（微电子学与固体电子学专业论文）lsaws技术无损表征互连薄膜机械强度与界面粘附性的研究.pdf

摘要 l o w k 薄膜较差的机械强度和界面粘附性限制了其在u l s i 制造工艺过程中的 应用。因此需要发展快速、准确、无损的检测手段来表征u l s i 互连薄膜的机械 特性。激光表面波技术利用表面波在分层结构中传播的色散现象对l o w - k 薄膜的 杨氏模量、泊松常数和界面粘附性进行无损检测，是一种具有广阔应用前景的 u l s i 互连介质机械特性在线检测方法。 在理论方面，本文推导出表面波在固体媒介中传播的波动方程，发展了频率 速度色散曲线的快速求解方法。建立了“单层多层l o w k 薄膜s i 基底”计算模 型，获得表面波色散曲线与薄膜各项机械参数之间的关系。利用表面波沿s i 晶 体不同方向传播时，泊松常数对色散曲线的影响不同，开发出检测超薄薄膜杨氏 模量和泊松常数的双向检测方法。在l o w 。k 薄膜s i 基底界面处引入“弹簧假设” 边界模型，使表面波方法能够应用于界面粘附性的检测。 在实验方面，优化了光路系统，分析了激光源对表面波信号的影响，并且引 入电动平移设备，提高了检测的自动化水平。采用铜网作为屏蔽手段，有效减弱 外界对信号的干扰，获得信噪比高于5 0 ：1 的表面波信号。对经过处理的表面波 信号进行f f t 处理，最终获得适合匹配的光滑表面波色散曲线。 在实验和理论色散曲线匹配方面，本文发展了原有的最小二乘匹配方法，提 出了可以修正实验误差的快速匹配方法，使检测结果更加准确。 本文对三组样片进行了表征。首先，采用l s a w s 技术对掺c s 的多孔s i 0 2 样片杨氏模量进行检测，测试结果表明随着c s 掺杂浓度的增加，l o w k 薄膜杨氏 模量也会提高。对超薄多孔b l a c kd i a m o n d t m 样片进行双向检测，测定其杨氏模 量和泊松常数；最后对l o w k 材料的粘附特性进行了表征，并且与传统的划擦法 进行对比，验证了表面波方法的准确性。实验结果表明，激光表面波技术能够成 功用于超薄l o w k 薄膜机械性能的检测。 关罐词：表面波激光杨氏模量泊松常数界面粘附性 a b s t r a c t t h ep o o rm e c h a n i c a ls t r e n g t ha n di n t e r f a c i a la d h e s i o no fl o w kf i l ml i m i ti t s a p p l i c a t i o ni nm o d e mu l t r a - l a r g es c a l e di n t e g r a t e dc i r c u i t ( u l s i ) f a b r i c a t i o n h e n c e ， f a s t ，a c c u r a t ea n dn o n - d e s t r u c t i v et e c h n i q u es h o u l db ed e v e l o p e dt oc h a r a c t e r i z et h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fu l s ii n t e r c o n n e c tf i l m s l a s e r - g e n e r a t e ds u r f a c ea c o u s t i c w a v e s ( l s a w s ) t e c h n i q u eu t i l i z e st h ed i s p e r s i o np h e n o m e n o no fs u r f a c ew a v e s p r o p a g a t i n gi nl a y e r e ds t r u c t u r et od e t e r m i n et h ey o u n g sm o d u l u s ，p o i s s o n sr a t i o a n di n t e r f a c i a la d h e s i o no fl o w kf i l m sw i t h o u td e s t r u c t i o n t h i st e c h n i q u ei sa p r o m i s i n ga p p r o a c hf o rt h eo n l i n ed e t e c to fu l s ii n t e r c o n n e c td i e l e c t r i c s i nt h e o r y ，w a v em o t i o ne q u a t i o no fs u r f a c ew a v e s p r o p a g a t i n gi ns o l i dm e d i aw a s i n d u c e d ，a n daf a s ta l g o r i t h mt oc a l c u l a t et h e 行e q u e n c y - v e l o c i t yd i s p e r s i o nc u r v ew a s p r o p o s e d s i n g l e - m u l t i - l a y e