CN104075830B - 一种大尺寸磨削晶圆残余应力测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大尺寸磨削晶圆残余应力的测试方法，属于残余应力测试领域。其步骤包括：提供磨削晶圆；清洗测试位置粘贴电阻应变计；利用氮气无铅回流焊炉将引线焊于应变仪和应变计接点上，并对应变仪进行校正和清零；在应变花测量圆中心机械开孔进行应力释放；通过应变仪记录应变值并整理数据，计算残余应力。本发明具有操作简单、可测量多方向残余应力以及对晶圆破坏小等优点。

Description

一种大尺寸磨削晶圆残余应力测试方法

技术领域

本发明涉及大尺寸磨削晶圆的残余应力测试方法，特别涉及一种采用应力释放法测试大尺寸磨削晶圆残余应力的方法。

背景技术

随着IC制造技术的飞速发展,为了增大IC芯片产量,降低单元制造成本,晶圆趋向大直径化，晶圆直径最初只有2英寸,1975年发展到4英寸(100mm),1987年发展到6英寸(150mm),1992年开始使用8英寸(200mm)的晶圆,2000年芯片制造厂开始使用12英寸(300mm)的晶圆,到2004年,世界范围内已经陆续建立了24条300毫米芯片生产线，预计2012年将开始在18英寸(450mm)的晶圆上制造36纳米技术节点的半导体芯片。

随着晶圆直径增大,为了保证晶圆具有足够的强度,晶圆的厚度也相应增加。目前200毫米直径晶圆的平均厚度725微米,而300毫米直径晶圆平均厚度已增加到775微米,与此相反,为满足IC芯片封装的需要,提高IC尤其是功率IC的可靠性，降低热阻，提高芯片的散热能力和成品率,要求芯片厚度薄型化,芯片的平均厚度每两年减少一半。目前芯片厚度己减小到100-200微米、智能卡、MEMS以及生物医学传感器等IC芯片厚度已减到100微米以下,高密度电子结构的三维集成和立体封装芯片更是需要厚度小于50微米的超薄的晶圆。因此，晶圆的减薄是关键。目前主流的减薄技术为晶圆自旋转磨削技术，然而机械加工过程不可避免造成晶圆表面的损伤，表面损伤的一个重要指标就是残余应力。残余应力是一种内应力，残余应力的存在将会引起晶圆的翘曲以及促使内部裂纹的延伸，导致晶圆的破裂，给晶圆的传输带来极大的挑战。通常情况下晶圆的损伤层深度为十几微米，损伤层的变形以弹性变形为主，在残余应力测量过程中可将其视为平面应力状态。

目前残余应力的测试方法按其结构是否破坏，包括：全破坏法、半破坏法和无损法，按其测量原理来讲，可分为机械测定法和物理测定法。机械释放测量方法主要包括截条法、逐层剥层法、切铣环槽法、盲孔法、钻阶梯孔法、套取芯棒法、内孔直接贴片法以及释放管孔周应变测量法。物理测量方法主要包括：X射线衍射法、电磁法、超声波法、拉曼光谱法以及固有应变法。物理测试方法虽然测试效率高，但其成本高，并且大多数物理测量方法只能得到一个方向上的残余应力值，不能较准确表征磨削晶圆表面残余应力大小。

为了准确表征磨削晶圆表面层的残余应力值，本发明在克服物理方法测量残余应力存在局限性的基础上，根据现有的机械测量残余应力的方法，通过在晶圆表面测试点处开通孔对磨削晶圆表面的残余应力进行测量。本发明一种大尺寸磨削晶圆残余应力测试方法可得到X、Y方向上的残余应力值，并可得到测试点的主应力值，可较准确地表征磨削晶圆表面残余应力值。

发明内容

本发明提供了一种磨削晶圆残余应力的测试方法，通过应力释放测得应变，然后利用广义胡克定律和应变莫尔圆分别求测试点X、Y方向正应力和主应力。

一种大尺寸磨削晶圆残余应力测试方法，其特征在于，包括下列步骤：

提供磨削后的半导体晶圆，确定12个测试点，测试点分布在<110>晶向的4条半径上，每条半径上3个测试点，相邻测试点之间的间隔为30mm，靠近晶圆中心的测试点距晶圆中心5mm，靠近晶圆边缘的测试点距边缘5mm；

用丙酮清洗测试点，在测试点0°、45°、90°三个方向上粘贴已编号(a、b、c)的应变计；

在应变花测量圆中心处通过机械方式开孔进行应力释放，孔直径为0.8-1mm，孔的边缘距应变计的近端距离为1-1.5mm；

利用应变仪记录下应力释放过程中产生的应变，根据公式：

E、ν分别为<110>晶向处的弹性模量和泊松比，ε_xε_y为X、Y方向上的应变值，求得X、Y方向上的正应力σ_xσ_y；根据测得的应变值作出应变莫尔圆，然后求得最小和最大主应变ε_Bε_A，再根据公式： ${\mathrm{\&sigma;}}_1=\frac{E}{1-v^2}({\mathrm{\&epsiv;}}_A+V{\mathrm{\&epsiv;}}_B){\mathrm{\&sigma;}}_2=\frac{E}{1-v^2}({\mathrm{\&epsiv;}}_B+{\mathrm{v\&epsiv;}}_A)$ 求得主应力值，σ₁，σ₂分别为最大和最小主应力。

