CN102435361A - 硅单晶片的残余应力的测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种硅单晶片的残余应力的测试方法，主要测试步骤有：三向应变花、应变仪、被测硅单晶片等的准备工作，粘贴三向应变花，测试各三向应变花各电阻的初值并记录，切割硅片释放应力，复测三向应变花各数据并对应记录，数据处理，分析讨论结果。本发明用三向电阻应变花做应变传感器，采用切割法释放硅片的残余应力，以YE2539高速静态应变仪测量紧密粘贴在硅片上应变花的反向应变可计算出硅片上各点残余应力的大小和方向，形成对硅片独特的测试操作过程，测试精度高，速度快，成本低。测试结果分析表明：单晶硅片总体残余应力小，圆周边缘处的残余应力相对内部测点偏大，未经加工的单晶硅片相对于已加工的单晶硅片的最大残余应力偏大。

Description

硅单晶片的残余应力的测试方法

技术领域

本发明涉及半导体硅单晶片的残余应力的测试方法，尤其是采用电阻应变片测试硅单晶片的残余应力的方法。 

背景技术

在半导体器件工艺过程中，硅单晶片是单个器件或集成电路芯片积聚的生产单元，随着市场竞争的要求，需要不断地降低成本、不断提高生产效率，因而半导体生产单元——硅片的面积则愈来愈大，直径从早先国内的1.5inch(38.04㎜)、2inch(50.72㎜)、3inch(76.08㎜)硅片发展到4inch(100㎜)、5inch(125㎜)、6inch(150㎜)，目前世界先进的企业已达8inch(200㎜)、10inch(250㎜)、12inch(300㎜)。 

随着大直径硅片以及其配套的设施、设备、工装具使用，生产效率成比例地翻番。然而，由于硅半导体器件制程中都需要进行机械研磨、减薄、抛光等加工以及多道工序的高温过程，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，半导体器件制程中的碎片情况随着硅片的直径加大而变的愈来愈严重。碎片是一种不可逆的加工损耗，严重的碎片将使生产效率大大受损、成本增加。 

硅片发生碎片的物理原因是片子内部的应力太大或超过临界。在高温过程中因热胀冷缩、或机械加工中或在操作中遇到轻微的外力或在静态存放情况下环境温度略有改变即会导致碎裂。因此，硅片的残余应力究竟有多少？这就成为大面积硅片加工的工程师们所关注的问题。 

物体由于外因(受力、温度变化等)而变形时，在物体内各部分之间会产生相互作用的内力，以抵抗这种外因的作用，并有使物体从变形后的位置回复到变形前位置的趋势。在所观察的截面上某一点附近单位面积上的内力称为应力。垂直于截面的应力称之为正应力或法向应力，平行于截面的应力称之为剪应力或切向应力，在应力方向物件尺度的相对变化量称之为应变，应力与应变之间的关系遵循虎克定律（对弹性形变）。 

单晶硅片残余应力定义：所谓单晶硅片的残余应力即指硅半导体器件厂的原材料单晶硅片（经材料厂机械切割、磨片、抛光等加工后的材料单晶硅片）或者是经诸如高温过程的器件加工工艺后的、形成或未形成器件功能的加工过程中硅片所残留的应力。 

残余应力的测试方法，是机械工程测试的一项比较成熟的技术，而单晶硅片的残余应力的测试目前还没有搜集到相关的资料。 

一般的残余应力的测定方法大致可分为机械测量法和物理测量法两类。 

物理测量法包括X射线法、磁性法、和超声波法等。它们分别利用晶体的X射线衍射现象、材料在应力作用下的磁性变化和超声效应来求得残余应力的量值。它们是无损的测量方法。其中X射线法使用较多，比较成熟，被认为是物理测量法中较为精确的一种测量方法。磁弹性法和超声波法均是新方法，尚不成熟，但普遍地认为是有发展前途的两种测试方法。物理法的测试设备复杂、昂贵、精度不高。特别是应用于现场实测时，都有一定的局限性和困难。 

