TW201430325A - 主動式應力感測裝置 - Google Patents

Abstract

一種主動式應力感測裝置，係藉由複數個應力參考方向感測電阻器搭配包含有複數個開關元件及複數個應力量測方向感測電阻器組成之至少一應力感測器以形成惠斯登電橋電路結構，並利用訊號放大器將壓力感測訊號放大以提高感測靈敏度，再藉由底補電壓歸零(offset voltage cancellation)方法以降低製程變異之影響。據此，本揭露提供一種具有高感測靈敏度且能排除製程變異之影響的主動式應力感測裝置。

Description

主動式應力感測裝置

本揭露係關於一種應力感測裝置，尤其是關於一種應用於偵測半導體製造過程中所產生之應力的主動式應力感測裝置。

隨著消費性電子產品對於輕薄短小之需求日益提高，使得半導體元件趨向更小、更高性能及更低價格之元件架構，從而帶動半導體製程微小化以及半導體晶圓薄型化製程之發展。然而，半導體晶圓在製造、薄型化與封裝之過程中，容易受到各種方向之應力影響而產生外型變化，而使得晶圓上面的電子元件產生製作不良或特性偏移之問題。因此，為了確保產品之品質與可靠度，對於在半導體元件設計、製造與封裝過程中所產生之各種應力，就必須要有所瞭解，故如何對應力作一監測係為IC製造過程中十分重要之課題。

為了達成上述對晶圓之應力監測，本領域之技術人員係不斷發明各種偵測晶圓應力之裝置，如第7,311,009號美國專利係使用彎曲之電阻器以偵測晶圓上之應力變化。

又如第5,381,969號美國專利係利用場效電晶體受到 應力影響所產生之電流變化，配合運算放大器放大該電流訊號，進行應力之偵測。

由於半導體晶圓製造與封裝過程中所產生之應力導致形變之變化量非常微小，因此，如何提供一種具有高感測靈敏度的應力感測裝置，遂成為目前本領域技術人員亟待解決的課題。

本揭露係提供一種主動式應力感測裝置，包括：複數個應力參考方向感測電阻器，每一該些應力參考方向感測電阻器具有一第一電阻值以及位於一平面上的一第一感測方向；以及至少一應力感測器，係與該些複數個應力參考方向感測電阻器連結，依惠斯登電橋(Wheatstone Bridge)電路結構配置，以產生一應力感測訊號，該應力感測器包含：複數個應力量測方向感測電阻器，係分別具有該第一電阻值且該些應力量測方向感測電阻器彼此並聯，其中該些應力量測方向感測電阻器具有位於該平面上的多個第二感測方向；及複數個開關元件，每一該些開關元件分別與每一該些應力量測方向感測電阻器串聯，以利用該些開關元件選擇該些應力量測方向感測電阻器之一者進行應力感測。

本揭露復提供一種主動式應力距離感測裝置，係應用於監測該晶圓上之一受應力之位置，包括：複數個應力參考方向感測電阻器，其中，各該應力參考方向感測電阻器具有第一電阻值且與該受應力之位置具有第一感測距離； 以及至少一應力感測器，係與該複數個應力參考方向感測電阻器連結，依惠斯登電橋電路結構配置，以產生一應力感測訊號。該應力感測器包含：複數個應力距離感測電阻器，係分別具有該第一電阻值且該些應力距離感測電阻器係彼此並聯，其中，該複數個應力距離感測電阻器係以該第一感測距離為基準，將該受應力之位置定為圓心而分別以不同之距離變化量且朝該圓心之方向設置於該惠斯登電橋電路結構上，以使該應力距離感測器具有不同之感測距離；及複數個開關元件，係分別地與各該應力距離感測電阻器串聯，用以選定該複數個應力距離感測電阻器之一者以進行對應該所選定之應力距離感測電阻器之應力距離感測。