r e dl o w - kf i l m s s is u b s t r a t em o d e lw a se s t a b l i s h e dt o o b t a i nt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ed i s p e r s i o np r o p e r t yo fs u r f a c ew a v e sa n dt h e m e c h a n i c a lp a r a m e t e r so ff i l m s d u et ot h ed i f f e r e n tp e r f o r m a n c eo fd i s p e r s i o nc u r v e s w i t hv a r i a t i o no fp o i s s o n sr a t i o sw h e ns u r f a c ew a v e sp r o p a g a t e da l o n gd i f f e r e n t d i r e c t i o n s ，at w o - d i r e c t i o nm e a s u r e m e n tw a sp r o p o s e dt od e t e r m i n et h ey o u n g s m o d u l u sa n dp o i s s o n sr a t i oo fu l t r a - t h i nf i l m s t h ei n t e r f a c i a la d h e s i o nw a s d e s c r i b e db yi n t r o d u c i n gt h es p r i n gb o u n d a r ym o d e lw h i c hl o c a t e db e t w e e nt h ef i l m a n dt h es u b s t r a t e i ne x p e r i m e n t , t h ew h o l eo p t i c a ls y s t e mw a so p t i m i z e d ，a n dt h ee f f e c to fl a s e r s o u r c ef o rt h es u r f a c ew a v e sw a sa n a l y z e d e l e c t r i c a lt r a n s l a t i o ne q u i p m e n tw a s e m p l o y e di nt h ee x p e r i m e n t a ls y s t e mt oi m p r o v et h el e v e lo fa u t o m a t i o n t h ee x t e r n a l i n t e r f e r e n c ew a sr e d u c e db ya p p l y i n gc o p p e rn e ta st h ee l e c t r o m a g n e t i cs h i e l d i n g ，a n d s u r f a c ew a v e ss i g n a l sw i t hs i g n a l - t o n o i s er a t i ou pt o5 0 ：1w a sa c h i e v e d a f t e rt h e f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m a t i o n ( f f t ) t ot h ep r o c e s s e ds i g n a l s ，s m o o t hd i s p e r s i o nc u r v e s o fs u r f a c ew a v e sw e r eo b t a i n e d i nt h ea s p e c to fe x p e r i m e n t a la n dt h e o r e t i c a ld i s p e r s i o n c u r v e sm a t c h i n g ，an e w m e t h o dw a si m p r o v e db a s e do nt h eo r i g i n a ll e a s ts q u a r em a t c h i n gm e t h o d t h i s a p p r o a c hc a nr e v i s et h ee r r o ri nt h em e a s u r e m e n t ，w h i c hm a k e st h er e s u l t sm o r e a c c u r a t e i i lt h i sp a p e r ，t h r e el o w kf i l ms a m p l es e t sw e r ec h a r a c t e r i z e d f i r s t , p o r o u ss i 0 2 s a m p l ew i t hc sd o p i n gw a sm e a s u r e d , a n dt h er e s u