專利名稱:一種單晶材料的抗彎曲強(qiáng)度機(jī)械測(cè)量裝置的制作方法
本實(shí)用新型屬于利用機(jī)械應(yīng)力研究固體材料強(qiáng)度的測(cè)量裝置。(國際專利分類為G01N3／OO)。
已有技術(shù)狀況在半導(dǎo)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(yán)重。人們迫切希望在投料之前，預(yù)先了解硅片等單晶材料的抗彎曲強(qiáng)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(huì)因支點(diǎn)的變化而異。直到提出本實(shí)用新型為止，現(xiàn)有的晶體材料抗彎曲強(qiáng)度測(cè)試方法都是借助于材料力學(xué)中各向同性材料的測(cè)試方法。如日本學(xué)者M(jìn)iyazaki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(diǎn)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(diǎn)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(huì)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(yīng)為矩形。若再進(jìn)行研磨加工，又會(huì)引進(jìn)新的機(jī)械損傷與位錯(cuò)源，影響測(cè)量精度。3.采用砝碼加載，不能形成連續(xù)性載荷測(cè)量。4.由圖1所示需配置一套激光掃描與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，既不經(jīng)濟(jì)使用又不方便。
本實(shí)用新型的目的在于針對(duì)上述測(cè)試裝置的局限性，提出一種能直接測(cè)量各向異性的原始單晶大圓片的抗彎曲強(qiáng)度的機(jī)械裝置。重點(diǎn)改進(jìn)取樣方式和對(duì)樣品加載受力的方向。并通過一套簡便的加載機(jī)構(gòu)，在測(cè)量中可同時(shí)獲得單晶片所承受的載荷量及相應(yīng)的硅片中心點(diǎn)的位移量。
如圖3所示本實(shí)用新型在外觀上看，為一個(gè)帶三個(gè)腳的金屬圓筒〔6〕。由樣品架、測(cè)力傳感器、加載機(jī)構(gòu)三部分組成。其中〔1〕為一個(gè)內(nèi)壁有螺紋的金屬圓環(huán)。一個(gè)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(gè)螺紋孔。另外調(diào)節(jié)樣品支點(diǎn)的螺釘〔16〕通過螺紋孔以調(diào)節(jié)不同支點(diǎn)的位置。使硅單晶片與樣品架的接觸呈三點(diǎn)式、四點(diǎn)式、多點(diǎn)式或圓周式。以適應(yīng)測(cè)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(gè)測(cè)力傳感器機(jī)構(gòu)。它包括傳感器扁環(huán)〔7〕″T″型上導(dǎo)向器〔5〕，上加載絲桿〔3〕?！錞″型下導(dǎo)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(cè)中央有一個(gè)螺紋孔M5。扁環(huán)下側(cè)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(gè)直徑不大于4毫米的小孔，在小孔的內(nèi)、外側(cè)，孔的附近各粘貼一片箔式電阻應(yīng)變片〔15〕，并將四片電阻應(yīng)變片連結(jié)成橋路結(jié)構(gòu)(如圖4所示)。其接線從圓筒壁〔6〕一側(cè)內(nèi)引出。傳感器橫向長度一般不應(yīng)小于被測(cè)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(cè)力機(jī)構(gòu)是通過傳感器對(duì)待測(cè)樣品在中心連續(xù)加載壓力的機(jī)構(gòu)。它包括圖3下部的加載齒輪〔12〕。當(dāng)加載齒輪〔12〕向上旋進(jìn)時(shí)下加載絲桿〔8〕的上端的凸球面。與測(cè)力傳感器〔7〕下側(cè)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(gòu)成差分結(jié)構(gòu)。下導(dǎo)向器〔9〕與下加載絲桿〔8〕之間實(shí)現(xiàn)同心配合。為保證加載齒輪在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)緩慢、正確地控制加載絲桿〔8〕的上下直線運(yùn)動(dòng)。在〔9〕的內(nèi)側(cè)，〔8〕的外側(cè)各開一個(gè)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(diǎn)接觸，下部為一個(gè)螺栓，與測(cè)力傳感器〔7〕上側(cè)的螺紋孔相連接。
需要注意的是，對(duì)于任何結(jié)構(gòu)的金屬傳感器，均應(yīng)在完成加工后對(duì)其先進(jìn)行″力——應(yīng)變″曲線的標(biāo)定工作。繪出各只具體金屬測(cè)力傳感器的″應(yīng)變——力″曲線，以便測(cè)量時(shí)查對(duì)。
