전자기기의 고집적화를 위해 실리콘 웨이퍼의 두께가 점점 얇아지고 있으며 이로 인해 제조공정 중 균열이나 파손이 발생할 가능성이 높아지고 있다. 본 연구에서는 300 ${\mu}m$~100 ${\mu}m$ 두께의 반도체용 단결정 실리콘 웨이퍼의 파단 강도 및 파괴특성을 평가하였다. 기계적 연마를 통해 두께 (300, 200, 180, 160, 150, 100 ${\mu}m$)가 다른 실리콘 웨이퍼를 준비하였다. 하나의 웨이퍼에서 40개의 실리콘 다이(크기 : 62.5 mm${\times}$4 mm)를 얻어 4점 굽힘시험을 통해 평균 강도값을 구하였다. 강도분포의 통계적 해석을 위해 와이블 선도를 이용하여 형상인자(와이블 계수)와 크기인자(확률적 파괴강도)를 얻었다. 취성 실리콘 다이의 시편 크기(두께)효과와 파단 확률이 고려된 통계적 파단강도 값을 실리콘 다이 두께의 함수로 얻었다. 관찰된 파괴양상을 측정된 파단강도와 관련하여 고찰하였다.
전자기기의 고집적화를 위해 실리콘 웨이퍼의 두께가 점점 얇아지고 있으며 이로 인해 제조공정 중 균열이나 파손이 발생할 가능성이 높아지고 있다. 본 연구에서는 300 ${\mu}m$~100 ${\mu}m$ 두께의 반도체용 단결정 실리콘 웨이퍼의 파단 강도 및 파괴특성을 평가하였다. 기계적 연마를 통해 두께 (300, 200, 180, 160, 150, 100 ${\mu}m$)가 다른 실리콘 웨이퍼를 준비하였다. 하나의 웨이퍼에서 40개의 실리콘 다이(크기 : 62.5 mm${\times}$4 mm)를 얻어 4점 굽힘시험을 통해 평균 강도값을 구하였다. 강도분포의 통계적 해석을 위해 와이블 선도를 이용하여 형상인자(와이블 계수)와 크기인자(확률적 파괴강도)를 얻었다. 취성 실리콘 다이의 시편 크기(두께)효과와 파단 확률이 고려된 통계적 파단강도 값을 실리콘 다이 두께의 함수로 얻었다. 관찰된 파괴양상을 측정된 파단강도와 관련하여 고찰하였다.
In this study, flexural strength and fracture behavior of silicon die from single crystalline silicon wafer were investigated as a function of thickness. Silicon wafers with various thickness of 300, 200, 180, 160, 150, and 100 ${\mu}m$ were prepared by mechanical grinding and polishing o...
In this study, flexural strength and fracture behavior of silicon die from single crystalline silicon wafer were investigated as a function of thickness. Silicon wafers with various thickness of 300, 200, 180, 160, 150, and 100 ${\mu}m$ were prepared by mechanical grinding and polishing of as-saw wafers. Flexural strength of 40 silicon dies (size: 62.5 mm${\times}$4 mm) from each wafer was measured by four point bending test, respectively. For statistical analysis of flexural strength, shape factor(i.e., Weibull modulus) and scale factor were determined from Weibull plot. Flexural strength reflecting both statistical fracture probability and size (thickness) effect of brittle silicon die was obtained as a linear function of die thickness. Fracture appearance was discussed in relation with measured fracture strength.
In this study, flexural strength and fracture behavior of silicon die from single crystalline silicon wafer were investigated as a function of thickness. Silicon wafers with various thickness of 300, 200, 180, 160, 150, and 100 ${\mu}m$ were prepared by mechanical grinding and polishing of as-saw wafers. Flexural strength of 40 silicon dies (size: 62.5 mm${\times}$4 mm) from each wafer was measured by four point bending test, respectively. For statistical analysis of flexural strength, shape factor(i.e., Weibull modulus) and scale factor were determined from Weibull plot. Flexural strength reflecting both statistical fracture probability and size (thickness) effect of brittle silicon die was obtained as a linear function of die thickness. Fracture appearance was discussed in relation with measured fracture strength.
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문제 정의
따라서 강도 평가 시에 파단확률을 고려한 통계적 인 파단강도법을 적용할 필요가 있다. 본 연구에서는 실리콘 다이 두께(300 pm~100 Jim 범위)가 파단강도에 미치는 영향을 분석하고자 하였다. 이를 위해 기계적 연마를 통해 두께가 다른 웨이퍼를 준비하였으며, 이로부터 실리콘 다이 시편을 제작하여 4점굽힘시험을 통해 파단강도를 측정하였다.
