[发明专利]测量电流加载时金属薄膜中应力演变的装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及金属薄膜材料，属于薄膜材料领域，特别涉及测量电流加载时金属薄膜中应力演变的装置及方法。

背景技术

广泛应用于超大规模集成电路中的金属薄膜材料(如Cu)和微电子机械系统(MEMS)中的微米量级器件材料，在微加工制备和使用过程中，因薄膜材料和它周围的材料的热膨胀系数不同，因通电断电及电脉冲信号的作用而伴随温度循环，薄膜材料会经历循环热应力的作用，通常薄膜材料在较高应力和较高温度状态下工作，蠕变变形成为关系到薄膜可靠性服役的一个重要问题。基于热循环和等温应力松弛的热机械行为研究着重于对热/力耦合场的铜薄膜的蠕变变形行为，可为金属薄膜抗蠕变性能的可靠性评估提供有用的信息。但是一般来说作为布线材料的金属薄膜的真实服役环境为热/力/电多耦合场，另外近期的研究表明电迁移也是塑性变形的一种方式，而热机械行为的研究没有考虑电流的物质流效应，在热/力/电多场耦合下Cu薄膜蠕变变形行为的研究由于更符合薄膜材料的服役环境而具有极其重要的实际意义.

研究薄膜在热/力/电多场耦合的蠕变变形行为的关键点在于检测薄膜通以电流时的应力演变，由于焦耳热和电致蠕变，薄膜中的残余应力会发生变化，原位定量监测施加电流时的薄膜中的应力大小及其演变过程是现在的技术难题。目前较常用的测量薄膜加电时的应力的变化的方法有掠入射XRD法和原子力显微镜(AFM)法。以铜薄膜为例，通常室温铜薄膜处于残余拉应力状态，衍射峰的位于标准峰的左侧，当薄膜中通以直流电时，衍射峰左移，随着电流的增大，有可能会移到标准峰的右侧，掠入射XRD试验结果可以定性表明随电流的增加薄膜中的应力从拉应力状态变为压应力状态，但是没有办法精确的定量测量薄膜的应力变化，同样原子力显微镜法可以通过薄膜的位移来计算热应变，但测量分析过程必须去除很多影响因素，比如原子力显微镜的悬臂梁会受到的电流干扰。相对比而言，基片弯曲曲率法为非接触式测量，试样自由变形，没有施加额外的约束力，可以大大地降低外界因素的影响，得出的蠕变行为的研究为集成电路布线材料性能评估提供真实有效的信息。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术不足，提供一种测量电流加载时金属薄膜中应力演变的装置及方法，实现无夹持的电流加载，结合基片弯曲曲率法原位测量电流加载时的应力演变，以便研究热/电/力多场耦合下金属薄膜蠕变行为。该方法具有简单、精确等优点。

本发明的技术方案是这样实现的，包括第一金属材料放置台，在第一金属材料放置台左侧开有第一矩形通槽，第一矩形通槽内设置第一陶瓷片，在距离第一金属材料放置台右侧10mm处放置第二金属材料放置台，第二金属材料放置台的右侧开有第二矩形通槽，第二矩形通槽内设置第二陶瓷片，第一陶瓷片和第二陶瓷片塞入真空设备的试样台，在第一金属材料放置台右侧开有第一燕尾形通槽，在第二金属材料放置台的左侧开有第二燕尾形通槽，第一金属材料放置台和第二金属材料放置台之间放置有金属薄膜试样，第一金属材料放置台，金属薄膜试样，第二金属材料放置台置于真空腔中。

第一燕尾形通槽的上侧配有第一金属塞子，第一燕尾形通槽的下侧配有第二金属塞子，第二燕尾形通槽的上侧配有第三金属塞子，第二燕尾形通槽的下侧配有第四金属塞子。

第一金属材料放置台与电源正极相连，第二金属材料放置台与电源负极相连。

真空腔腔壁处设有玻璃观察窗，玻璃观察窗下侧放置多束激光测量应力装置。

采用磁控溅射方法沉积金属薄膜，在超高真空环境中给金属薄膜施加电流，并原位测量金属薄膜的应力变化，包括以下步骤：

1)采用磁控溅射沉积方法将金属薄膜沉积在2英寸热氧化过的硅片：SiO2(50nm)/Si(380μm)/SiO2(50nm)上，金属薄膜厚度100nm-1μm，沉积工艺参数为：溅射功率100-150W；溅射偏压-60--80V；本底真空：1.0×10^-6-1.0×10^-5Pa；工作气压(Ar)0.1-0.3 Pa；使用金刚石划片机将其切割成为5mm×15mm的矩形金属薄膜试样；

2)将矩形金属薄膜试样从第一金属材料放置台下侧和第二金属材料放置台的下侧放入，将第一金属塞子塞入第一燕尾形通槽的上侧，将第二金属塞子塞入第一燕尾形通槽的下侧，将第三金属塞子塞入第二燕尾形通槽的上侧，将第四金属塞子塞入第二燕尾形通槽的下侧，金属薄膜试样依靠重力与第一金属材料放置台和第二金属材料放置台线接触，将矩形金属薄膜试样置于超高真空真空腔中，真空度为1.0×10^-8Pa；