机械方法包括切割法（下面主要介绍）、套环法和钻孔法等，它是采用电阻应变计事先固定在被测对象的所需要测定的位置，读出电阻应变计的初始值或零点，然后，通过机械切割分离或钻一盲孔等方法把被测点的应力给予释放，再测出应力释放后应变计的应变，根据电阻应变计在被测物件应力释放前后的应变数值之差，它与构件原有应变量值相同、符号相反，因而得到物件的残余应变，根据材料的杨氏模量E以及泊松比ν以及一套计算公式（附录2残余应力计算公式），即可计算出被测材料的残余应力的分布、大小和方向。此计算被测材料应力时，应将所得应变计的应变读数值乘以负号。

残余应力的切割释放方法是一种破坏性或半破坏性的做法，因而这种测量残余应力的方法是破坏性的或半破坏性的方法，但它具有简单、准确等特点。 

从两类方法的测试功能来说，机械方法以测试宏观残余应力为目的，而物理方法则测试宏观应力与微观应力的综合值。因此两种方法测试的结果一般来说是有区别的。 

对于硅单晶片残余应力的测试来说牺牲极少量的硅片而取得各种工艺过程之后残余应力的数据仍是值得的。 

发明内容

本发明的目的是提供一种采用电阻应变片测试硅单晶片的残余应力的方法，基于残余应力的计算公式： 

为所测得三向应变花的应变，其下标x、y或A、B、C为应变的方向（见图7）。

令：           

                            （1） 

                             （2）

                    （3）

则残余正应力的计算公式为：   

                  （4）

                  （5）

残余切应力的计算公式为：

                     （6）

残余主应力：

      （7），

另一主应力为0，应力按照

顺序排列。

残余主应力方向： 

                      （8）

式中：

为应变；

为材料的杨氏模量，。ν为泊松比，取值0.28。

把对结构材料的残余应力测试的方法移植到半导体硅片，进行了对5inch(125mm)硅片在不同工艺状态的残余应力测试，得到了硅单晶片残余应力的分布、大小和方向，满足工程技术人员确定半导体工艺过程的需要，提高硅单晶片工艺质量和成品率。 

本发明的目的是这样实现的，硅单晶片的残余应力的测试方法，其特征是包括以下步骤： 

（1）器材准备：三向应变花、应变仪和被测硅单晶片，所述三向应变花的型号为Br120-2AA，所述应变仪为YE2539高速静态应变仪；

（2）测试准备：

（2.1）将三向应变花编号；

（2.2）将三向应变花的6根引出线用袖珍烙铁焊接在6芯排线上；

（2.3）对已焊接好三向应变花的6芯排线的另一头进行剥线，使端头露出金属线头；

（2.4）将被测硅单晶片的背面，上、下、左、右按内、中、外三层共五行五列，用水笔预先画好粘贴三向应变花的粘贴位置（测试点）；

（2.5）用502胶逐一在粘贴位置点上502胶；

（2.6）随即将三向应变花按粘贴位置粘贴到被测硅单晶片上，用手轻轻按压；同时也将各连接三向应变花的6芯排线也胶固在同行或同列被测硅单晶片的对应位置；

    （2.7）对所贴三向应变花作平移或旋转调整，使三向应变花阵列纵横及取向一致，待胶干；

（3）应力释放前测试

（3.1）按照仪器说明，进行应变仪、三向应变花应变当量测试校准；

（3.2）将被粘贴在被测硅单晶片上的三向应变花的对应测试引出线连接

到应变仪的对应的测试端子；

（3.3）初调应变仪的电桥平衡，记录三向应变花编号、方向角以及平衡电阻数值；

    （3.4）将所有粘贴在被测硅单晶片上三向应变花的初始调零的平衡电阻数值一一对号记录；

（4）被测硅单晶片应力释放

（4.1）检查步骤（3）的所有记录的数据及其编号，确认与三向应变花对应无误；

    （4.2）采用金刚钻刀用略架高的钢尺在被测硅单晶片上沿三向应变花的行间或列间划上划断痕，并将被测硅单晶片分离，残余应力释放，硅单晶圆片分离成贴有三向应变花的条状；

