專利名稱:一種單晶材料的抗彎曲強度機械測量裝置的制作方法
本實用新型屬于利用機械應力研究固體材料強度的測量裝置。(國際專利分類為G01N3／OO)。
已有技術狀況在半導體器件生產(chǎn)過程中，由于單晶片的彎曲變形而造成成品率下降的情況，隨著硅片直徑的增大而日趨嚴重。人們迫切希望在投料之前，預先了解硅片等單晶材料的抗彎曲強度，以便減少不必要的損失。目前生產(chǎn)上使用的硅單晶是一種各向異性材料。在集中力作用下，不同晶向的硅片有不同的力的分布。即使是相同晶向的硅片，其力的分布也會因支點的變化而異。直到提出本實用新型為止，現(xiàn)有的晶體材料抗彎曲強度測試方法都是借助于材料力學中各向同性材料的測試方法。如日本學者Miyazaki在《SEMICON－DUCTOR SILICON》P.223～230。(1980年版)雜志上介紹的就是采用條狀樣品(如附圖1)。三點簡支。中心自上而下施加直線狀集中力。圖1所示的裝置有以下四點局限性1.只能適用于各向同性的材料。而目前生產(chǎn)中使用的多數(shù)是各向異性材料。2.在取樣方式上，要從原始的大圓片單晶上截取條狀樣品。切割后的單晶截面會造成平滑或不平滑的沿晶向分開的解理面。形成如圖2所示的ABCD平行四邊形。Miyazaki所要求的ABCD應為矩形。若再進行研磨加工，又會引進新的機械損傷與位錯源，影響測量精度。3.采用砝碼加載，不能形成連續(xù)性載荷測量。4.由圖1所示需配置一套激光掃描與計算機控制系統(tǒng)，既不經(jīng)濟使用又不方便。
本實用新型的目的在于針對上述測試裝置的局限性，提出一種能直接測量各向異性的原始單晶大圓片的抗彎曲強度的機械裝置。重點改進取樣方式和對樣品加載受力的方向。并通過一套簡便的加載機構，在測量中可同時獲得單晶片所承受的載荷量及相應的硅片中心點的位移量。
如圖3所示本實用新型在外觀上看，為一個帶三個腳的金屬圓筒〔6〕。由樣品架、測力傳感器、加載機構三部分組成。其中〔1〕為一個內(nèi)壁有螺紋的金屬圓環(huán)。一個帶有外螺紋的內(nèi)卡圈〔2〕施放在其內(nèi)，這樣〔1〕與〔2〕可將樣品圓片夾在中間。樣品架〔1〕上等距離地開有24個螺紋孔。另外調(diào)節(jié)樣品支點的螺釘〔16〕通過螺紋孔以調(diào)節(jié)不同支點的位置。使硅單晶片與樣品架的接觸呈三點式、四點式、多點式或圓周式。以適應測量和研究各種各向異性的或各向同性的單晶材料需要。樣品架〔1〕通過螺釘固定在圓筒上蓋〔4〕上。
圖3所示的中部為一個測力傳感器機構。它包括傳感器扁環(huán)〔7〕″T″型上導向器〔5〕，上加載絲桿〔3〕?！錞″型下導向器〔9〕。下加載絲桿〔8〕等部件。傳感器〔7〕選用具有彈性的合金材料做成，如Cr40合金材料，彈簧鋼，合金鋁等。圖5所示傳感器〔7〕的兩端呈薄壁圓環(huán)。環(huán)的內(nèi)壁半徑R11＝11毫米，外壁半徑R12＝12毫米。兩環(huán)圓心間距為56毫米扁環(huán)的上側中央有一個螺紋孔M5。扁環(huán)下側中央呈凹球面。半徑R＝25MM。扁環(huán)〔5〕兩端的圓環(huán)中心各開一個直徑不大于4毫米的小孔，在小孔的內(nèi)、外側，孔的附近各粘貼一片箔式電阻應變片〔15〕，并將四片電阻應變片連結成橋路結構(如圖4所示)。其接線從圓筒壁〔6〕一側內(nèi)引出。傳感器橫向長度一般不應小于被測圓片直徑的三分之一以上參考尺寸可適用于φ75－100毫米的圓片單晶材料。
加載測力機構是通過傳感器對待測樣品在中心連續(xù)加載壓力的機構。它包括圖3下部的加載齒輪〔12〕。當加載齒輪〔12〕向上旋進時下加載絲桿〔8〕的上端的凸球面。與測力傳感器〔7〕下側中央的凹球面正好相吻合。絲桿〔8〕的外螺紋與加載齒輪〔12〕的內(nèi)螺紋構成差分結構。下導向器〔9〕與下加載絲桿〔8〕之間實現(xiàn)同心配合。為保證加載齒輪在轉(zhuǎn)動時緩慢、正確地控制加載絲桿〔8〕的上下直線運動。在〔9〕的內(nèi)側，〔8〕的外側各開一個相等寬度和深度的凹槽。在凹槽內(nèi)嵌入一根銅絲。圓柱形的上加載桿〔6〕其上端是一錐體。頂端呈球面，使此桿〔6〕與樣品呈點接觸，下部為一個螺栓，與測力傳感器〔7〕上側的螺紋孔相連接。
需要注意的是，對于任何結構的金屬傳感器，均應在完成加工后對其先進行″力——應變″曲線的標定工作。繪出各只具體金屬測力傳感器的″應變——力″曲線，以便測量時查對。