1,1’,2,2’‧‧‧主動式應力感測裝置

10,20‧‧‧應力參考方向感測電阻器

11,21‧‧‧應力感測器

111‧‧‧應力量測方向感測電阻器

112,212‧‧‧開關元件

12,22‧‧‧惠斯登電橋電路結構

121,221‧‧‧第一側電路

122,222‧‧‧第二側電路

123,223‧‧‧阻抗匹配元件

13,23‧‧‧訊號放大器

14‧‧‧應力

211‧‧‧應力距離感測電阻器

25‧‧‧應力產生位置

S1,S2,S3,S4‧‧‧開關元件

VA,VB‧‧‧節點電壓

第1A圖係為本揭露之主動式應力感測裝置之一實施例之架構示意圖；第1B圖係為本揭露之主動式應力感測裝置之另一實施例之架構示意圖；第1C至1F圖係為本揭露之主動式應力感測裝置之一實施例具體實施的操作說明圖；第2A圖係為本揭露之主動式應力感測裝置之又一實施例之架構示意圖；第2B圖係為本揭露之主動式應力感測裝置之再一實施例之架構示意圖；以及第2C至2E圖係為本揭露之主動式應力感測裝置之另 一實施例具體實施的操作說明圖。

以下係藉由特定的具體實施例說明本揭露之實施方式，本領域中具有通常知識者可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本揭露之其他優點與功效。本揭露亦可藉由其他不同的具體實施例加以施行或應用。

第1A圖係為本揭露之主動式應力感測裝置之一實施例之架構示意圖。如圖所示，本揭露之主動式應力感測裝置1主要包括三個應力參考方向感測電阻器10以及一個應力感測器11。

各該應力參考方向感測電阻器10係具有第一電阻值以及位於一平面上的第一感測方向，於本實施例中，該第一感測方向係為0°。

該應力感測器11係與該應力參考方向感測電阻器10連結以形成惠斯登電橋電路結構12，並藉由該惠斯登電橋電路結構12產生一應力感測訊號，其中，該應力感測器11包含四個應力量測方向感測電阻器111及四個開關元件112。

該四個應力量測方向感測電阻器111係彼此並聯且分別具有該第一電阻值。於本實施例中，該四個應力量測方向感測電阻器111具有位於該平面上的0°、45°、90°及135°等四個第二感測方向，以方便計算應力，但應力感測方向之設置並不以此為限，另外於本實施例中，為了降低所處位置對該應力量測方向感測電阻器111之影響，該四個應 力量測方向感測電阻器111間之位置係盡可能靠近。

該四個開關元件112係分別地與各該應力量測方向感測電阻器111串聯，以選擇該複數個應力量測方向感測電阻器111之一者進行應力感測。

於本實施例中，該應力參考方向感測電阻器10及該應力量測方向感測電阻器111係為隨應力產生阻值變化之電阻器，其外型可為彎曲狀感測電阻器或梳狀感測電阻器，但不限定於此外型，其可由任何可因應力改變電阻值之元件所替換。

此外，本揭露之主動式應力感測裝置1復包括訊號放大器13，係與該惠斯登電橋電路結構12電性連接，用以放大該應力感測訊號，於本實施例中，該訊號放大器13係為差動放大器。

於本實施例中，假設晶圓受到45°(左下至右上)的應力14，該應力參考方向感測電阻器10及該應力量測方向感測電阻器111將受到該應力14影響而產生變形，進而產生不同之電阻值變化，分別以R1、R2、R3及R4表示。具體實施時，先令該四個開關元件112中之開關元件S1導通，因該應力參考方向感測電阻器10及該應力量測方向感測電阻器111具有大小相同之第一電阻值，且所選定之應力量測方向感測電阻器111的感測方向與該三個應力參考方向感測電阻器10係為相同，因此該惠斯登電橋電路結構12達到平衡，形成如第1C圖所示之示意圖，此時，兩節點電壓VA與VB之差值如下列公式(1)所示：

再令該四個開關元件112中之開關元件S2導通，此時所選定之應力量測方向感測電阻器111之感測方向與應力方向相同(45°)，因此產生最大的幾何變形，造成電阻值變化量最大，VB電壓亦為最大變化值，形成如第1D圖所示之示意圖，此時兩節點電壓VA與VB之差值如下列公式(2)所示：

