DIC测试背景

在集成电路和其他硅器件的高温工艺中，单晶硅热变形和翘曲是普遍存在的现象，是器件工艺中最重要、最困难的问题之一。硅片翘曲会给复杂线路图的光刻工艺带来困难，使器件成品率和性能受到很大影响。

采用新拓三维XTDIC三维全场应变测量系统，搭配温度控制箱，可用于高温环境下的单晶硅热变形测试，DIC技术通过追踪获取单晶硅材料表面的散斑图像，解算出在各个变形状态下单晶硅表面的位移场分布情况，分析单晶硅材料热变形以及翘曲情况。

DIC测试对象

测试单晶硅材料尺寸为6英寸（直径150mm毫米，厚度1mm）。

DIC测试目的

单晶硅材料于恒温温箱内升温，采用XTDIC三维全场应变测量系统测试样件全场位移场分布情况，以向客户提供全场位移及变形数据结果。

热变形测试方法

单晶硅试样在温控箱中，从0℃~150℃升温过程中，每隔10°采集分析，5°C/min，分析单晶硅样件各个温度阶段位移场分布。

测量单晶硅尺寸较大，相较于以往显微分析或者小分辨率镜头的测试，DIC技术分析数据准确度可能会受幅面影响，需观察静态数据分布是否均匀。

为了验证XTDIC系统数据准确性，进行静态精度验证，以及通过高温消除应力、内外循环风扇干扰，对比分析测试变形数据，保证和提升在高温环境下测试的可行性和准确性。

DIC测试精度验证策略

1、DIC测试静态精度验证

将XTDIC三维全场应变测量系统调整至测试位置，验证过程实时对光源、相机角度、相机间距、测量距离等内容进行调整（保证采集数据不受设备本身精度影响）

静态精度验证数据

XTDIC三维全场应变测量系统于最佳测试位置处静态采集5张图像，分析单晶硅试样最大主应变，实测数据：最大主应变不超过20μe，DIC测试精度达到理想状态。

2、高温消除应力

将被测物放置于温箱内，升高温度至200℃。保温30min以上，以消除材料自身应力，温度达到后，自然冷却至室温。（避免材料自身应力对数据产生干扰）

3、内循环风扇干扰

由于内循环风扇与温箱为刚性连接，所以温箱会受到风扇振动的干扰。通过分析关闭风扇后多长时间数据最稳定，作为DIC图像采集段。（排除内部风扇干扰以及内部高温气流干扰）

内循环风扇扰动测试数据

关闭内循环风扇的同时，XTDIC三维全场应变测量系统进行图像采集，采集20s左右，采集3组。分析曲线稳定位置。实测：关闭风扇后1.2s~2.5s内数据分布最均匀，数据波动最小。

4、外部风扇干扰

温箱在升温过程中，顶部玻璃视窗会产生热气流扰动，需设计横向吹风的外部风扇，将热气流吹走。（判断外部风扇对数据影响）

外部风扇干扰测试数据

将样件升温至100℃，保持30min后，打开外部风扇XTDIC系统采集一次，关闭外部风扇采集一次。每次间隔5min，采集3组数据，分析开关风扇对测量数据的影响。每次采集5张图像，分析每次采集数据最大的应变值。（理论多张图像计算数据应越小越好）

实测数据表明：打开风扇数据明显更加稳定，且波动小。

DIC测试数据结果

采用新拓三维XTDIC三维全场应变测量系统，得到单晶硅材料试样表面在升温过程中的位移场，下表可清晰地看到单晶硅材料在热载荷作用下产生的变形量。

DIC软件自带热膨胀CTE功能，对单晶硅试样进行CTE分布分析。如下为单晶硅试样升温过程位移场分布：

表一

表二

表三

表四

基础状态数据展示

基础状态数据，是用来观察DIC相机基础帧数据跳动情况的指标，基础帧的跳动数据，反映了整体设备采集过程中数据的变化程度。

表五

采用新拓三维XTDIC三维全场应变测量系统，结合温控箱热加载方法，实现高温环境下的非接触式变形测试。DIC技术结合温控箱，从室温到200℃的温度加载，结合内外循环风扇排除热气流干扰，具有温度可控、DIC位移测试精确可靠等优点。

测试结论

XTDIC三维全场应变测量系统实现了不同温度环境下单晶硅试件表面的位移场分析，测试数据表明：位移场随温度升高，逐渐出现中心位移量小，边缘位移量大的递增趋势，呈中心低边缘高分布。单晶硅试件表面的热变形为材料和结构仿真分析提供数据验证，对于提高半导体器件的制造质量和可靠性具有重要意义。