l t i n d i c a t e dt h a tt h ey o u n g s m o d u l u so fl o w 七f i l m si n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo fc sd o p i n gc o n c e n t r a t i o n s e c o n d t h ey o u n g sm o d u l u sa n dp o i s s o n s r a t i oo fu l t r a - t h i np o r o u sb l a c k d i 锄o n d 刑f i l m sw e r ed e t e r m i n e db y t w o d i r e c t i o nm e a s u r e m e n t f i n a l l y ，t h e a d h e s i o np r o p e r t yo fl o w kf i l m sw a sc h a r a c t e r i z e d ，a n dc o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a l s c r a t c h i n gm e t h o d ，w h i c hv e e r yt h ea c c u r a c yo fl s a w st e c h n i q u e t h em e a s u r e d r e s u l t si n d i c a t et h a tl s a w st e c h n i q u e c a nb e s u c c e s s f u l l ya p p l i e d i nt h e d e t e r m i n a t i o no f m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fu l t r a - t h i nl o w - k f i l m s k e yw o r d s ：s u r f a c ea c o u s t i cw a v e ，l a s e r , y o u n g sm o d u l u s ，p o i s s o n sr a t i o ， i n t e r f a c i a la d h e s i o n 第一章绪论 第一章绪论 1 8 世纪中叶，蒸汽机的发明标志着人类社会从农业文明过渡到工业文明时 代；1 9 世纪7 0 年代电力的广泛应用开启了第二次科技革命的大门；第二次世界 大战之后，以电子计算机应用为代表的高新技术使人类社会步入了信息时代。 1 9 4 6 年，由1 8 8 0 0 个电子管组成，重达3 0 吨，占地1 5 0 0 平方英尺的世界上第 一台电子计算机“e n i a c ”在宾夕法尼亚大学诞生。1 1 年后，s h o c k l e y 等在贝尔 实验室制造出第一个晶体管，拉开了微电子技术的帷幕。1 9 5 8 年美国德州仪器 青年工程师j a c kk i l b y 发明了第一块集成电路，从此集成电路产业飞速发展，历 经小规模、中规模、大规模、超大规模和甚大规模等阶段【1 】。从最初一块基板上 的5 个元件发展为现在含有1 7 2 亿个晶体管的世界上最复杂的集成电路芯片。 微电子技术作为信息技术的基石，已经贯穿国民经济发展的各个领域。2 0 0 5 年全球集成电路市场份额为19 2 4 亿美元，2 0 0 9 年虽然受到经济危机影响其销售 额也达到2 2 6 3 1 亿美元。中国集成电路市场销售额约占全球的3 5 ，中国已经 成为全球集成电路市场的最大区域。随着市场对智能手机、笔记本电脑、电子书、 监控和医疗电子产品的需求，集成电路产业市场会进一步扩大。可以说，集成电 路已经成为信息产业的中流砥柱。 1 1 集成电路互连系统 集成电路通过互连系统为芯片上的各个元件分配时钟，提供电源及地线等多 种信号。随着集成电路特征尺寸的不断缩小，互连系统的时间延迟，串扰噪声和 功率损耗成为制约集成电路快速发展的难题【2 3 1 。因此寻找新的互连材料和制造 工艺成为微电子技术研究的重要课题。 1 1 1 铜金属化和大马士革工艺 相对于铝互连线，铜互连线有很多突出的优点【4 6 1 。首先，铜的电阻率为 1 7g o e m ，铝的电阻率为3 1p o d c m ，因此同样长度的铜互连线电阻要低于铝互 连线，有利于降低互连系统的功耗。其次，铜互连线寄生电容小于铝互连线。在 承受同等的电流强度时，由于铜电阻率较低，铜互连线的截面积较小，因而互连 第一章绪论 线间的寄生电容也较小，有利于减小信号延迟和串扰，显著提高集成电路的速度。 第三，铜的耐电迁移性远好于铝，不会因为应力迁移而造成的孔洞。 1 9 9 8 年i b m 公司率先研制成功实现铜互连线的双大马士革工艺，比起传统 的铝互连工艺减少了大约2 0 3 0 的工序，省略了难度较大的腐蚀铝等工艺， 并且减少了集成电路的布线层数，降低制造成本。图1 1 是n o v e l l 公司的大马士 革工艺示意副7 】。其中包括扩散阻挡层抗反射层，化学气相沉积( c v d ) 绝缘 介质层，刻蚀停止层，沉积绝缘线，镀增透膜，沉积不反射层，对双层大马士革 氧化物刻蚀，t a ( n ) 阻挡层，长铜籽晶，电镀铜，化学机械抛光( c m p ) 铜，以 及抛光后清洗等1 2 个工艺步骤。