專(zhuān)利名稱(chēng)：硅單晶片的殘余應(yīng)力的測(cè)試方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體硅單晶片的殘余應(yīng)力的測(cè)試方法，尤其是采用電阻應(yīng)變片測(cè)試硅單晶片的殘余應(yīng)力的方法。
背景技術(shù)：
在半導(dǎo)體器件工藝過(guò)程中，硅單晶片是單個(gè)器件或集成電路芯片積聚的生產(chǎn)單元，隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的要求，需要不斷地降低成本、不斷提高生產(chǎn)效率，因而半導(dǎo)體生產(chǎn)單元——娃片的面積則愈來(lái)愈大，直徑從早先國(guó)內(nèi)的1. 5inch(38. 04 mm )、2inch(50. 72 mm )、 3inch (76. 08 mm )硅片發(fā)展到 4inch (100 mm )、5inch (125 mm )、6inch (150 mm )，目前世界先進(jìn)的企業(yè)已達(dá) 8inch (200 mm )、IOinch (250 mm )、12inch (300 mm )。隨著大直徑硅片以及其配套的設(shè)施、設(shè)備、工裝具使用，生產(chǎn)效率成比例地翻番。 然而，由于硅半導(dǎo)體器件制程中都需要進(jìn)行機(jī)械研磨、減薄、拋光等加工以及多道工序的高溫過(guò)程，加之硅片的厚度由不足1毫米加工到100微米至200微米，因此，半導(dǎo)體器件制程中的碎片情況隨著硅片的直徑加大而變的愈來(lái)愈嚴(yán)重。碎片是一種不可逆的加工損耗，嚴(yán)重的碎片將使生產(chǎn)效率大大受損、成本增加。硅片發(fā)生碎片的物理原因是片子內(nèi)部的應(yīng)力太大或超過(guò)臨界。在高溫過(guò)程中因熱脹冷縮、或機(jī)械加工中或在操作中遇到輕微的外力或在靜態(tài)存放情況下環(huán)境溫度略有改變即會(huì)導(dǎo)致碎裂。因此，硅片的殘余應(yīng)力究竟有多少？這就成為大面積硅片加工的工程師們所關(guān)注的問(wèn)題。物體由于外因(受力、溫度變化等)而變形時(shí)，在物體內(nèi)各部分之間會(huì)產(chǎn)生相互作用的內(nèi)力，以抵抗這種外因的作用，并有使物體從變形后的位置回復(fù)到變形前位置的趨勢(shì)。 在所觀察的截面上某一點(diǎn)附近單位面積上的內(nèi)力稱(chēng)為應(yīng)力。垂直于截面的應(yīng)力稱(chēng)之為正應(yīng)力或法向應(yīng)力，平行于截面的應(yīng)力稱(chēng)之為剪應(yīng)力或切向應(yīng)力，在應(yīng)力方向物件尺度的相對(duì)變化量稱(chēng)之為應(yīng)變，應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系遵循虎克定律(對(duì)彈性形變)。單晶硅片殘余應(yīng)力定義所謂單晶硅片的殘余應(yīng)力即指硅半導(dǎo)體器件廠的原材料單晶硅片(經(jīng)材料廠機(jī)械切割、磨片、拋光等加工后的材料單晶硅片)或者是經(jīng)諸如高溫過(guò)程的器件加工工藝后的、形成或未形成器件功能的加工過(guò)程中硅片所殘留的應(yīng)力。殘余應(yīng)力的測(cè)試方法，是機(jī)械工程測(cè)試的一項(xiàng)比較成熟的技術(shù)，而單晶硅片的殘余應(yīng)力的測(cè)試目前還沒(méi)有搜集到相關(guān)的資料。一般的殘余應(yīng)力的測(cè)定方法大致可分為機(jī)械測(cè)量法和物理測(cè)量法兩類(lèi)。物理測(cè)量法包括X射線(xiàn)法、磁性法、和超聲波法等。它們分別利用晶體的X射線(xiàn)衍射現(xiàn)象、材料在應(yīng)力作用下的磁性變化和超聲效應(yīng)來(lái)求得殘余應(yīng)力的量值。它們是無(wú)損的測(cè)量方法。其中X射線(xiàn)法使用較多，比較成熟，被認(rèn)為是物理測(cè)量法中較為精確的一種測(cè)量方法。磁彈性法和超聲波法均是新方法，尚不成熟，但普遍地認(rèn)為是有發(fā)展前途的兩種測(cè)試方法。物理法的測(cè)試設(shè)備復(fù)雜、昂貴、精度不高。特別是應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)時(shí)，都有一定的局限性和困難。
