DIC測試背景
在集成電路和其他硅器件的高溫工藝中，單晶硅熱變形和翹曲是普遍存在的現(xiàn)象，是器件工藝中最重要、最困難的問題之一。硅片翹曲會給復(fù)雜線路圖的光刻工藝帶來困難，使器件成品率和性能受到很大影響。
采用新拓三維XTDIC三維全場應(yīng)變測量系統(tǒng)，搭配溫度控制箱，可用于高溫環(huán)境下的單晶硅熱變形測試，DIC技術(shù)通過追蹤獲取單晶硅材料表面的散斑圖像，解算出在各個變形狀態(tài)下單晶硅表面的位移場分布情況，分析單晶硅材料熱變形以及翹曲情況。
DIC測試對象
測試單晶硅材料尺寸為6英寸（直徑150mm毫米，厚度1mm）。
DIC測試目的
單晶硅材料于恒溫溫箱內(nèi)升溫，采用XTDIC三維全場應(yīng)變測量系統(tǒng)測試樣件全場位移場分布情況，以向客戶提供全場位移及變形數(shù)據(jù)結(jié)果。
熱變形測試方法
單晶硅試樣在溫控箱中，從0℃~150℃升溫過程中，每隔10°采集分析，5°C/min，分析單晶硅樣件各個溫度階段位移場分布。
測量單晶硅尺寸較大，相較于以往顯微分析或者小分辨率鏡頭的測試，DIC技術(shù)分析數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度可能會受幅面影響，需觀察靜態(tài)數(shù)據(jù)分布是否均勻。
為了驗證XTDIC系統(tǒng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，進(jìn)行靜態(tài)精度驗證，以及通過高溫消除應(yīng)力、內(nèi)外循環(huán)風(fēng)扇干擾，對比分析測試變形數(shù)據(jù)，保證和提升在高溫環(huán)境下測試的可行性和準(zhǔn)確性。
DIC測試精度驗證策略
1、DIC測試靜態(tài)精度驗證
將XTDIC三維全場應(yīng)變測量系統(tǒng)調(diào)整至測試位置，驗證過程實時對光源、相機(jī)角度、相機(jī)間距、測量距離等內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整（保證采集數(shù)據(jù)不受設(shè)備本身精度影響）
靜態(tài)精度驗證數(shù)據(jù)
XTDIC三維全場應(yīng)變測量系統(tǒng)于最佳測試位置處靜態(tài)采集5張圖像，分析單晶硅試樣最大主應(yīng)變，實測數(shù)據(jù)：最大主應(yīng)變不超過20μe，DIC測試精度達(dá)到理想狀態(tài)。
2、高溫消除應(yīng)力
將被測物放置于溫箱內(nèi)，升高溫度至200℃。保溫30min以上，以消除材料自身應(yīng)力，溫度達(dá)到后，自然冷卻至室溫。（避免材料自身應(yīng)力對數(shù)據(jù)產(chǎn)生干擾）
3、內(nèi)循環(huán)風(fēng)扇干擾
由于內(nèi)循環(huán)風(fēng)扇與溫箱為剛性連接，所以溫箱會受到風(fēng)扇振動的干擾。通過分析關(guān)閉風(fēng)扇后多長時間數(shù)據(jù)最穩(wěn)定，作為DIC圖像采集段。（排除內(nèi)部風(fēng)扇干擾以及內(nèi)部高溫氣流干擾）
內(nèi)循環(huán)風(fēng)扇擾動測試數(shù)據(jù)
關(guān)閉內(nèi)循環(huán)風(fēng)扇的同時，XTDIC三維全場應(yīng)變測量系統(tǒng)進(jìn)行圖像采集，采集20s左右，采集3組。分析曲線穩(wěn)定位置。實測：關(guān)閉風(fēng)扇后1.2s~2.5s內(nèi)數(shù)據(jù)分布最均勻，數(shù)據(jù)波動最小。
4、外部風(fēng)扇干擾
溫箱在升溫過程中，頂部玻璃視窗會產(chǎn)生熱氣流擾動，需設(shè)計橫向吹風(fēng)的外部風(fēng)扇，將熱氣流吹走。（判斷外部風(fēng)扇對數(shù)據(jù)影響）
外部風(fēng)扇干擾測試數(shù)據(jù)
將樣件升溫至100℃，保持30min后，打開外部風(fēng)扇XTDIC系統(tǒng)采集一次，關(guān)閉外部風(fēng)扇采集一次。每次間隔5min，采集3組數(shù)據(jù)，分析開關(guān)風(fēng)扇對測量數(shù)據(jù)的影響。每次采集5張圖像，分析每次采集數(shù)據(jù)最大的應(yīng)變值。（理論多張圖像計算數(shù)據(jù)應(yīng)越小越好）
實測數(shù)據(jù)表明：打開風(fēng)扇數(shù)據(jù)明顯更加穩(wěn)定，且波動小。
DIC測試數(shù)據(jù)結(jié)果
采用新拓三維XTDIC三維全場應(yīng)變測量系統(tǒng)，得到單晶硅材料試樣表面在升溫過程中的位移場，下表可清晰地看到單晶硅材料在熱載荷作用下產(chǎn)生的變形量。
DIC軟件自帶熱膨脹CTE功能，對單晶硅試樣進(jìn)行CTE分布分析。如下為單晶硅試樣升溫過程位移場分布：
表一
表二
表三
表四
基礎(chǔ)狀態(tài)數(shù)據(jù)展示
基礎(chǔ)狀態(tài)數(shù)據(jù)，是用來觀察DIC相機(jī)基礎(chǔ)幀數(shù)據(jù)跳動情況的指標(biāo)，基礎(chǔ)幀的跳動數(shù)據(jù)，反映了整體設(shè)備采集過程中數(shù)據(jù)的變化程度。
表五
采用新拓三維XTDIC三維全場應(yīng)變測量系統(tǒng)，結(jié)合溫控箱熱加載方法，實現(xiàn)高溫環(huán)境下的非接觸式變形測試。DIC技術(shù)結(jié)合溫控箱，從室溫到200℃的溫度加載，結(jié)合內(nèi)外循環(huán)風(fēng)扇排除熱氣流干擾，具有溫度可控、DIC位移測試精確可靠等優(yōu)點(diǎn)。
測試結(jié)論
XTDIC三維全場應(yīng)變測量系統(tǒng)實現(xiàn)了不同溫度環(huán)境下單晶硅試件表面的位移場分析，測試數(shù)據(jù)表明：位移場隨溫度升高，逐漸出現(xiàn)中心位移量小，邊緣位移量大的遞增趨勢，呈中心低邊緣高分布。單晶硅試件表面的熱變形為材料和結(jié)構(gòu)仿真分析提供數(shù)據(jù)驗證，對于提高半導(dǎo)體器件的制造質(zhì)量和可靠性具有重要意義。