m o t o r o l a 公司采用铜互连线和低介电常数 ( 1 0 w - k ) 介质制造的快速静态随机存储器s r a m 明显降低了电容和信号串扰效 应。尤其是l o w k 材料的使用，进一步提高了集成电路的速度。 图1 1 铜互连线大马士革双镶嵌工艺示意图 1 1 2 低介电常数材料 绝缘线 刻蚀停止层 绝缘介质层 扩散阻挡层 抗反射层 互连系统的时间延迟不但和金属连线的电阻有关，而且还与金属线间和层间 的电容有关。图1 2 是由3 根金属线组成的简单互连系统。根据平行板电容公式， 金属线间或层间的电容( c ) 应为： c = 6 a d 第一章绪论 其中s 为互连介质的介电常数，a 为金属线间或层间的正对面积，d 为线间或层 间距离。随着器件特征尺寸的减小以及密度的增加，金属线间的距离不断减小， 从而导致其电容值越来越大，互连系统的时间延迟也不断增大。如图1 - 3 所示， 当互连线特征尺寸小于2 5 0n m 时，互连线的延迟超过器件的门延迟，成为制约 集成电路速度的主要因素【8 1 。如式1 1 所示，减小互连介质的介电常数可以减小 互连线间和层间的电容值。传统的互连绝缘介质为二氧化硅，其相对介电常数值 ( 后值) 约为3 9 。此值为二氧化硅介电常数( s s 碰) 与真空中介电常数) 的比 值，即k = s s i 0 2 o ，其中s o = 8 8 5 4 1 0 p f p m 。为了进一步减小互连线间和层间 的电容，需要寻找介电常数更低的材料作为互连绝缘介质。 蚓 裂 日 蓝 图1 2 简单互连系统电容分布示意图 技术带( n m ) 图1 3 互连系统时间延迟与技术带关系 第一章绪论 低介电常数材料定义为后值低于3 9 的绝缘介质。目前，有很多种具有较低 k 值的低介电常数材料，但仅有几种可以应用到集成电路工艺中去。如图1 4 所 示，低介电常数材料按其组成成分主要可以分为含硅和不含硅的两类，其中含硅 的l o w k 介质又分为类二氧化硅结构和s s q 结构两类【9 d 叭。 如图1 5 所示，二氧化硅具有正四面体结构。为了降低其k 值，可以用f ，c ， 或c h 3 等原子或原子团取代氧原子。c h 3 等原子或原子团不但减d , y 化学键的极 性，而且还增大了结构中自由空间的体积。由于s i 0 2 是集成电路制造工艺中应 用最广泛的材料，二氧化硅结构l o w k 材料( 掺杂f 或c 的s i 0 2 ) 是历史上最 早应用的低介电常数材料。 如图1 - 6 所示，在s s q 结构中，s i 和o 原子组成立方体结构，增大了自由 空间的体积，从而减小了材料的密度和七值。如果立方体结构之间用氧原子相连， 并且在立方体的末端为氢原子，那么这种材料称为h s s q ；如果立方体结构之间 有一c h 2 一相连，并且以甲基( c h 3 ) 作为立方体末端，这种材料称为m s s q 。当 温度升高时，s s q 立方体结构会分解为二氧化硅正四面体结构。因此，s s q 基 材料通常为s s q 立方结构与正四面体结构的混合材料。一般的，二氧化硅结构 和s s q 结构材料的k 值为3 - - 一4 。 不含硅的l o w 七材料大多数为有机聚合物。它们的突出优点就是具有较低的 极化强度，因此无需加孔也有很低的k 值。但是这些材料与现存集成电路制造工 艺的兼容性很差。 除上述三种类型的l o w - k 材料外，非晶碳、沸石等材料也在被研究，但并未 得到广泛关注。 图1 _ 4l o w - k 材料简单分类 第一章绪论 ( b ) 图1 5 ( a ) s i 0 2 正四面体结构示意图，( b ) s i o c h 结构示意图 ? j 。i， i ”j l ；， s i oc o o o h z i? ? ； j ；? ，； ；， ；二； ? ， jj ! ! ? l ，r 图1 - 6s s q 结构l o w k 材料示意图 在连续介质材料中引入孔洞可以进一步减小l o w k 材料的k 值，制造超低k 介质。例如在旋涂法( s p i n c o a t e df i l m ) 制薄膜的工艺过程中，低温时，向材料 中添加高温分解的成孔剂；高温时，成孔剂分解形成微小孔洞。同时，高温固化 作用可以使材料中形成交联结构，使薄膜结构更加稳定。 l o w k 材料面对的真正挑战在于与现有集成电路制造工艺的兼容性。与s i 0 2 相比，l o w 七介质机械强度低、热稳定性差，与其他材料兼容性差，并且容易吸 附化学物质，造成器件的可靠性降低。通常，适用于集成电路制造工艺的l o w k 第一章绪论 材料应满足以下五个方面的要求【1 0 l ：疏水性，机械稳定性，热稳定性，物理化学 性质稳定，与其他材料兼容性。 ( 1 ) 疏水性：l o w k 材料必须具有良好的疏水性。水分子中含有极性很强的 o h 键，其相对介电常数可达8 0 。即使含有少量的水，l o w k 材料的k 值也会显 著提高。对于多孔材料，由于其单位体积的表面积增加，更容易造成水分的吸收。 通常情况下，引入s i h 或s i c h 3 键可以提高l o w - k 材料的疏水性。不含氧的有 机聚合材料的疏水性更好。 ( 2 ) 机械稳定性：由于c u 金属化工艺的使用，l o w k 材料必须具有较高的 机械强度。