此時之電壓差即為相對應之應力變化。之後，再令開關元件S3導通，選定感測方向為90°，此時該訊號放大器13可得到中間大小之輸入電壓差，最後令開關元件S4導通時，選定感測方向為為135°，此時該訊號放大器13可得到最小之電壓差，如第1E及1F圖所示。因此藉由選擇不同之感測方向，即可偵測出應力之方向。

此外，該差動放大器接收作為應力感測訊號的該二節點VA與VB之電壓差，再依據下列公式(3)進一步放大該應力感測訊號。

於本實施例中，本揭露之主動式應力感測裝置1復包括複數個阻抗匹配元件123，係具有對應該開關元件112之電阻值，且分別地與各該應力參考方向感測電阻器10 串聯，用以匹配該開關元件112，進而提高感測靈敏度。

於本實施例中，為了降低該惠斯登電橋電路結構12本身之電阻值與該訊號放大器13所帶來之底補電壓(Offset voltage)問題，該訊號放大器13在與該惠斯登電橋電路結構12之第二側電路122連接之VB端連接可變電阻器Radj與固定電壓VDD，以電阻分壓方式，進行底補電壓歸零方法(Offset voltage cancellation)輸入校正偏壓，降低本揭露之主動式應力感測裝置1之底補電壓，以使開始量測時之公式(1)中的電壓差為零。

於本實施例中，復包括微處理器(未圖示)，係與該訊號放大器13及該開關元件112電性連接，用以擷取該應力感測訊號並控制該開關元件112之開啟或關閉。

又，本揭露之主動式應力感測裝置1復包括與該惠斯登電橋電路結構12電性連接之電源。

第1B圖係為本揭露之主動式應力感測裝置之另一實施例之架構示意圖。如圖所示，其與第一實施例之差異係在於該主動式應力感測裝置1’中，二組應力感測器11中之一者係接置於該惠斯登電橋電路結構12之一側以形成第一側電路121，且二組該應力感測器11中之另一者係接置於該惠斯登電橋電路結構12之另一側，並與設於該第一側電路121中之應力感測器11呈對角配置，以形成第二側電路122，該第一側電路121係與該第二側電路122並聯，且其中，該開關元件112係同時選定該第一側電路121之應力感測器11與該第二側電路122之應力感測器11中具 有相同感測方向之一對應力量測方向感測電阻器111進行應力感測。此外，其它結構大致與第一實施例之主動式應力感測裝置1相同，故不再贅述。

於本實施例中，假設應力方向為45°時，當開關元件112中之開關元件S1導通時，該惠斯登電橋電路結構12之二側的電阻器所選定之感測方向均相同，此時兩節點電壓VA與VB之差值同樣如上述之公式(1)所示。

當導通該該開關元件中之開關元件S2時，則兩節點電壓VA與VB之差值同樣如下列公式(4)所示：

同理，亦可算出當開關元件S3及S4導通時，兩節點電壓VA與VB之差值。將公式(3)與公式(2)比較後可發現，本揭露之主動式應力感測裝置1’相對於本揭露之主動式應力感測裝置1，其電壓差值增加了約2倍，故大幅提升了其靈敏度。

第2A圖係為本揭露之主動式應力感測裝置之又一實施例之架構示意圖。如圖所示，本揭露之主動式應力感測裝置2主要包括五個應力參考方向感測電阻器20以及一個應力感測器21，其主要應用於當晶圓上存在有例如矽通孔(Through Silicon Via,TSV)或銲錫凸塊(Solder Bump)等異質材料交接處時，所產生之應力集中之位置的應力感測。

於本揭露之主動式應力感測裝置2中，各該五個應力參考方向感測電阻器20係具有第一電阻值且與該TSV或 銲錫凸塊之應力產生位置25具有第一感測距離D1。

該應力感測器21係與該應力參考方向感測電阻器20連結以形成惠斯登電橋電路結構22，並藉由該惠斯登電橋電路結構22產生應力感測訊號，其中，該應力感測器21包含三個應力距離感測電阻器211及三個開關元件212。