2.如权利要求1所述的一种大尺寸磨削晶圆残余应力测试方法，其特征在于，所述晶圆直径大于200毫米，晶圆的厚度小于300微米。

附图说明

图1为本发明磨削晶圆背面测试点位置及编号图

图2是本发明的三向应变花平面结构示意图

图3为本发明机械开孔示意图

图4为本发明莫尔应变圆示意图

图中：101—测试位置，301—应力释放孔,302—孔边缘与应变计距离

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施步骤进行详细说明

器材准备：金属箔式应变计、XL2118C静态应变仪、塑料薄膜、引线、502胶、量角器、直尺、氮气无铅回流焊炉以及磨削晶圆。

提供磨削晶圆；确定测试位置图1，在晶圆磨削表面待测试位置利用量角器和直尺进行角度定位并标记，用浸有丙酮或无水乙醇的脱脂棉球将待测位置及其周围擦拭干净，直至棉球洁白为止；

对应变计进行a、b、c编号，在经过编号的应变计基底涂抹一层薄薄的502胶水然后将应变计对准贴片的标记处进行粘片，在应变计表面覆盖塑料薄膜并用大拇指轻轻按压，从应变计的一端开始作无滑动的滚动，将应变计下的多余胶水或气泡排除，最终在0°、45°、90°方向形成直角应变花。

利用氮气无铅回流焊炉将引线焊于对应的应变计和应变仪接入点，并对引线进行良好固定以免接触试样表面，引线焊接完毕分别对应变仪、应变计进行校正和质量检查，并记录下应变计的编号、方向及应变值；

在应变花测量圆中心处通过机械开孔进行应力释放图3，孔301的直径为0.8-1mm，孔的深度为磨削晶圆的厚度，孔的边缘距应变花的近端距离302均为1-1.5mm。

通过应变仪记录下应力释放后应变计的应变值，整理应变值使其对应应变计的编号和方向，采用广义胡克定律计算出正应力并利用应变莫尔圆图4得出主应变，根据主应变计算主应力。

正应力计算公式：

取：

由广义胡克定律得正应力：

${\mathrm{\&sigma;}}_y=-\frac{E}{1-v^2}({\mathrm{\&epsiv;}}_y+v{\mathrm{\&epsiv;}}_x)$

E、ν分别为<110>晶向处的弹性模量和泊松比,εxε_y为X、Y方向上的应变值，求得X、Y方向上的正应力σ_xσ_y；

然后根据应变莫尔圆求主应变、主应力以及主方向：

图4为本发明根据应变结果绘出的应变圆

应变圆的绘制步骤：

(1)建立坐标系，横坐标表示线应变ε，纵坐标表示切应变的二分之一γ_xy为切应变，如图4。

(2)以为圆心C，另作坐标为的一点D，以CD为半径作圆，所得图形即为应变圆，过D点作应变圆直径DD,。

(3)应变圆与ε轴相交于B点和A点，A点的横坐标即为最大主应变ε_A，B点的横坐标即为最小应变ε_B。主应力计算公式：

${\mathrm{\&sigma;}}_1=\frac{E}{1-v^2}({\mathrm{\&epsiv;}}_A+v{\mathrm{\&epsiv;}}_B);{\mathrm{\&sigma;}}_2=\frac{E}{1-v^2}({\mathrm{\&epsiv;}}_B+v{\mathrm{\&epsiv;}}_A)$

(4)作D点关于ε轴对称的点E，称E点为基准点。X轴平行于DE，建立如图4所示右手坐标系。最大主应变方向平行于AE，最小主应变方向平行于BE。

附：200mm晶圆测试结果

厚度为300μm粗磨晶圆应力值(MPa)

Claims (2)

1.一种大尺寸磨削晶圆残余应力测试方法，其特征在于，包括下列步骤：

提供磨削后的半导体晶圆，确定12个测试点，测试点分布在<110>晶向的4条半径上，每条半径上3个测试点，相邻测试点之间的间隔为30mm，靠近晶圆中心的测试点距晶圆中心5mm，靠近晶圆边缘的测试点距边缘5mm；

用丙酮清洗测试点，在测试点0°、45°、90°三个方向上粘贴已编号(a、b、c)的应变计；

在应变花测量圆中心处通过机械方式开孔进行应力释放，孔直径为0.8-1mm，孔的边缘距应变计的近端距离为1-1.5mm；

利用应变仪记录下应力释放过程中产生的应变，根据公式：

E、ν分别为<110>晶向处的弹性模量和泊松比，ε_x、ε_y为X、Y方向上的应变值，求得X、Y方向上的正应力σ_x、σ_y；根据测得的应变值作出应变莫尔圆，然后求得最小和最大主应变ε_B、ε_A，再根据公式：求得主应力值，σ₁，σ₂分别为最大和最小主应力。

2.如权利要求1所述的一种大尺寸磨削晶圆残余应力测试方法，其特征在于，所述晶圆直径大于200毫米，晶圆的厚度小于300微米。