DIC測(cè)試背景

在集成電路和其他硅器件的高溫工藝中，單晶硅熱變形和翹曲是普遍存在的現(xiàn)象，是器件工藝中最重要、最困難的問(wèn)題之一。硅片翹曲會(huì)給復(fù)雜線路圖的光刻工藝帶來(lái)困難，使器件成品率和性能受到很大影響。

采用新拓三維XTDIC三維全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)，搭配溫度控制箱，可用于高溫環(huán)境下的單晶硅熱變形測(cè)試，DIC技術(shù)通過(guò)追蹤獲取單晶硅材料表面的散斑圖像，解算出在各個(gè)變形狀態(tài)下單晶硅表面的位移場(chǎng)分布情況，分析單晶硅材料熱變形以及翹曲情況。

DIC測(cè)試對(duì)象

測(cè)試單晶硅材料尺寸為6英寸（直徑150mm毫米，厚度1mm）。

DIC測(cè)試目的

單晶硅材料于恒溫溫箱內(nèi)升溫，采用XTDIC三維全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)測(cè)試樣件全場(chǎng)位移場(chǎng)分布情況，以向客戶提供全場(chǎng)位移及變形數(shù)據(jù)結(jié)果。

熱變形測(cè)試方法

單晶硅試樣在溫控箱中，從0℃~150℃升溫過(guò)程中，每隔10°采集分析，5°C/min，分析單晶硅樣件各個(gè)溫度階段位移場(chǎng)分布。

測(cè)量單晶硅尺寸較大，相較于以往顯微分析或者小分辨率鏡頭的測(cè)試，DIC技術(shù)分析數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度可能會(huì)受幅面影響，需觀察靜態(tài)數(shù)據(jù)分布是否均勻。

為了驗(yàn)證XTDIC系統(tǒng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，進(jìn)行靜態(tài)精度驗(yàn)證，以及通過(guò)高溫消除應(yīng)力、內(nèi)外循環(huán)風(fēng)扇干擾，對(duì)比分析測(cè)試變形數(shù)據(jù)，保證和提升在高溫環(huán)境下測(cè)試的可行性和準(zhǔn)確性。

DIC測(cè)試精度驗(yàn)證策略

1、DIC測(cè)試靜態(tài)精度驗(yàn)證

將XTDIC三維全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)調(diào)整至測(cè)試位置，驗(yàn)證過(guò)程實(shí)時(shí)對(duì)光源、相機(jī)角度、相機(jī)間距、測(cè)量距離等內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整（保證采集數(shù)據(jù)不受設(shè)備本身精度影響）

靜態(tài)精度驗(yàn)證數(shù)據(jù)

XTDIC三維全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)于最佳測(cè)試位置處?kù)o態(tài)采集5張圖像，分析單晶硅試樣最大主應(yīng)變，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)：最大主應(yīng)變不超過(guò)20μe，DIC測(cè)試精度達(dá)到理想狀態(tài)。

2、高溫消除應(yīng)力

將被測(cè)物放置于溫箱內(nèi)，升高溫度至200℃。保溫30min以上，以消除材料自身應(yīng)力，溫度達(dá)到后，自然冷卻至室溫。（避免材料自身應(yīng)力對(duì)數(shù)據(jù)產(chǎn)生干擾）

3、內(nèi)循環(huán)風(fēng)扇干擾

由于內(nèi)循環(huán)風(fēng)扇與溫箱為剛性連接，所以溫箱會(huì)受到風(fēng)扇振動(dòng)的干擾。通過(guò)分析關(guān)閉風(fēng)扇后多長(zhǎng)時(shí)間數(shù)據(jù)最穩(wěn)定，作為DIC圖像采集段。（排除內(nèi)部風(fēng)扇干擾以及內(nèi)部高溫氣流干擾）

內(nèi)循環(huán)風(fēng)扇擾動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)

關(guān)閉內(nèi)循環(huán)風(fēng)扇的同時(shí)，XTDIC三維全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行圖像采集，采集20s左右，采集3組。分析曲線穩(wěn)定位置。實(shí)測(cè)：關(guān)閉風(fēng)扇后1.2s~2.5s內(nèi)數(shù)據(jù)分布最均勻，數(shù)據(jù)波動(dòng)最小。

4、外部風(fēng)扇干擾

溫箱在升溫過(guò)程中，頂部玻璃視窗會(huì)產(chǎn)生熱氣流擾動(dòng)，需設(shè)計(jì)橫向吹風(fēng)的外部風(fēng)扇，將熱氣流吹走。（判斷外部風(fēng)扇對(duì)數(shù)據(jù)影響）

外部風(fēng)扇干擾測(cè)試數(shù)據(jù)

將樣件升溫至100℃，保持30min后，打開外部風(fēng)扇XTDIC系統(tǒng)采集一次，關(guān)閉外部風(fēng)扇采集一次。每次間隔5min，采集3組數(shù)據(jù)，分析開關(guān)風(fēng)扇對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的影響。每次采集5張圖像，分析每次采集數(shù)據(jù)最大的應(yīng)變值。（理論多張圖像計(jì)算數(shù)據(jù)應(yīng)越小越好）

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明：打開風(fēng)扇數(shù)據(jù)明顯更加穩(wěn)定，且波動(dòng)小。

DIC測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果

采用新拓三維XTDIC三維全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)，得到單晶硅材料試樣表面在升溫過(guò)程中的位移場(chǎng)，下表可清晰地看到單晶硅材料在熱載荷作用下產(chǎn)生的變形量。

DIC軟件自帶熱膨脹CTE功能，對(duì)單晶硅試樣進(jìn)行CTE分布分析。如下為單晶硅試樣升溫過(guò)程位移場(chǎng)分布：

表一

表二

表三

表四

基礎(chǔ)狀態(tài)數(shù)據(jù)展示

基礎(chǔ)狀態(tài)數(shù)據(jù)，是用來(lái)觀察DIC相機(jī)基礎(chǔ)幀數(shù)據(jù)跳動(dòng)情況的指標(biāo)，基礎(chǔ)幀的跳動(dòng)數(shù)據(jù)，反映了整體設(shè)備采集過(guò)程中數(shù)據(jù)的變化程度。

表五

采用新拓三維XTDIC三維全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)，結(jié)合溫控箱熱加載方法，實(shí)現(xiàn)高溫環(huán)境下的非接觸式變形測(cè)試。DIC技術(shù)結(jié)合溫控箱，從室溫到200℃的溫度加載，結(jié)合內(nèi)外循環(huán)風(fēng)扇排除熱氣流干擾，具有溫度可控、DIC位移測(cè)試精確可靠等優(yōu)點(diǎn)。

測(cè)試結(jié)論

XTDIC三維全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了不同溫度環(huán)境下單晶硅試件表面的位移場(chǎng)分析，測(cè)試數(shù)據(jù)表明：位移場(chǎng)隨溫度升高，逐漸出現(xiàn)中心位移量小，邊緣位移量大的遞增趨勢(shì)，呈中心低邊緣高分布。單晶硅試件表面的熱變形為材料和結(jié)構(gòu)仿真分析提供數(shù)據(jù)驗(yàn)證，對(duì)于提高半導(dǎo)體器件的制造質(zhì)量和可靠性具有重要意義。