該三個應力距離感測電阻器211係彼此並聯且分別具有該第一電阻值，其中，將該TSV或銲錫凸塊之應力產生位置25定為圓心而分別以不同之距離變化量且朝該圓心之方向設置於該惠斯登電橋電路結構22上，該三個應力距離感測電阻器211距離圓心分別為不同之感測距離D1、D2及D3。

該三個開關元件212係分別地與各該應力距離感測電阻器211串聯，用以選定該三個應力距離感測電阻器211之一者以進行對應該所選定之應力距離感測電阻器211之感測距離應力感測，於本實施例中，為了避免開關元件212影響到TSV或銲錫凸塊對該應力距離感測電阻器211的電阻值，係將該開關元件212移到該應力距離感測電阻器211旁邊，且將該應力參考方向感測電阻器20及該應力距離感測電阻器211放置在最大變化量平行於應力方向。

此外，於本實施例中，係提供較多之應力參考方向感測電阻器20，以使該惠斯登電橋電路結構22可對應於該應力產生位置25呈對稱結構，能進一步地提高本揭露之主動式應力感測裝置2之準確度。

具體實施時，以該惠斯登電橋電路結構22之第一側電 路221上之二個應力參考方向感測電阻器20係作為產生固定之參考電壓，令開關元件S1導通，此時該惠斯登電橋電路結構22之二側上之應力參考方向感測電阻器20及應力距離感測電阻器211具有相同之受應力方向、相同之第一感測距離D1、且受到相同之應力值，其電阻值均為R1，形成如第2C圖所示之示意圖，因此，其兩節點電壓VA與VB之差值如上述之第一實施例中的公式(1)所示。

再令開關元件S2開關導通，如第2D圖所示，由於結構對稱之該應力參考方向感測電阻器20與所選定之應力距離感測電阻器211的受應力方向相同，因此，電阻值之變化主要是受距離與應力產生位置25遠近所帶來的影響，其中，令距離受應力位置較近應力距離感測電阻器211之電阻值改變為R2，因此，其兩節點電壓VA與VB之差值如上述之第一實施例中的公式(2)所示。

之後再令開關元件S3開關導通，如第2E圖所示，此時應力距離感測電阻器211距離受應力位置更近，其電阻值改變為R3，再將上述之第一實施例中的公式(2)的R2替換為R3，即可得兩節點電壓VA與VB之差值。

由上述可知，本揭露之主動式應力感測裝置2能獲得對應該應力產生位置25不同距離時的電壓變化，即受應力之變化，從而可推導出應力產生位置25(TSV或銲錫凸塊之位置)到半導體元件之最佳距離，避免TSV或銲錫凸塊產生的應力改變了半導體元件之特性。

於本實施例中，該應力參考方向感測電阻器20及該應 力距離感測電阻器211係為隨應力產生阻值變化之電阻器，例如彎曲狀感測電阻器或、梳狀感測電阻器，但不限定於此外型，其可由任何可因應力改變電阻值之元件所替換。

此外，本揭露之主動式應力感測裝置2復包括訊號放大器23，係與該惠斯登電橋電路結構22電性連接，接收第一側電路221上的節點電壓VA與第二側電路222上的節點電壓VB之間隨應力變化的電壓差作為應力感測訊號，再進一步加以放大，於本實施例中，該訊號放大器23係為差動放大器。

於本實施例中，本揭露之主動式應力感測裝置2復包括複數個阻抗匹配元件223，係具有對應該開關元件212之電阻值，用以匹配該開關元件212。

於本實施例中，為了降低該惠斯登電橋電路結構22本身之電阻值與該訊號放大器23所帶來之底補電壓(Offset voltage)問題，該訊號放大器23在與該惠斯登電橋電路結構22之第二側電路222連接之VB端連接可變電阻器Radj與固定電壓VDD，以電阻分壓方式，進行底補電壓歸零方法(Offset Voltage cancellation)輸入校正偏壓，以降低本揭露之主動式應力感測裝置2之底補電壓，使開始量測時之公式(1)中的電壓差為零。