（5）应力释放后的测试

（5.1）将切割后的被测硅单晶片条上的三向应变花引出线接入应变仪；

（5.2）依次对号将应变仪的平衡电阻按步骤（3）的测试记录数据调节在初始的平衡数值的位置；

    （5.3）记录应变仪的非平衡输出，或直接记录三向应变花的应变值；

（6）进行数据处理，采用残余应力计算公式，计算出被测硅单晶片的残余应力的分布、大小和方向。

本发明方法科学简单，把对结构材料的残余应力测试的方法移植到半导体硅片，采用电阻应变片测试硅单晶片的残余应力，测试精度高，速度快，成本低。 

采用三向应变花进行测试，由于单晶硅片比较薄，厚度约0.5毫米，残余应力仅存在于硅片的平面内，因此残余应力属平面力系。由于各处应力的方向和数值都是未知的，根据应力分析的原理，可用三向应变花作为应变测试的传感器件。三向应变花是由三个电阻应变计构成的应变计，整个的三向应变花的6根引线需对应焊接在6芯排线上以作连接导线。三向应变花是由人工用502胶手按粘贴在硅片所测的区域，三向应变花粘贴在硅片的背面（非抛光面）； 

应变的测试采用YE2539高速静态应变仪测试。静态应变仪的测试原理是借助于惠斯通电桥，将应变电阻接入一个桥臂，当应变发生时应变电阻阻值发生变化，电桥产生非平衡输出，经测试前对电桥校准好非平衡电桥输出电压量对应的应变量的当量，那么从应变仪的输出即可直接读出应变量的大小。硅片的应力释放采用手工切割法，切片的刀具是手持的金刚钻划刀。

数据处理是用电脑自编的程序，采用残余应力计算公式计算，对单晶硅片实施残余应力测试分析的结果表明：单晶硅片圆周边缘处的残余应力相对内部测点偏大；未经加工的单晶硅片相对于已加工的单晶硅片的最大残余应力偏大；所有硅片的残余应力水平普遍较低，只有少数硅片的个别测点应力水平偏高；残余应力在硅片上的分布几乎没有明显的规律，具有一定的偶然与离散性；所有硅片的最小残余压应力水平同样较低，只有少数硅片个别测点的最小压应力处于10MPa-20MPa之间，对于单晶硅片这样的材料而言，这样的压应力基本不予考虑。 

本发明用于半导体硅器件残余应力的工艺检测，诸如高温过程的过程温度、进出炉温度、推行速度以及进行方式（直行、往返前行等）的最佳确定；硅片工艺最佳厚度、自动化工艺设备的传输系统的传输作用力的设定等，有利于提高半导体硅器件的工艺质量，减少损坏率，提高成品率。 

    附图说明 

    图1是本发明的三向应变花结构示意图。

    图2是本发明的三向应变花的平面结构示意图。 

图3是本发明的被测硅单晶片的背面粘贴三向应变花的粘贴位置分布示意图。 

图4是本发明的实施例2中N-4882与三片未加工的单晶硅片最大应力比较图。 

图5是本发明的实施例2中N-4883与三片未加工的单晶硅片最大应力比较图。 

图6是本发明的实施例2中N-4884与三片未加工的单晶硅片最大应力比较图。 

图7是三向应变花的三个独立的应变电阻丝按取向0度、45度、90度排列的示意图。 

图8是本发明的被测硅单晶片分离成贴有应变花的条状的示意图。 

图中：1应变电阻丝、2基底材料、3焊点、4保护膜、5引出导线。 

具体实施方式

实施例1 

a)       器材准备：

准备好以下器材：Br120-AA型三向应变花（附图1、附图2）若干、YE2539高速静态应变仪（以下简称应变仪）、接线台、6芯排线、502胶、不锈钢镊子、金刚钻刀、钢尺、焊锡、袖珍电烙铁；被测硅单晶片。

