[发明专利]硅单晶片的残余应力的测试方法

说明书

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）