於本實施例中，復包括微處理器(未圖示)，係與該訊號放大器23及該開關元件212電性連接，用以擷取該應力感測訊號並控制該開關元件212之開啟或關閉。

又，本揭露之主動式應力感測裝置2復包括與該惠斯登電橋電路結構22電性連接之電源。

第2B圖係為本揭露之主動式應力感測裝置之再一實施例之架構示意圖。如圖所示，其與第一實施例之差異係在於該主動式應力感測裝置2’中，二組該應力感測器21中之一者係接置於該惠斯登電橋電路結構22之一側，並電性連接位於該第一感測距離D1之應力參考方向感測電阻器20以形成第一側電路221，且二組該應力感測器21中之另一者係接置於該惠斯登電橋電路結構22之另一側，並同樣電性連接位於該第一感測距離D1之應力參考方向感測電阻器20，以形成第二側電路222，其中，該等應力參考方向感測電阻器20係對應於該應力感測器21中之應力距離感測電阻器211呈對角配置。此外，其它結構大致與第一實施例之主動式應力感測裝置2相同，故不再贅述。

於本實施例中，當該開關元件212係同時導通該二組應力感測器21中具有第一感測距離D1之一對應力距離感測電阻器211時，該惠斯登電橋電路結構22之二側上之應力參考方向感測電阻器20及應力距離感測電阻器211具有相同受應力方向、相同之第一感測距離D1、且受到相同之應力值，因此，能進行底補電壓歸零之校正。然後導通該二組應力感測器21中具有第二感測距離D2之一對應力距離感測電阻器211及其對應之應力參考方向感測電阻器20，此時該應力距離感測電阻器211受應力影響而使得其電阻值變化，並使兩節點VA與VB之電壓差提升約二倍， 因而提升感測之靈敏度。

綜上所述，本揭露之主動式應力感測裝置利用應力參考方向感測電阻器搭配包含有開關元件及應力量測方向/應力距離感測電阻器之應力感測器形成惠斯登電橋電路結構，並利用訊號放大器將應力變化所產生之電壓差放大以提高感測靈敏度，並藉由底補電壓歸零方法以降低製程變異之影響，更能藉由該惠斯登電橋電路結構中對角配置之應力感測器進一步將感測靈敏度提高，從而提供一種具有高感測靈敏度且能降低製程變異之影響的主動式應力感測裝置。

上述實施例僅為例示性說明本揭露之原理及其功效，而非用於限制本發明。任何本領域中具有通常知識者均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與變化。

1‧‧‧主動式應力感測裝置

10‧‧‧應力參考方向感測電阻器

11‧‧‧應力感測器

111‧‧‧應力量測方向感測電阻器

112‧‧‧開關元件

12‧‧‧惠斯登電橋電路結構

121‧‧‧第一側電路

122‧‧‧第二側電路

123‧‧‧阻抗匹配元件

13‧‧‧訊號放大器

14‧‧‧應力

S1,S2,S3,S4‧‧‧開關元件

VA,VB‧‧‧節點電壓

Claims (16)