機(jī)械方法包括切割法(下面主要介紹)、套環(huán)法和鉆孔法等，它是米用電阻應(yīng)變計(jì)事先固定在被測(cè)對(duì)象的所需要測(cè)定的位置，讀出電阻應(yīng)變計(jì)的初始值或零點(diǎn)，然后，通過(guò)機(jī)械切割分離或鉆一盲孔等方法把被測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力給予釋放，再測(cè)出應(yīng)力釋放后應(yīng)變計(jì)的應(yīng)變，根據(jù)電阻應(yīng)變計(jì)在被測(cè)物件應(yīng)力釋放前后的應(yīng)變數(shù)值之差，它與構(gòu)件原有應(yīng)變量值相同、符號(hào)相反，因而得到物件的殘余應(yīng)變，根據(jù)材料的楊氏模量E以及泊松比V以及一套計(jì)算公式(附錄2殘余應(yīng)力計(jì)算公式)，即可計(jì)算出被測(cè)材料的殘余應(yīng)力的分布、大小和方向。 此計(jì)算被測(cè)材料應(yīng)力時(shí)，應(yīng)將所得應(yīng)變計(jì)的應(yīng)變讀數(shù)值乘以負(fù)號(hào)。殘余應(yīng)力的切割釋放方法是一種破壞性或半破壞性的做法，因而這種測(cè)量殘余應(yīng)力的方法是破壞性的或半破壞性的方法，但它具有簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確等特點(diǎn)。從兩類(lèi)方法的測(cè)試功能來(lái)說(shuō)，機(jī)械方法以測(cè)試宏觀殘余應(yīng)力為目的，而物理方法則測(cè)試宏觀應(yīng)力與微觀應(yīng)力的綜合值。因此兩種方法測(cè)試的結(jié)果一般來(lái)說(shuō)是有區(qū)別的。對(duì)于硅單晶片殘余應(yīng)力的測(cè)試來(lái)說(shuō)犧牲極少量的硅片而取得各種工藝過(guò)程之后殘余應(yīng)力的數(shù)據(jù)仍是值得的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種采用電阻應(yīng)變片測(cè)試硅單晶片的殘余應(yīng)力的方法，基于殘余應(yīng)力的計(jì)算公式
E為所測(cè)得三向應(yīng)變花的應(yīng)變，其下標(biāo)χ、y或Α、B、C為應(yīng)變的方向(見(jiàn)圖7)。令
權(quán)利要求
1.硅單晶片的殘余應(yīng)力的測(cè)試方法，其特征是包括以下步驟(1)器材準(zhǔn)備三向應(yīng)變花、應(yīng)變儀和被測(cè)硅單晶片，所述三向應(yīng)變花的型號(hào)為 Brl20-2AA，所述應(yīng)變儀為YE2539高速靜態(tài)應(yīng)變儀；(2)測(cè)試準(zhǔn)備:(2. 1)將三向應(yīng)變花編號(hào)；(2. 2)將三向應(yīng)變花的6根引出線(xiàn)用袖珍烙鐵焊接在6芯排線(xiàn)上； (2. 3)對(duì)已焊接好三向應(yīng)變花的6芯排線(xiàn)的另一頭進(jìn)行剝線(xiàn)，使端頭露出金屬線(xiàn)頭； (2. 4)將被測(cè)硅單晶片的背面，上、下、左、右按內(nèi)、中、外三層共五行五列，用水筆預(yù)先畫(huà)好粘貼三向應(yīng)變花的粘貼位置；(2. 5)用502膠逐一在粘貼位置點(diǎn)上502膠；(2. 