한 장의 웨이퍼 내에서 위치별로 파단 특성이 다른 경우가 있어, 본 연구에서는 웨이퍼 내에서의 강도 분포에 특이성 이 있는지를 검토하고자 하였다. Fig.
가설 설정
Fig 6. (a) Breaking load and (b) flexural strength as a function of wafer thickness.
이는 시험편의 크기에 관계된 크기효과로 설명된다. 시험편 내에 균열 등의 결함이 없다는 가정 하에 재료역 학적 강도는 동일하여야한다. 그러나 실제의 시험편 내부에는 결함이 존재하며, 시험편의 크기가 클수록 더 많은 결함을 포함하고 있을 가능성이 높아진다.
제안 방법
4. 파단강도의 통계적 해석을 위해 와이블 선도로부터 형상 인자(와이블 계수)와 크기 인자 를 구하였다. 형상 계수는 모든 시편에서 매우 낮게(0.
4점 굽힘 시 험을 통하여 300 呻~100 μm 두께 의 반도체용 실리콘 웨이퍼의 파단강도 및 파괴특성을 평가하는 본연구를 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
이를 위해 기계적 연마를 통해 두께가 다른 웨이퍼를 준비하였으며, 이로부터 실리콘 다이 시편을 제작하여 4점굽힘시험을 통해 파단강도를 측정하였다. 또한 웨이퍼 한 장 내에서의 위치 에 따른 파단강도 분포를 분석 하였으며 , 파단강도의 통계적 해석을 위해 Weibull 선도로부터 형상인자(와이블 계수)와 크기인자를 구하여 두께가 이들 파라미터에 미치는 영향을 고찰하였다.
5 mmx4 mm)로 절단(dicing)하여 강도 측정 시편 (실리콘 다이)을 준비하였다. 웨이퍼 절단 시 접착성이 뛰어난 UV테이프를 사용하여 웨이퍼를 접착 후 auto dicer-saw를 이용해 시편을 기계적으로 절단하여, 한 장의 웨이퍼에서 40개의 실리콘 다이를 얻었다.
파단하중 값으로부터 계산된 4점 굽힘 파단강도는 실리콘 다이의 두께가 감소할수록 크게 나타났다. 이러한 결과를 취성재료에서 나타나는 크기효과에 의한 영향으로 고찰하였다.
본 연구에서는 실리콘 다이 두께(300 pm~100 Jim 범위)가 파단강도에 미치는 영향을 분석하고자 하였다. 이를 위해 기계적 연마를 통해 두께가 다른 웨이퍼를 준비하였으며, 이로부터 실리콘 다이 시편을 제작하여 4점굽힘시험을 통해 파단강도를 측정하였다. 또한 웨이퍼 한 장 내에서의 위치 에 따른 파단강도 분포를 분석 하였으며 , 파단강도의 통계적 해석을 위해 Weibull 선도로부터 형상인자(와이블 계수)와 크기인자를 구하여 두께가 이들 파라미터에 미치는 영향을 고찰하였다.
대상 데이터
각각 공급받았다. A사의 웨이퍼를 기계적 연마를 통해 두께 300 gm, 250 gm, 200 gm, 150 jim, 100 gm 로 다르게 준비하였고, B사의 웨이퍼도 동일한 조건으로 기계적 연마하여 두께 180μm, 160)im의 웨이퍼를 준비하였다. 모든 웨이퍼는 기계적 연마를 통해 두께를 맞춘 후 양면 폴리싱된 상태로 준비하였으며 최종 웨이퍼 내에서의 두께 편차는 2 이내 였다.
두께별로 준비된 실리콘 웨이퍼의 파단강도를 4점 굽힘 시험으로 측정하기위해 표준 규격에 해당되는 크기 (62.5 mmx4 mm)로 절단(dicing)하여 강도 측정 시편 (실리콘 다이)을 준비하였다. 웨이퍼 절단 시 접착성이 뛰어난 UV테이프를 사용하여 웨이퍼를 접착 후 auto dicer-saw를 이용해 시편을 기계적으로 절단하여, 한 장의 웨이퍼에서 40개의 실리콘 다이를 얻었다.
반도체용 실리콘 웨이퍼의 강도평가를 위해 (100) 결정배 향의 단결정 을 절 단(sawing)하여 얻은 650 μ이 두께 의직경 6인치 P-형 실리콘 웨이퍼를 두 개의 제조사(A사 및 B사)로부터 각각 공급받았다. A사의 웨이퍼를 기계적 연마를 통해 두께 300 gm, 250 gm, 200 gm, 150 jim, 100 gm 로 다르게 준비하였고, B사의 웨이퍼도 동일한 조건으로 기계적 연마하여 두께 180μm, 160)im의 웨이퍼를 준비하였다.
