[發明專利]測量電流加載時金屬薄膜中應力演變的裝置及方法

有效

• 申請號: 200810017429.6
• 申請日: 2008-01-29
• 公開（公告）號: CN101236189A
• 公開（公告）日: 2008-08-06
• 發明（設計）人: 孫軍;王章潔;劉剛;孫冰;丁向東;江峰
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G01N33/00
• 分類號: G01N33/00;G01N25/26;G01N3/28
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司
• 代理人: 陳翠蘭

技術領域

本發明涉及金屬薄膜材料，屬于薄膜材料領域，特別涉及測量電流加載時金屬薄膜中應力演變的裝置及方法。

背景技術

廣泛應用于超大規模集成電路中的金屬薄膜材料(如Cu)和微電子機械系統(MEMS)中的微米量級器件材料，在微加工制備和使用過程中，因薄膜材料和它周圍的材料的熱膨脹系數不同，因通電斷電及電脈沖信號的作用而伴隨溫度循環，薄膜材料會經歷循環熱應力的作用，通常薄膜材料在較高應力和較高溫度狀態下工作，蠕變變形成為關系到薄膜可靠性服役的一個重要問題。基于熱循環和等溫應力松弛的熱機械行為研究著重于對熱/力耦合場的銅薄膜的蠕變變形行為，可為金屬薄膜抗蠕變性能的可靠性評估提供有用的信息。但是一般來說作為布線材料的金屬薄膜的真實服役環境為熱/力/電多耦合場，另外近期的研究表明電遷移也是塑性變形的一種方式，而熱機械行為的研究沒有考慮電流的物質流效應，在熱/力/電多場耦合下Cu薄膜蠕變變形行為的研究由于更符合薄膜材料的服役環境而具有極其重要的實際意義.

研究薄膜在熱/力/電多場耦合的蠕變變形行為的關鍵點在于檢測薄膜通以電流時的應力演變，由于焦耳熱和電致蠕變，薄膜中的殘余應力會發生變化，原位定量監測施加電流時的薄膜中的應力大小及其演變過程是現在的技術難題。目前較常用的測量薄膜加電時的應力的變化的方法有掠入射XRD法和原子力顯微鏡(AFM)法。以銅薄膜為例，通常室溫銅薄膜處于殘余拉應力狀態，衍射峰的位于標準峰的左側，當薄膜中通以直流電時，衍射峰左移，隨著電流的增大，有可能會移到標準峰的右側，掠入射XRD試驗結果可以定性表明隨電流的增加薄膜中的應力從拉應力狀態變為壓應力狀態，但是沒有辦法精確的定量測量薄膜的應力變化，同樣原子力顯微鏡法可以通過薄膜的位移來計算熱應變，但測量分析過程必須去除很多影響因素，比如原子力顯微鏡的懸臂梁會受到的電流干擾。相對比而言，基片彎曲曲率法為非接觸式測量，試樣自由變形，沒有施加額外的約束力，可以大大地降低外界因素的影響，得出的蠕變行為的研究為集成電路布線材料性能評估提供真實有效的信息。

發明內容

本發明的目的在于克服上述現有技術不足，提供一種測量電流加載時金屬薄膜中應力演變的裝置及方法，實現無夾持的電流加載，結合基片彎曲曲率法原位測量電流加載時的應力演變，以便研究熱/電/力多場耦合下金屬薄膜蠕變行為。該方法具有簡單、精確等優點。

本發明的技術方案是這樣實現的，包括第一金屬材料放置臺，在第一金屬材料放置臺左側開有第一矩形通槽，第一矩形通槽內設置第一陶瓷片，在距離第一金屬材料放置臺右側10mm處放置第二金屬材料放置臺，第二金屬材料放置臺的右側開有第二矩形通槽，第二矩形通槽內設置第二陶瓷片，第一陶瓷片和第二陶瓷片塞入真空設備的試樣臺，在第一金屬材料放置臺右側開有第一燕尾形通槽，在第二金屬材料放置臺的左側開有第二燕尾形通槽，第一金屬材料放置臺和第二金屬材料放置臺之間放置有金屬薄膜試樣，第一金屬材料放置臺，金屬薄膜試樣，第二金屬材料放置臺置于真空腔中。

第一燕尾形通槽的上側配有第一金屬塞子，第一燕尾形通槽的下側配有第二金屬塞子，第二燕尾形通槽的上側配有第三金屬塞子，第二燕尾形通槽的下側配有第四金屬塞子。

第一金屬材料放置臺與電源正極相連，第二金屬材料放置臺與電源負極相連。

真空腔腔壁處設有玻璃觀察窗，玻璃觀察窗下側放置多束激光測量應力裝置。

采用磁控濺射方法沉積金屬薄膜，在超高真空環境中給金屬薄膜施加電流，并原位測量金屬薄膜的應力變化，包括以下步驟：

1)采用磁控濺射沉積方法將金屬薄膜沉積在2英寸熱氧化過的硅片：SiO2(50nm)/Si(380μm)/SiO2(50nm)上，金屬薄膜厚度100nm-1μm，沉積工藝參數為：濺射功率100-150W；濺射偏壓-60--80V；本底真空：1.0×10^-6-1.0×10^-5Pa；工作氣壓(Ar)0.1-0.3?Pa；使用金剛石劃片機將其切割成為5mm×15mm的矩形金屬薄膜試樣；

2)將矩形金屬薄膜試樣從第一金屬材料放置臺下側和第二金屬材料放置臺的下側放入，將第一金屬塞子塞入第一燕尾形通槽的上側，將第二金屬塞子塞入第一燕尾形通槽的下側，將第三金屬塞子塞入第二燕尾形通槽的上側，將第四金屬塞子塞入第二燕尾形通槽的下側，金屬薄膜試樣依靠重力與第一金屬材料放置臺和第二金屬材料放置臺線接觸，將矩形金屬薄膜試樣置于超高真空真空腔中，真空度為1.0×10^-8Pa；