使用實用新型的實施例是按上面所述的測量裝置，在樣品架〔1〕內(nèi)裝入硅片，并固定在上蓋〔4〕上，然后轉(zhuǎn)動加載齒輪〔12〕，使絲桿〔8〕帶動扁環(huán)形測力傳感器〔7〕和絲桿〔3〕向上運動，使加載桿〔3〕的球面端接觸到硅片下表面。硅片脫離內(nèi)卡圈〔2〕，并頂住樣品架〔1〕內(nèi)部的下沿或頂住支點螺紋〔16〕的球面端。調(diào)節(jié)千分表〔17〕使之剛好接觸到硅片中心，并置零。調(diào)節(jié)電阻應變儀的零點及靈敏度系數(shù)。然后緩慢轉(zhuǎn)動加載齒輪〔12〕。當單晶片受力后，即可以從電阻應變儀上讀出測力傳感器〔7〕應變量。從已標定好的″應變——力″曲線上可查到相應的力的大小。從千分表上可讀出單晶樣品中心位移量。
如果一個扁環(huán)或測力傳感器的″應變——力″曲線方程為P＝2.06×10－2σkg在測量中從電阻式應變儀上讀得應變量為σ＝97με，則從″應變——力″曲線上可知此時硅片受到的作用力為2kg。
上述對該實用新型裝置的操作說明并非構成對實用新型的保護限制，只是作為一種最佳實施方案。如對其作其它的變換也是可能的。例如，扁環(huán)形測力傳感器〔7〕可用開孔的懸臂梁式傳感器來代替也可以得到相同的效果。加載齒輪〔12〕可以通過單板機控制步進馬達來帶動加載絲桿〔8〕作上下運動。測量硅片中心位移量可以不用千分表而用其它位移傳感器。如光柵式位移傳感器來代替，都能收到同樣效果。
采用該測試裝置可以不受單晶材料是否各向同性或異性的限制也不用擔心樣品材料因切割而帶來的其它機械損傷。隨著目前微電子工業(yè)的發(fā)展，硅單晶材料的直徑已達到φ125MM。若能在投片之前就能預檢一下材料的抗彎曲強度。抽樣檢驗各道工藝中硅片抗彎曲強度的變化情況。這對于改進器件工藝，提高各類半導體器件和大規(guī)模集成電路的合格率，無疑將會帶來更多的經(jīng)濟效益。
權利要求
1.一種單晶材料抗彎曲強度機械測量裝置，由樣品架、加載測力機構、帶有一只千分表的測位移傳感器和電阻式應變測試儀組成。本實用新型特征在于樣品架由可以放置各種直徑單晶圓片的圓形樣品架[1]。固定樣品的內(nèi)卡圈[2]組成。測力加載機構由一只加載齒輪[12]加載絲桿[8]與其配套的“T”型下導向器[9]組成。測力傳感器由扁環(huán)形合金材料傳感器[7]，“T”型上導向器[5]，上加載機構[3]組成。
2.如權利要求
1所述的裝置，其特征在于其下加載絲桿〔8〕的外壁和下導向器〔9〕的內(nèi)壁各開有一條相等寬度與相同深度的。可以嵌入一根銅絲的凹槽。
3.如權利要求
1所述裝置，其特征在于環(huán)形樣品架〔1〕上支撐圓形樣片的圓周上等距離地開有24個螺紋孔。每個孔都配有一個下端為圓錐體的支點螺紋〔16〕。
4.如權利要求
1所述的裝置，其特征在于上加載桿〔3〕的上端為圓錐體，下端為一個能與傳感器〔7〕上側的螺紋孔相配合的螺栓。
5.如權利要求
1所述的裝置，其特征在于扁環(huán)形測力傳感器〔7〕的兩端為一薄壁圓環(huán)，薄壁中心各開一個直徑不大于4毫米的小孔。傳感器下側表面中央為一個凹球面，上側面有一個加載桿〔3〕的螺栓可與之相接的螺孔。
6.如權利要求
5所述傳感器〔7〕，作為一種變換。測力傳感器〔7〕可以做成水平方向開孔的懸臂梁式結構。
7.如權利要求
1所述，測力傳感器〔7〕用金屬材料做成，如Cr40合金，或鋁合金，或彈簧鋼等。
8.如權利要求
1所述，圓柱形的下如載絲桿〔8〕的上端為凸環(huán)形。
9.如權利要求
1所述，作為一種變換，加載機構可以通過單板機控制步進馬達來實現(xiàn)，或用手動裝置。
10.按權利要求
1所述，作為一種變換，位移測量裝置〔17〕可采用光柵式位移傳感器。
專利摘要
該裝置是針對各向異性的晶體材料需進行抗彎曲強度測量而提出來的。該裝置包括一個特殊設計的樣品架，一套由下而上連續(xù)加載測力機構和位移傳感器。它可以通過調(diào)節(jié)樣品架上24個螺釘位置，使單晶片與樣品架呈多點式接觸，以適應(100)、(111)等晶向材料的抗彎曲強度測量。測量不用切割樣品，并能用于φ33φ125毫米各種圓片材料的直接測量。該裝置是半導體器件工藝過程中，控制投片質(zhì)量的理想檢測工具。
文檔編號G01N3/20GK85201254SQ85201254
公開日1986年6月25日 申請日期1985年4月1日
發(fā)明者顧孝義, 宗祥福 申請人:復旦大學導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan