單晶硅CTE的精確測(cè)量和控制，對(duì)于確保器件性能和穩(wěn)定性至關(guān)重要。在半導(dǎo)體器件制造過(guò)程中，單晶硅作為襯底材料，CTE值需與晶體薄膜的CTE值相匹配，以避免晶體薄膜在溫度變化時(shí)出現(xiàn)應(yīng)力變形，從而影響器件性能。在MEMS器件中，單晶硅通常作為結(jié)構(gòu)材料，其CTE值對(duì)于器件的尺寸穩(wěn)定性和性能穩(wěn)定性同樣具有重要影響。

新拓三維XTDIC-MICRO顯微應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)，可搭配光學(xué)冷熱臺(tái)（-190℃—600℃），用于微觀尺度的材料力學(xué)測(cè)試，及芯片半導(dǎo)體材料和器件的熱膨脹系數(shù)、翹曲和位移、應(yīng)變等參數(shù)的測(cè)試分析，具有精度高、體積小等優(yōu)點(diǎn)。

XTDIC-MICRO顯微應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)：

• 測(cè)量維度：二維、三維

• 測(cè)量視野：1mm~10mm

• 測(cè)量精度：精度最高可達(dá)20με，范圍（0.005%—500%）

• 溫度箱加熱裝置：-190℃—600℃

• 微小尺寸力學(xué)測(cè)試：試驗(yàn)機(jī)（5000N）

顯微DIC技術(shù)用于膨脹參數(shù)CTE測(cè)定

單晶硅的CTE值可能會(huì)隨著溫度的變化而發(fā)生變化。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的工作溫度范圍來(lái)選擇合適的單晶硅材料，并對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的CTE測(cè)試和控制。

為了測(cè)定單晶硅CTE值，采用XTDIC-MICRO顯微應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)，與數(shù)控溫度控制的光學(xué)冷熱系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)單晶硅高溫環(huán)境下的非接觸式膨脹參數(shù)測(cè)量。

測(cè)試目的

采用顯微DIC應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)，在不同溫度環(huán)境下評(píng)估單晶硅CTE系數(shù)，并記錄測(cè)試過(guò)程以及測(cè)試結(jié)果，相關(guān)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可用于驗(yàn)證解析模型的正確性。

單晶硅試樣表面制作散斑

顯微DIC測(cè)量精確度測(cè)試驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，使用晶體硅試樣，對(duì)顯微DIC測(cè)量系統(tǒng)設(shè)備準(zhǔn)確度分析，已知單晶硅CTE值為：2.62×10^(－6)／℃（引自《集成電路入門》，P．13），以此進(jìn)行DIC顯微測(cè)量準(zhǔn)確度確認(rèn)。

新拓三維顯微DIC測(cè)量系統(tǒng)測(cè)得數(shù)據(jù)精度較高，初始狀態(tài)對(duì)比數(shù)據(jù)：

X 向平均分布：2.75E-06~2.94E-06

Y 向平均分布：2.65E-06~2.88E-06

單晶硅 CTE實(shí)驗(yàn)過(guò)程

（1） 試驗(yàn)前，先將單晶硅測(cè)試樣品進(jìn)行單次熱處理，以消除產(chǎn)品試樣內(nèi)應(yīng)力影響。

熱處理?xiàng)l件：分別在光學(xué)冷熱系統(tǒng)將單晶硅試樣溫度降至20°C（液氮降溫），然后提升至50°C、75℃、100℃、125℃，中間保持2-5min，溫度保持完成后，DIC顯微測(cè)量系統(tǒng)分別以1Hz采集速率采集10張圖片。

X，Y分別9條等距；邊緣留100um，方向：圓形Mark點(diǎn)向右，計(jì)算并記錄X，

Y 方向不同位置的CTE，（溫度達(dá)到 125℃，穩(wěn)定2min，取10數(shù)據(jù)點(diǎn)的平均值）；

采用DIC軟件分析采集的圖像，可獲取X、Y方向不同位置的CTE。熱脹系數(shù)CTE，通常采用線性膨脹系數(shù)衡量，定義為：?jiǎn)挝粶囟雀淖兿麻L(zhǎng)度的增加量與原長(zhǎng)度的比值，如Z-CTEZ+。CTE值越低，尺寸穩(wěn)定性越好，反之越差。

DIC軟件CTE分析：X向數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析分為兩種計(jì)算方案，一種為與前狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，分析CTE。一種是各狀態(tài)與初始狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比，分析CTE。

X 方向（橫向）

與上一狀態(tài)對(duì)比分析CTE

75℃~100℃： 3.12E-06

與初始狀態(tài)對(duì)比分析CTE

20℃~50℃： 2.75E-06

50℃~75℃： 2.76E-06

Y向數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析分為兩種計(jì)算方案，一種為與前狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，分析 CTE。一種是各狀態(tài)與初始狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比，分析 CTE。

Y 方向（橫向）

與上一狀態(tài)對(duì)比分析CTE

75℃~100℃： 3.04E-06

與初始狀態(tài)對(duì)比分析CTE

顯微DIC測(cè)量系統(tǒng)實(shí)測(cè)軟件界面：

變量與溫度/應(yīng)變的關(guān)系圖：

說(shuō)明：此段由于中間刪除 10 張照片導(dǎo)致缺失部分照片，從而坡度較大

單晶硅試樣在25°，50°，100°，125℃溫度下的應(yīng)變分布圖

單晶硅的熱膨脹系數(shù)是一個(gè)非常重要的參數(shù)，其大小余晶體的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。在生產(chǎn)制造和科研應(yīng)用中，需充分了解單晶硅的熱膨脹性質(zhì)，以便在實(shí)際操作中減少由于熱膨脹導(dǎo)致的變形和損壞。

采用新拓三維XTDIC-MICRO顯微應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)，結(jié)合光學(xué)冷熱臺(tái)，在高低溫環(huán)境下對(duì)單晶硅進(jìn)行熱膨脹CTE測(cè)試，DIC軟件分析輸出X、Y方向不同位置的CTE，分析單位溫度改變下長(zhǎng)度的增加量與原長(zhǎng)度的比值，為分析單晶硅熱膨脹系數(shù)提供可靠的數(shù)據(jù)。