使用實(shí)用新型的實(shí)施例是按上面所述的測(cè)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(dòng)加載齒輪〔12〕，使絲桿〔8〕帶動(dòng)扁環(huán)形測(cè)力傳感器〔7〕和絲桿〔3〕向上運(yùn)動(dòng)，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(diǎn)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(yīng)變儀的零點(diǎn)及靈敏度系數(shù)。然后緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)加載齒輪〔12〕。當(dāng)單晶片受力后，即可以從電阻應(yīng)變儀上讀出測(cè)力傳感器〔7〕應(yīng)變量。從已標(biāo)定好的″應(yīng)變——力″曲線上可查到相應(yīng)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(gè)扁環(huán)或測(cè)力傳感器的″應(yīng)變——力″曲線方程為P＝2.06×10－2σkg在測(cè)量中從電阻式應(yīng)變儀上讀得應(yīng)變量為σ＝97με，則從″應(yīng)變——力″曲線上可知此時(shí)硅片受到的作用力為2kg。
上述對(duì)該實(shí)用新型裝置的操作說明并非構(gòu)成對(duì)實(shí)用新型的保護(hù)限制，只是作為一種最佳實(shí)施方案。如對(duì)其作其它的變換也是可能的。例如，扁環(huán)形測(cè)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(jī)控制步進(jìn)馬達(dá)來帶動(dòng)加載絲桿〔8〕作上下運(yùn)動(dòng)。測(cè)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(cè)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(dān)心樣品材料因切割而帶來的其它機(jī)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(dá)到φ125MM。若能在投片之前就能預(yù)檢一下材料的抗彎曲強(qiáng)度。抽樣檢驗(yàn)各道工藝中硅片抗彎曲強(qiáng)度的變化情況。這對(duì)于改進(jìn)器件工藝，提高各類半導(dǎo)體器件和大規(guī)模集成電路的合格率，無疑將會(huì)帶來更多的經(jīng)濟(jì)效益。
權(quán)利要求
1.一種單晶材料抗彎曲強(qiáng)度機(jī)械測(cè)量裝置，由樣品架、加載測(cè)力機(jī)構(gòu)、帶有一只千分表的測(cè)位移傳感器和電阻式應(yīng)變測(cè)試儀組成。本實(shí)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(cè)力加載機(jī)構(gòu)由一只加載齒輪[12]加載絲桿[8]與其配套的“T”型下導(dǎo)向器[9]組成。測(cè)力傳感器由扁環(huán)形合金材料傳感器[7]，“T”型上導(dǎo)向器[5]，上加載機(jī)構(gòu)[3]組成。
2.如權(quán)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(dǎo)向器〔9〕的內(nèi)壁各開有一條相等寬度與相同深度的?？梢郧度胍桓~絲的凹槽。
3.如權(quán)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(gè)螺紋孔。每個(gè)孔都配有一個(gè)下端為圓錐體的支點(diǎn)螺紋〔16〕。
4.如權(quán)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(gè)能與傳感器〔7〕上側(cè)的螺紋孔相配合的螺栓。
5.如權(quán)利要求
1所述的裝置，其特征在于扁環(huán)形測(cè)力傳感器〔7〕的兩端為一薄壁圓環(huán)，薄壁中心各開一個(gè)直徑不大于4毫米的小孔。傳感器下側(cè)表面中央為一個(gè)凹球面，上側(cè)面有一個(gè)加載桿〔3〕的螺栓可與之相接的螺孔。
6.如權(quán)利要求
5所述傳感器〔7〕，作為一種變換。測(cè)力傳感器〔7〕可以做成水平方向開孔的懸臂梁式結(jié)構(gòu)。
7.如權(quán)利要求
1所述，測(cè)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(quán)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(quán)利要求
1所述，作為一種變換，加載機(jī)構(gòu)可以通過單板機(jī)控制步進(jìn)馬達(dá)來實(shí)現(xiàn)，或用手動(dòng)裝置。
10.按權(quán)利要求
1所述，作為一種變換，位移測(cè)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(duì)各向異性的晶體材料需進(jìn)行抗彎曲強(qiáng)度測(cè)量而提出來的。該裝置包括一個(gè)特殊設(shè)計(jì)的樣品架，一套由下而上連續(xù)加載測(cè)力機(jī)構(gòu)和位移傳感器。它可以通過調(diào)節(jié)樣品架上24個(gè)螺釘位置，使單晶片與樣品架呈多點(diǎn)式接觸，以適應(yīng)(100)、(111)等晶向材料的抗彎曲強(qiáng)度測(cè)量。測(cè)量不用切割樣品，并能用于φ33φ125毫米各種圓片材料的直接測(cè)量。該裝置是半導(dǎo)體器件工藝過程中，控制投片質(zhì)量的理想檢測(cè)工具。
文檔編號(hào)G01N3/20GK85201254SQ85201254
公開日1986年6月25日 申請(qǐng)日期1985年4月1日
發(fā)明者顧孝義, 宗祥福 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan