数字散斑DIC三维应变测量系统用于单晶硅材料热变形测量

　　随着半导体制造工艺向轻薄方向发展，单晶硅材料在高温工艺(如退火、外延生长、扩散等)中的热变形行为，对芯片性能产生决定性影响。传统测量方法难以精确表征硅片在高温下的全场变形特性，而新拓三维数字图像相关(DIC)技术为此提供了创新解决方案。

　　热变形对半导体制造的影响

　　晶格畸变：高温下硅晶格膨胀不均导致位错和缺陷

　　应力诱导迁移：热应力引起掺杂原子迁移，改变器件电学特性

　　翘曲与平整度损失：影响光刻对准精度和薄膜均匀性

　　热循环疲劳：反复加热冷却导致微裂纹萌生与扩展

　　技术难点与突破

　　单晶硅高温DIC测量的特殊挑战

　　材料特性：

　　单晶各向异性：不同晶向热膨胀系数差异显著

　　高温氧化：>800℃时表面快速生成SiO₂层

　　半透明性：高温下红外辐射穿透硅片

　　测量精度：

　　变形量级小：微应变级别(με)测量

　　温度相关性：热膨胀与热应力耦合效应

　　时间尺度：快速升降温过程的瞬态测量

　　新拓三维XTDIC三维全场应变测量系统，搭配温度控制箱，用于单晶硅热变形测量，通过追踪获取单晶硅材料表面的散斑图像，分析单晶硅表面的热变形以及翘曲情况。

　　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)。

　　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热变形以及位移数据。

　　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。

　　为了验证XTDIC三维全场应变测量系统数据准确性，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。

　　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，实现了不同温度下单晶硅试件位移场分析。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。单晶硅试件热变形分析，为材料和结构仿真分析提供数据验证，有助于提高半导体器件的制造质量和可靠性。