していれば、生まれた電気はすぐ流れていきます。コードには大きな抵抗が入っていて、電気をゆっくり流し、電気が来ている物にふれても人がけがをしないようにしています。
• しないと：手を伸ばして取った瞬間、体の電気が指先からチップのピンへ飛びます。

ステップ2：帯電防止作業服を着る

• 何をする：自分の服の上に、電気をためにくく、ゆっくり逃がす上着をはおり、前をきちんと閉めます。
• なぜ：セーターや化学繊維の服は動くだけで帯電し、リストストラップでは服の電気までは逃がせません。覆ってしまえば、その電気がチップのそばに来ません。
• しないと：袖が作業台をこすっただけで、服の電気がチップに近づきます。

ステップ3：帯電しやすい物を置かず、チップにふれる物は電気を通すものに

• 何をする：プラスチックのコップやテープなど電気を通さない物は、チップのそばに置きません。チップにふれる道具、トレイ、装置は、電気をゆっくり通す材料にして接地します。
• なぜ：電気を通さない物は、接地しても電気が抜けません。そしてチップも、装置の中で持ち上げられたり置かれたりするうちに、自分で帯電します。
• しないと：帯電したチップが金属にふれた瞬間、チップ自身から電気が飛び出し、同じように傷つきます。

ステップ4：逃がせない電気は、イオナイザで打ち消す

• 何をする：作業台や装置の中にイオナイザ（除電器）を置き、プラスとマイナスの電気を帯びた空気の分子を吹き出します。
• なぜ：プラスチックやガラスは接地できません。電気を帯びた空気の分子は、反対の電気を持つ場所に引き寄せられ、電気を打ち消します。
• しないと：電気はずっと残ります。イオナイザも定期的な点検が必要で、プラスとマイナスのバランスがずれると、かえって物を帯電させてしまいます。

ステップ5：空気を乾かしすぎない

• 何をする：空調で湿度を管理し、下がりすぎないようにします。
• なぜ：空気が少し湿っていると、電気は逃げやすくなります。乾いているほど、同じ動きで生まれる電気が増えます。
• しないと：乾燥する季節は、静電気のトラブルがずっと増えます。ただ、湿りすぎもよくありません。チップのプラスチックのパッケージは水分を吸うのが苦手です。

ステップ6：帯電防止のトレイと袋に入れてから持ち出す

• 何をする：チップを帯電防止のトレイやチューブに入れ、内側に薄い金属の層がある帯電防止袋に入れます。袋にはよく、三角形の中に斜線で消された手のマークがあります。「静電気に弱いので、対策なしでさわらないで」という意味です。
• なぜ：金属の層がかごのように働き、外からの放電は表面を回って中に入れません。袋の内側も、こすれて帯電しにくくつくってあります。
• しないと：ふつうのポリ袋はこすれるだけで帯電するので、チップを静電気を生む物で包むのと同じです。湿気に弱いチップは、さらに防湿袋に封をします（「チップはどうやって出荷される？」）。

ウェーハをつくる工場でも防ぐ？

防ぎます。ただ、いちばん心配なものが少しちがいます。

• ウェーハ：まだつくっている途中のウェーハでは、放電で壊れることより、帯電して空気中のパーティクルを引き寄せることのほうが心配です。
• フォトマスク：フォトマスクの金属パターンは島のように離れていて、接地できません。帯電すると、すぐ近くの2つのあいだで放電して、細いパターンが傷みます（「半導体工場のマスクエンジニアは何をしている？」）。
• 装置：放電の電気的なノイズで、装置が止まってしまうことがあります。

エッチング装置は、わざと静電気でウェーハを吸着しているのでは？

そのとおりです。エッチング装置のチャンバーの中は真空に近いので、気圧で吸いつけるチャックは使えません。そこで静電チャック（ESC）を使い、静電気でウェーハを平らに吸着します（「プラズマとは？」）。

静電気には2つの顔があります。電気がとどまっていると物を引きつけます。下敷きで髪の毛をこすると、髪が持ち上がるのがそれです。電気が一気に流れるのが放電です。チャックはわざと前のほうを使っています。工場が防ぎたいのは後のほう、だれにも制御されずに、チップを一気に突き抜けるあの一瞬です。

fab24hrでは

「出勤」を押して「工場の一日」を選び、「今日のあなたは」のカードで「後工程工場」を押し、左右にスワイプしてテストエンジニアか組立プロセスエンジニアにします。カードの人物は、太ももまである帯電防止作業服を着て、薄い手袋をしています。組立のほうは髪を覆うキャップもかぶっています。後工程工場に入ると、オフィスではあなたもこの作業服を着ていて、クリーンルームに入ると防塵服に着替えます。

静電チャックも見られます。量産工場のエッチング装置エンジニアになると、朝シフトでチャンバーを開け、古いチャックを交換します。ホーム画面の「学習」にあるエッチングチャンバーは、押すと分解され、ウェーハの下にあるチャックが見えます。

ゲームの工場と人物は架空で、静電気をテーマにしたストーリーもありません。静電気放電とは何か、工場でどう防ぐかは、公開されている一般的な資料をもとに書いています。ほかの用語は「半導体工場の業界用語を、やさしく解説」へ。