Thinned single crystalline silicon (sc-Si) is receiving numerous attention as the substrate in electronic devices based on its high stability and flexibility. Due to the lack of research on the flexural properties of thinned silicon wafers, it is difficult to predict and improve the mechanical reliability problems of thinned silicon substrates. In this study, the flexural properties, such as flexural modulus and flexural fracture strength, and the mechanical reliability of thinned sc-Si wafers according to the thickness and crystallographic orientation were accurately measured using the three-point bending (TPB) test. The measured flexural modulus decreased as the thickness of the wafers decreased, and varied depending on the crystallographic orientation of the wafers. The difference between tensile and flexural modulus increased as thickness decreased, and did not change with the crystallographic orientation of the wafers. The mechanical reliability was evaluated through the Weibull modulus, and the reliability increased as thickness decreased, and did not change with the crystallographic orientation of the wafers. These results came from the cross-sectional area ratio of the subsurface damage (SSD) layer below the ground surface of the wafers. By considering the existence of the SSD layer and substituting the accurate mechanical properties, the predictability of warpage simulation was improved. Therefore, improving the reliability of electronic devices is expected with an understanding of the way the SSD layer of thinned silicon wafers affects the mechanical properties and mechanical reliability.
전기소자에서 얇은 단결정 실리콘은 좋은 안정성과 유연성을 바탕으로 기판으로써 많은 주목을 받고 있다. 하지만 얇은 실리콘 웨이퍼의 굽힘 물성에 대한 연구의 부족으로 얇은 실리콘 기판의 기계적 신뢰성 문제의 예측 및 개선이 힘든 실정이다. 따라서 본 연구에서는 3 점 굽힘 시험법을 통해 두께와 결정학적 방향에 따른 얇은 단결정 실리콘 웨이퍼의 굽힘 물성과 기계적 신뢰성을 정확하게 측정하였다. 측정 결과, 측정된 굽힘 탄성계수는 웨이퍼의 두께가 감소함에 따라 감소했고, 웨이퍼의 결정학적 방향에 따라 다른 값을 가졌다. 인장 탄성계수와 굽힘 탄성계수의 차이는 두께가 감소함에 따라 증가했으며, 결정학적 방향에 따라서는 변하지 않았다. 기계적 신뢰성은 와이블 형상계수를 통해 평가되었으며, 웨이퍼의 두께가 감소할수록 신뢰성이 증가하였고, 웨이퍼의 결정학적 방향에 따라서는 신뢰성이 변하지 않았다. 이러한 결과는 웨이퍼의 연마된 표면 아래의 손상층이 웨이퍼의 단면에서 차지하는 비율에 기인했다. 웨이퍼의 연마된 표면 아래의 손상층의 존재를 고려함으로써, 워피지 시뮬레이션의 예측 정합성을 향상시킬 수 있었다. 따라서 얇은 실리콘 웨이퍼의 연마된 표면 아래의 손상층이 기계적 물성과 신뢰성에 미치는 영향을 이해함으로써 전기소자의 신뢰성 예측 및 향상이 기대된다.