6)隨即將三向應(yīng)變花按粘貼位置粘貼到被測(cè)硅單晶片上，用手輕輕按壓；同時(shí)也將各連接三向應(yīng)變花的6芯排線(xiàn)也膠固在同行或同列被測(cè)硅單晶片的對(duì)應(yīng)位置；(2. 7)對(duì)所貼三向應(yīng)變花作平移或旋轉(zhuǎn)調(diào)整，使三向應(yīng)變花陣列縱橫及取向一致，待膠干；(3)應(yīng)力釋放前測(cè)試(3. 1)按照儀器說(shuō)明，進(jìn)行應(yīng)變儀、三向應(yīng)變花應(yīng)變當(dāng)量測(cè)試校準(zhǔn)； (3. 2)將被粘貼在被測(cè)硅單晶片上的三向應(yīng)變花的對(duì)應(yīng)測(cè)試引出線(xiàn)連接到應(yīng)變儀的對(duì)應(yīng)的測(cè)試端子；(3. 3)初調(diào)應(yīng)變儀的電橋平衡，記錄三向應(yīng)變花編號(hào)、方向角以及平衡電阻數(shù)值； (3. 4)將所有粘貼在被測(cè)硅單晶片上三向應(yīng)變花的初始調(diào)零的平衡電阻數(shù)值一一對(duì)號(hào)記錄；(4)被測(cè)硅單晶片應(yīng)力釋放(4. 1)檢查步驟(3)的所有記錄的數(shù)據(jù)及其編號(hào)，確認(rèn)與三向應(yīng)變花對(duì)應(yīng)無(wú)誤； (4. 2)采用金剛鉆刀用略架高的鋼尺在被測(cè)硅單晶片上沿三向應(yīng)變花的行間或列間劃上劃斷痕，并將被測(cè)硅單晶片分離，殘余應(yīng)力釋放，硅單晶圓片分離成貼有三向應(yīng)變花的條狀；(5)應(yīng)力釋放后的測(cè)試(5. 1)將切割后的被測(cè)硅單晶片條上的三向應(yīng)變花引出線(xiàn)接入應(yīng)變儀； (5. 2)依次對(duì)號(hào)將應(yīng)變儀的平衡電阻按步驟(3)的測(cè)試記錄數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)在初始的平衡數(shù)值的位置；(5. 3)記錄應(yīng)變儀的非平衡輸出，或直接記錄三向應(yīng)變花的應(yīng)變值；(6)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，采用殘余應(yīng)力計(jì)算公式，計(jì)算出被測(cè)硅單晶片的殘余應(yīng)力的分布、 大小和方向。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種硅單晶片的殘余應(yīng)力的測(cè)試方法，主要測(cè)試步驟有三向應(yīng)變花、應(yīng)變儀、被測(cè)硅單晶片等的準(zhǔn)備工作，粘貼三向應(yīng)變花，測(cè)試各三向應(yīng)變花各電阻的初值并記錄，切割硅片釋放應(yīng)力，復(fù)測(cè)三向應(yīng)變花各數(shù)據(jù)并對(duì)應(yīng)記錄，數(shù)據(jù)處理，分析討論結(jié)果。本發(fā)明用三向電阻應(yīng)變花做應(yīng)變傳感器，采用切割法釋放硅片的殘余應(yīng)力，以YE2539高速靜態(tài)應(yīng)變儀測(cè)量緊密粘貼在硅片上應(yīng)變花的反向應(yīng)變可計(jì)算出硅片上各點(diǎn)殘余應(yīng)力的大小和方向，形成對(duì)硅片獨(dú)特的測(cè)試操作過(guò)程，測(cè)試精度高，速度快，成本低。測(cè)試結(jié)果分析表明單晶硅片總體殘余應(yīng)力小，圓周邊緣處的殘余應(yīng)力相對(duì)內(nèi)部測(cè)點(diǎn)偏大，未經(jīng)加工的單晶硅片相對(duì)于已加工的單晶硅片的最大殘余應(yīng)力偏大。
文檔編號(hào)G01L1/22GK102435361SQ20111033396
公開(kāi)日2012年5月2日 申請(qǐng)日期2011年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月27日
發(fā)明者劉劍, 徐永平 申請(qǐng)人:揚(yáng)州晶新微電子有限公司