1. 一種主動式應力感測裝置，包括：複數個應力參考方向感測電阻器，每一該些應力參考方向感測電阻器具有一第一電阻值以及位於一平面上的一第一感測方向；以及至少一應力感測器，係與該些應力參考方向感測電阻器連結，依惠斯登電橋電路結構配置，以產生一應力感測訊號，該應力感測器包含：複數個應力量測方向感測電阻器，係分別具有該第一電阻值且該些應力量測方向感測電阻器彼此並聯，其中該些應力量測方向感測電阻器具有位於該平面上的多個第二感測方向；及複數個開關元件，各該開關元件係分別與各該應力量測方向感測電阻器串聯，以利用該開關元件選擇該應力量測方向感測電阻器之一者進行應力感測。
2. 如申請專利範圍第1項所述之主動式應力感測裝置，其中，該應力參考方向感測電阻器及該應力量測方向感測電阻器係為隨應力產生阻值變化之電阻器。
3. 如申請專利範圍第1項所述之主動式應力感測裝置，復包括訊號放大器，係與該惠斯登電橋電路結構電性連接，用以放大該應力感測訊號。
4. 如申請專利範圍第3項所述之主動式應力感測裝置，其中，該訊號放大器係藉由輸入校正偏壓，以降低該 主動式應力感測裝置之底補電壓。
5. 如申請專利範圍第1項所述之主動式應力感測裝置，其中，二組該應力感測器中之一者係接置於該惠斯登電橋電路結構之一側以形成第一側電路，且二組該應力感測器中之另一者係接置於該惠斯登電橋電路結構之另一側，並與設於該第一側電路中之應力感測器呈對角配置，以形成第二側電路，該第一側電路係與該第二側電路並聯，且其中，該開關元件係同時選定該第一側電路之應力感測器與該第二側電路之應力感測器中具有相同感測方向之一對應力量測方向感測電阻器，以進行所選定之感測方向的應力感測。
6. 如申請專利範圍第1項所述之主動式應力感測裝置，復包括複數個阻抗匹配元件，係具有對應該開關元件之電阻值，且分別地與各該應力參考方向感測電阻器串聯，用以匹配該開關元件。
7. 如申請專利範圍第3項所述之主動式應力感測裝置，復包括微處理器，係與該訊號放大器及該開關元件電性連接，用以擷取該應力感測訊號並控制該開關元件。
8. 如申請專利範圍第1項所述之主動式應力感測裝置，復包括電源，係與該惠斯登電橋電路結構電性連接。
9. 一種主動式應力感測裝置，係應用於監測該晶圓上之一受應力之位置，包括：複數個應力參考方向感測電阻器，其中，各該應力參考方向感測電阻器具有第一電阻值且與該受應力 之位置具有第一感測距離；以及至少一應力感測器，係與該複數個應力參考方向感測電阻器連結，依惠斯登電橋電路結構配置，以產生一應力感測訊號，該應力感測器包含：複數個應力距離感測電阻器，係分別具有該第一電阻值且該些應力距離感測電阻器係彼此並聯，其中，該複數個應力距離感測電阻器係以該第一感測距離為基準，將該應力產生位置定為圓心而分別以不同之距離變化量且朝該圓心之方向設置於該惠斯登電橋電路結構上，以使該應力感測器具有不同之感測距離；及複數個開關元件，係分別地與各該應力距離感測電阻器串聯，用以選定該複數個應力距離感測電阻器之一者以進行對應該所選定之應力距離感測電阻器之感測距離應力感測。
10. 如申請專利範圍第9項所述之主動式應力感測裝置，其中，該應力參考方向感測電阻器及該應力距離感測電阻器係為隨應力產生阻值變化之電阻器。
11. 如申請專利範圍第9項所述之主動式應力感測裝置，復包括訊號放大器，係與該惠斯登電橋電路結構電性連接，用以放大該應力感測訊號。
12. 如申請專利範圍第11項所述之主動式應力感測裝置，其中，該訊號放大器係藉由輸入校正偏壓，以降低該主動式應力感測裝置之底補電壓。
13. 如申請專利範圍第9項所述之主動式應力感測裝置，其中，二組該應力感測器中之一者係接置於該惠斯登電橋電路結構之一側，並電性連接位於該第一感測距離之一組應力參考方向感測電阻器以形成第一側電路，且二組該應力感測器中之另一者係接置於該惠斯登電橋電路結構之另一側，並同樣電性連接位於該第一感測距離之另一組應力參考方向感測電阻器以形成第二側電路，且其中，該等應力參考方向感測電阻器係對應於該應力感測器中之應力距離感測電阻器呈對角配置，又該開關元件係同時選定該第一側電路之應力感測器與該第二側電路之應力感測器中具有相同感測距離之一對應力距離感測電阻器及其對應之應力參考方向感測電阻器，以進行所選定之感測距離應力感測。
14. 如申請專利範圍第9項所述之主動式應力感測裝置，復包括複數個阻抗匹配元件，係具有對應該開關元件之電阻值，且分別地與各該應力參考方向感測電阻器串聯，用以匹配該開關元件。
15. 如申請專利範圍第11項所述之主動式應力感測裝置，復包括微處理器，係與該訊號放大器及該開關元件電性連接，用以擷取該應力感測訊號並控制該開關元件。
16. 如申請專利範圍第9項所述之主動式應力感測裝置，復包括電源，係與該惠斯登電橋電路結構電性連接。