显微DIC光学测量技术用于单晶硅高低温热膨胀变形测量

　　膨胀系数(Coefficient of Thermal Expansion, CTE)是材料科学和工程中的一项关键物理性能参数，尤其在微电子、半导体、精密仪器和高温应用领域尤为重要。单晶硅作为半导体器件的核心材料，其热膨胀行为对器件的可靠性和性能有着直接影响。传统上，膨胀系数的测量通常依赖于金属箔法、干涉法或X射线衍射等方法，这些方法在精度、适用性和复杂性方面各有局限。

　　近年来，显微数字图像相关(Microscopic Digital Image Correlation, μDIC)技术因其高精度、非接触式和自动化等优势，逐渐成为材料变形和膨胀行为研究的新兴工具。通过显微DIC技术，研究温度变化下单晶硅的膨胀系数，并探讨该技术在微尺度材料表征中的应用潜力。

　　新拓三维XTDIC-MICRO显微应变测量系统，可搭配光学冷热台(-190℃—600℃)，用于微观尺度的材料力学测试，及芯片半导体材料和器件的热膨胀系数、翘曲和位移、应变等参数的测试分析，具有精度高、体积小等优点。

　　XTDIC-MICRO显微应变测量系统技术参数：

　　测量维度：二维、三维

　　测量视野：1mm~10mm

　　测量精度：精度最高可达20με，范围(0.005%—500%)

　　温度箱加热装置：-190℃—600℃

　　微小尺寸力学测试：试验机(5000N)

　　显微DIC技术用于膨胀参数CTE测定

　　测试目的

　　采用显微DIC应变测量系统，在不同温度环境下评估单晶硅CTE系数，并记录测试过程以及测试结果，相关的试验数据可用于验证解析模型的正确性。

　　单晶硅试样表面制作散斑

　　精确度测试验证

　　实验开始前，使用晶体硅试样，对显微DIC测量系统设备准确度分析，已知单晶硅CTE值为：2.62×10^(-6)/℃(引自《集成电路入门》，P.13)，以此进行DIC显微测量准确度确认。

　　新拓三维显微DIC测量系统测得数据精度较高，初始状态对比数据：

　　X 向平均分布：2.75E-06~2.94E-06

　　Y 向平均分布：2.65E-06~2.88E-06

　　单晶硅 CTE实验过程

　　(1) 试验前，先将单晶硅测试样品进行单次热处理，以消除产品试样内应力影响。

　　热处理条件：分别在光学冷热系统将单晶硅试样温度降至20°C(液氮降温)，然后提升至50°C、75℃、100℃、125℃，中间保持2-5min，温度保持完成后，DIC显微测量系统分别以1Hz采集速率采集10张图片。

　　X，Y分别9条等距;边缘留100um，方向：圆形Mark点向右，计算并记录X，

　　Y 方向不同位置的CTE，(温度达到 125℃，稳定2min，取10数据点的平均值);

　　采用DIC软件分析采集的图像，可获取X、Y方向不同位置的CTE。热胀系数CTE，通常采用线性膨胀系数衡量，定义为：单位温度改变下长度的增加量与原长度的比值，如Z-CTEZ+。CTE值越低，尺寸稳定性越好，反之越差。

　　DIC软件CTE分析：X向数据分析

　　数据分析分为两种计算方案，一种为与前状态数据进行对比，分析CTE。一种是各状态与初始状态进行对比，分析CTE。

　　X 方向（横向）

　　与上一状态对比分析CTE

　　75℃~100℃： 3.12E-06

　　与初始状态对比分析CTE

　　20℃~50℃： 2.75E-06

　　50℃~75℃： 2.76E-06

　　Y向数据分析

　　数据分析分为两种计算方案，一种为与前状态数据进行对比，分析 CTE。一种是各状态与初始状态进行对比，分析 CTE。

　　Y 方向（横向）

　　与上一状态对比分析CTE

　　75℃~100℃： 3.04E-06

　　与初始状态对比分析CTE

　　显微DIC测量系统实测软件界面：

　　变量与温度/应变的关系图：

　　说明：此段由于中间删除 10 张照片导致缺失部分照片，从而坡度较大

　　单晶硅试样在25°，50°，100°，125℃温度下的应变分布图

　　单晶硅的热膨胀系数是一个非常重要的参数，其大小余晶体的结构密切相关。在生产制造和科研应用中，需充分了解单晶硅的热膨胀性质，以便在实际操作中减少由于热膨胀导致的变形和损坏。

　　采用新拓三维XTDIC-MICRO显微应变测量系统，结合光学冷热台，在高低温环境下对单晶硅进行热膨胀CTE测试，DIC软件分析输出X、Y方向不同位置的CTE，分析单位温度改变下长度的增加量与原长度的比值，为分析单晶硅热膨胀系数提供可靠的数据。