성능/효과
1. 4점굽힘시험을 이용하여 두께 300pm~150μm의 실리콘 다이의 파단강도를 측정하였으며, 두께 150 pim 미만의 웨 이퍼는 너무 flexible하여 4점 굽힘 시 험을 통해서는 파단강도 측정 이 불가능하였다.
2. 한 장의 웨이퍼 내에서 40개의 실리콘 다이의 파단강도를 부위에 따라 비교 분석한 결과, 부위에는 무관하게 무작위로 분포하였으며, 한 장의 웨이퍼 내에서 측정된 파단 하중은 매우 넓은 범위의 값을 나타내었다.
3. 웨이퍼의 두께가 감소함에 따라 파단하중은 선형적으로 감소하였다. 이러한 관계식을 이용하여 4점 굽힘 시험이 어려운 lOOpm 이하의 초박형 웨이퍼의 파단 하중을 예측이 가능하다.
와이블 선도로부터 실리콘 다이의 두께와 파단확률이 모두 고려된 통계적 파단강도(크기 인자)를 얻을 수 있었다. 5. 시 편의 파단 양상을 살펴본 결과, 파단강도가 약한 시험편은 두 조각으로 파단되는 전형적인 저에너지 파괴 양상을 나타내 었고, 파단강도가 강한 시험 편은 여러 조각으로 파괴되는 전형적인 고에너지 파괴양상을 나타내었다.
load 시험 등의 평가법을 적용하는 것이 적합할 것으로 사료된다.
7) 나타났으며, 이는 실리콘 다이 내에서 결함 크기의 분포가 매우 넓음을 의미하는 것이다. 또한 실리콘 다이가 두꺼울수록 형상인 자가 작은 값을 나타내었으며, 이로부터 시편이 두꺼울수록 결함의 크기 분포가 넓게 나타남을 추정할 수 있다. 와이블 선도로부터 실리콘 다이의 두께와 파단확률이 모두 고려된 통계적 파단강도(크기 인자)를 얻을 수 있었다.
또한 실리콘 다이가 두꺼울수록 형상인 자가 작은 값을 나타내었으며, 이로부터 시편이 두꺼울수록 결함의 크기 분포가 넓게 나타남을 추정할 수 있다. 와이블 선도로부터 실리콘 다이의 두께와 파단확률이 모두 고려된 통계적 파단강도(크기 인자)를 얻을 수 있었다. 5.
4). 이러한 분석으로부터 한 장의 웨이퍼 내에서의 파단강도는 위치와는 무관하게 무작위로 분포함을 확인하였다. Fig.
6(a)에서 보여준 평균파단하중을 식 (1) 의 4점굽힘 파단강도 계산식을 이용하여 구한 후 웨이퍼 두께 의 함수로 나타낸 것이다. 재료의 파단강도는 고유의 물성 값으로 두께 에 관계없이 일정 하여 야 되나, 본 연구 결과에서 두께가 두꺼운 웨이퍼의 강도가 조금 낮게 나타났다. 이는 시험편의 크기에 관계된 크기효과로 설명된다.
5(a)~(d)는 각 두께의 웨이퍼에서 파단강도 구간에 따른 파단 빈도 분포도를 나타낸 것이다. 파단 빈도 분포의 양상은 웨이퍼 두께에 관계없이 유사한 분포 경향을 보였으며, 웨이퍼 한 장 내에서의 파단강도는 모든 두께의 웨이퍼에서 매우 넓은 편차를 보였다. 실리콘 다이의 파단강도는 웨이퍼의 절단 및 기계연마 과정 그리고 dicing 과정에서 도입된 표면과 가장자리 결함의 크기와 분포에 영향을 받는다.
이러한 관계식을 이용하여 4점 굽힘 시험이 어려운 lOOpm 이하의 초박형 웨이퍼의 파단 하중을 예측이 가능하다. 파단하중 값으로부터 계산된 4점 굽힘 파단강도는 실리콘 다이의 두께가 감소할수록 크게 나타났다. 이러한 결과를 취성재료에서 나타나는 크기효과에 의한 영향으로 고찰하였다.
후속연구
그러나 크기인자는 파단 확률이 고려된 통계적 파단강도로 취성재료인 실리콘 다이의 신뢰성 평가에 적합할 것으로 생각된다. 취성 재료인 실리콘 다이 시험편의 두께 차이와 파단확률이 모두 고려된 통계적 파단강도는 아래의 선형적 경험식으로 나타낼 수 있다.
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