[發(fā)明專(zhuān)利]一種基于掃描電子顯微鏡的芯片熱變形測(cè)量方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710852515.8
• 申請(qǐng)日: 2017-09-20
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN107677697B
• 公開(kāi)（公告）日: 2019-05-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李中偉;劉行健;史玉升
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 華中科技大學(xué);深圳華中科技大學(xué)研究院
• 主分類(lèi)號(hào): G01N25/00
• 分類(lèi)號(hào): G01N25/00;G01B11/16;G01B15/06
• 代理公司: 華中科技大學(xué)專(zhuān)利中心 42201
• 代理人: 王世芳;李智

本發(fā)明公開(kāi)基于掃描電子顯微鏡的芯片熱變形測(cè)量方法，屬于材料性能檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，本發(fā)明利用掃描電子顯微鏡的高景深和高分辨率特性，通過(guò)與原位加熱裝置的集成，充分考慮了熱影響及系統(tǒng)畸變帶來(lái)的測(cè)量誤差并對(duì)其進(jìn)行校正；利用畸變校正后的散斑圖像，通過(guò)數(shù)字圖像相關(guān)算法計(jì)算求得芯片由于受熱而產(chǎn)生變形的面內(nèi)變形場(chǎng)。在上述基礎(chǔ)上，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了微納尺度的芯片全場(chǎng)熱變形測(cè)量并在實(shí)際工程中進(jìn)行了應(yīng)用。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于材料性能檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于掃描電子顯微鏡的芯片熱變形測(cè)量方法。

背景技術(shù)

隨著半導(dǎo)體行業(yè)的不斷進(jìn)步，微機(jī)電系統(tǒng)(Micro Electro-Mechanical Systems，MEMS)得到了極大發(fā)展。MEMS器件通常采用芯片組件的形式進(jìn)行封裝制造。芯片組件通常由多種不同的納米材料組成，材料的彈性模量和熱膨脹系數(shù)不同，在不同的負(fù)載、濕度和溫度條件下，材料連接處易產(chǎn)生裂紋導(dǎo)致芯片失效。尤其是在封裝過(guò)程中，各層材料的熱膨脹系數(shù)存在差異，在封裝后，芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在較大的熱應(yīng)力，殘余應(yīng)力。這在整個(gè)芯片內(nèi)部會(huì)引起熱變形，影響整個(gè)芯片的工作響應(yīng)及服役壽命。因此，在微納尺度下對(duì)芯片的熱變形進(jìn)行精確測(cè)量，對(duì)了解芯片材料的力學(xué)性能和變形特性、指導(dǎo)微納器件的設(shè)計(jì)和制造、分析芯片的失效機(jī)制具有重要意義。

然而，隨著芯片制造工藝水平迅速發(fā)展，材料尺度從微米量級(jí)到納米量級(jí)不斷減小。因此，對(duì)其進(jìn)行變形測(cè)量也越來(lái)越困難。

在微納尺度下，在宏觀尺度應(yīng)用較廣的傳統(tǒng)接觸式測(cè)量方法如：應(yīng)變片，引伸計(jì)等不再適用。近年來(lái)，隨著光學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展，出現(xiàn)了多種光測(cè)力學(xué)方法。根據(jù)測(cè)量原理的不同，其可以分為兩大類(lèi)：干涉法與非干涉法。對(duì)于干涉方法，主要包括全息干涉【M,Houdellier F,Hüe F&Snoeck E.Nanoscale holographic interferometry for strainmeasurements in electronic devices.Nature,2008,453(7198):1086-1089】、云紋法【W(wǎng)ang Q H,Xie H M,Hu Z X,Zhang J,Sun J&Liu G.Residual thermo-creepdeformation of copper interconnects by phase-shifting SEM moirémethod.AppliedMechanics and Materials,2011,83:185-190】等。然而上述干涉法需要相對(duì)嚴(yán)苛的實(shí)驗(yàn)條件，例如：相干光源、無(wú)震動(dòng)光學(xué)臺(tái)和較小的測(cè)量范圍等。因此，干涉法的應(yīng)用具有一定的局限性。

對(duì)于非干涉法，數(shù)字圖像相關(guān)(Digital Image Correlation,DIC)【Sutton M A,Orteu J J,Schreier H W.Image correlation for shape,motion and deformationmeasurements.Springer,New York,doi,2009,10:978-0】是其中一種典型的代表。該方法利用變形前后物體表面散斑圖像的相關(guān)性來(lái)獲取二維或三維變形信息，與前述干涉法的光測(cè)方法相比，測(cè)量過(guò)程和試樣準(zhǔn)備簡(jiǎn)單，且無(wú)需相干激光照明和隔振，對(duì)測(cè)量環(huán)境要求較低。

由于上述優(yōu)勢(shì)，數(shù)字圖像相關(guān)方法已成為當(dāng)前實(shí)驗(yàn)力學(xué)領(lǐng)域最活躍也是最受關(guān)注的光測(cè)力學(xué)方法之一，在宏觀的材料和結(jié)構(gòu)表面變形測(cè)量、力學(xué)和物理參數(shù)表征以及驗(yàn)證力學(xué)理論和有限元分析的正確性等方面獲得了大量卓有成效的成功應(yīng)用。

在微納尺度，數(shù)字圖像相關(guān)方法可與不同空間分辨率的數(shù)字成像設(shè)備(如光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡、原子力顯微鏡等)結(jié)合，展現(xiàn)了很強(qiáng)的技術(shù)適應(yīng)性和應(yīng)用潛力。其中，掃描電子顯微鏡(SEM)具有納米尺度級(jí)別的分辨率、高景深、易用性高并且放大倍率可由低倍(10×)到高倍(高達(dá)50000×)調(diào)節(jié)等特點(diǎn)，是在微觀領(lǐng)域獲取數(shù)字散斑圖像的較佳途徑。但是，由于掃描電子顯微鏡成像原理與普通光學(xué)成像設(shè)備不同，導(dǎo)致在圖像存在著復(fù)雜畸變；變溫環(huán)境也會(huì)對(duì)掃描電子顯微鏡的穩(wěn)定性造成影響并帶來(lái)額外的熱噪聲；上述因素均會(huì)降低芯片熱變形的測(cè)量精度。