b)      测试准备： 

（2.1）将三向应变花按1、2、3……编号；

（2.2）将三向应变花的6根引出线剪取适当长度，用袖珍烙铁焊接适当长度的6芯排线上；

（2.3）对已焊接好三向应变花的6芯排线的另一头进行剥线，使端头露出金属线头；

（2.4）将被测硅片的背面，上、下、左、右按里心、中、外三层共五行五列，用水笔预先画好粘贴应变花的位置；

（2.5）用502胶逐一按粘贴位置点上502胶；

（2.6）随即将应变花按规定的方位粘贴到硅片上，用手轻轻按压；同时也将各连接应变花的6芯排线也胶固在同行（列）硅片的适当位置；

    （2.7）对所贴应变花稍作平移或旋转，使应变花阵列纵横及取向一致；待胶干。

c)       初始测试应变调零 

（3.1）按照测试仪使用说明，进行测试仪应变花应变当量测试校准；

（3.2）将被粘贴在被测硅片上的应变花的对应测试引出线连接到YE2539应变测试仪的对应的测试端子；

（3.3）初调电桥平衡，记录应变花编号、方向角以及平衡电阻数值；

    （3.4）如上步骤操作将所有粘贴在硅片上应变花的初始调零的平衡电阻数值一一对号记录。

d)      被测硅片应力释放 

（4.1）检查步骤（3）的所有记录的数据及其编号，确认与应变花对应无误；

    （4.2）手持金刚钻刀用略架高的钢尺在被测硅片上沿应变花的行间或列间划上划断痕，并将硅片分离，残余应力释放，硅单晶圆片分离成贴有应变花的条状。

e)       测试应力释放后的应变花的反向应变 

（5.1）将切割后的硅片条上的应变花引出线接入应变仪；

（5.2）依次对号将应变仪的平衡电阻按步骤（3）的测试记录

数据调节在初始的平衡数值的位置；

    （5.3）读数并记录应变仪的非平衡输出，或直接读出应变花的应变值（见步骤（3.1））。

f)        数据处理 

采用残余应力计算公式，计算出被测硅单晶片的残余应力的分布、大小和方向。

实施例2 

参照实施例1的实施步骤，扬州晶新微电子有限公司与扬州大学机械工程学院机械工程实验中心合作，对扬州晶新微电子有限公司的5inch(125mm)单晶硅片样件进行了残余应力的测试。

1、测试内容 

测试用的5inch(125mm)单晶硅片有两种：

一种是已加工过的，编号分别为N-4882，N-4883，N-4884；

一种是未加工的，编号分别为N-4885，N-4886，N-5104。

对这两种单晶硅片的整个区域布置电阻应变花，采用切割法进行应力释放，测试这两种单晶硅片整个区域残余应力的大小及分布情况，并对两种单晶硅片的残余应力进行比较，据此进行了单晶硅片残余应力的分析。 

2、测试仪器设备 

（1）、Br120—2AA三向电阻应变片，共78片；

（2）、YE2539高速静态应变仪两台；

（3）、计算机及相关数据采集与计算软件。

3、单晶硅片应力测点如图3。 

注：一、1—13均为三向应变花，以7为圆心等距分布于整个硅片表面； 

    二、应变片的

方向为图示的x轴方向，

方向为图示的y轴方向；

    三、6片单晶硅片应变花的布置均相同。

在实际测试与数据处理中，应变的单位为:1μ（微）=10^-6，应力以Mpa为单位，1M(兆)=10⁶。 

残余应力测试数据及处理结果 

 表1：5inch(125mm)硅单晶片加工前后残余应力测试数据及处理结果

注： 括号中的值为估算平均值

表2：5inch(125mm)硅单晶片加工前后残余应力测试数据及处理结果

表3：5inch(125mm)硅单晶片加工前后残余应力测试数据及处理结果

表4：5inch(125mm)硅单晶片加工前后残余应力测试数据及处理结果

注：括号中的值为估算平均值

表5：5inch(125mm)硅单晶片加工前后残余应力测试数据及处理结果

注：括号中的值为估算平均值

表6：5inch(125mm)硅单晶片加工前后残余应力测试数据及处理结果

注：括号中的值为估算平均值。

测试结论：对单晶硅片实施残余应力测试分析的结果表明：单晶硅片圆周边缘处（测点1,5,9,13）的残余应力相对内部测点偏大；未经加工的单晶硅片相对于已加工的单晶硅片的最大残余应力偏大；单晶硅片的残余应力水平相对于其它结构材料的残余应力水平普遍较低，只有少数单晶硅片的个别测点应力水平偏高；残余应力在单晶硅片上的分布几乎没有明显的规律，具有一定的偶然与离散性；单晶硅片的最小残余压应力水平同样较低，只有少数单晶硅片个别测点的最小压应力处于10MPa-20MPa之间，对于单晶硅片这样的材料而言，这样的压应力基本不予考虑。 

Claims (1)

1.硅单晶片的残余应力的测试方法，其特征是包括以下步骤：

（1）器材准备：三向应变花、应变仪和被测硅单晶片，所述三向应变花的型号为Br120-2AA，所述应变仪为YE2539高速静态应变仪；

（2）测试准备：

（2.1）将三向应变花编号；

（2.2）将三向应变花的6根引出线用袖珍烙铁焊接在6芯排线上；

（2.3）对已焊接好三向应变花的6芯排线的另一头进行剥线，使端头露出金属线头；

（2.4）将被测硅单晶片的背面，上、下、左、右按内、中、外三层共五行五列，用水笔预先画好粘贴三向应变花的粘贴位置；

（2.5）用502胶逐一在粘贴位置点上502胶；

（2.6）随即将三向应变花按粘贴位置粘贴到被测硅单晶片上，用手轻轻按压；同时也将各连接三向应变花的6芯排线也胶固在同行或同列被测硅单晶片的对应位置；

（2.7）对所贴三向应变花作平移或旋转调整，使三向应变花阵列纵横及取向一致，待胶干；

（3）应力释放前测试

（3.1）按照仪器说明，进行应变仪、三向应变花应变当量测试校准；

（3.2）将被粘贴在被测硅单晶片上的三向应变花的对应测试引出线连接

到应变仪的对应的测试端子；

（3.3）初调应变仪的电桥平衡，记录三向应变花编号、方向角以及平衡电阻数值；

（3.4）将所有粘贴在被测硅单晶片上三向应变花的初始调零的平衡电阻数值一一对号记录；

（4）被测硅单晶片应力释放

（4.1）检查步骤（3）的所有记录的数据及其编号，确认与三向应变花对应无误；

（4.2）采用金刚钻刀用略架高的钢尺在被测硅单晶片上沿三向应变花的行间或列间划上划断痕，并将被测硅单晶片分离，残余应力释放，硅单晶圆片分离成贴有三向应变花的条状；

（5）应力释放后的测试

（5.1）将切割后的被测硅单晶片条上的三向应变花引出线接入应变仪；

（5.2）依次对号将应变仪的平衡电阻按步骤（3）的测试记录数据调节在初始的平衡数值的位置；

 （5.3）记录应变仪的非平衡输出，或直接记录三向应变花的应变值；

（6）进行数据处理，采用残余应力计算公式，计算出被测硅单晶片的残余应力的分布、大小和方向。

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