当a l 作为互连线时，先在基底上淀积一层a l ，然后通过光刻和等离 子体刻蚀方式制造出所需的图案。无用的a 1 被移除，留下a l 导线和填充s i 0 2 等电介质的空间。但是c u 不能通过等离子体刻蚀的方法移除，因此需要将a l 互连工艺倒过来，即先淀积电介质材料，在通过电镀的方法制造c u 导线，并且 将多余的c u 通过化学机械抛光( c m p ) 的方式移除。这也就是所谓的大马士革 镶嵌工艺。在最后的工艺步骤中，电介质必须能够承受抛光c u 所带来的机械压 力。同时，l o w k 材料还需承受热膨胀和器件封装过程中的各种应力。 如图1 7 所示，l o w k 材料的机械强度随介电常数的下降而降低【i 。除此之 外，l o w k 材料的机械强度随着孔隙率的增加迅速降低。s i 0 2 体材料的杨氏模量 约为7 6g p a ，但孔隙率达到5 0 时，其杨氏模量仅有几个g p a 。随着孔隙率的 增加，大多数l o w - k 材料的杨氏模量降到1 0g p a 以下，互连集成变得更加困难。 因此，需要严格控制l o w k 材料的孔隙率，使其具有足够的机械强度，能够承受 制造过程中的c m p 工艺。 趔 _ 杨氏模量( g p a ) 图1 7 杨氏模量与介电常数关系 6 第一章绪论 ( 3 ) 热稳定性：l o w k 材料必须能够承受集成电路制造过程中4 0 0 4 5 0 的 高温。由于有机聚合薄膜材料在较低温度是就开始分解，限制了这种材料的应用。 对于s s q 结构的l o w k 材料，较高的温度会使s s q 立方结构向正四面体s i 0 2 结 构转化，造成k 值的提高。 ( 4 ) 物理和化学的稳定性：l o w k 材料必须能够与各个工艺过程兼容，尤其 是刻蚀和清洗工艺。例如，在图形化或清洗工艺中的氧等离子体会使s i h ，s i - c 和s i c h ：键断裂而被s i o 取代，从而造成k 值的提高和疏水性的降低。 ( 5 ) 与其他材料的兼容性：材料兼容性主要包括三个方面，热膨胀系数， 阻挡层淀积，以及粘附性。 l o w k 材料的热膨胀系数必须与c u 匹配，否则在高温时会造成c u 与l o w k 材料形状变化导致分层断裂。有机聚合l o w - k 材料与c u 之间的失配尤为明显。 为防止c u 进入l o w 七介质，在c u 大马士革工艺中必须使用阻挡层，因此所 用的l o w k 材料必须与阻挡层材料兼容，不能发生物理或化学的反应。值得一提 的是，阻挡层材料也不应该扩散到l o w - k 材料中去。一般的，具有较小孔径和较 低孔隙率的l o w k 材料阻挡层更容易淀积。 l o w - k 材料和阻挡层与c u 之间还需要有较好的粘附性。否则在c m p 工艺或 热处理过程中的机械应力会造成阻挡层的分层脱落。当l o w - k 的孔隙率较高时， 粘附性问题尤为严重。 除上述问题外，l o w k 材料还面临各种可靠性方面的挑战。例如，l o w k 材料 的使用对产品寿命的影响以及工作环境的要求。多孔l o w k 材料的散热性能差， 引起c u 抗电迁移性能变差，并且c u 失去了像s i 0 2 介质一样稳定的支持结构， 导致c u 在l o w k 材料中形成堆积结构的可能性加大。目前，对l o w 七材料还有 许多方面需要深入的研究，以使其能够成功应用于集成电路制造工艺。 1 2l o w - k 材料机械特性表征方法 如前所述，l o w k 材料的大规模应用目前还面临各种各样的困难，因此需要 开发更加适合集成电路工艺的低介电常数材料。但是，在应用之前需要发展各种 材料表征技术：一方面可以检测材料的性能是否满足集成电路应用的要求；另一 方面，可以减少待选材料的种类，节省大量的人力物力。材料的不同特性有不同 的检测方法一j 。例如，f t i r ( f o u r i e r t r a n s f o r l t li n f r a r e ds p e c t r o s c o p y ) ，n m r ( n u c l e a r m a g n e t i cr e s o n a n c e ) ，e f t e m ( e n e r g yf i l t e r e dt r a n s m i s s i o ne l e c t r o ns p e c t r o s c o p y ) 等用于检测材料的组成成分；电容法用于检测材料的介电常数；p a l s ( p o s i t r o n 第一章绪论 a n n i h i l a t i o nl i f e t i m es p e c t r o s c o p y ) ，s a x s ( s m a l la n g l ex - r a ys c a t t e r i n g ) ，e p ( e l l i p s o m e t r i cp o r o s i m e 衄) 等方法用于检测材料的孔隙率和孔径大小；纳米压痕 法( n a n o i n d e n t a t i o n ) 等用于检测材料的机械特性。上述一些方法还可以检测材料 的多种性能。例如，e p 方法既可以检验材料的孔隙率，又可以检测杨氏模量。 本文主要研究l o w - k 材料机械性能的表征，因此主要回顾薄膜材料的各种机 械性能检测手段。 1 2 1 杨氏模量表征技术 ( 1 ) 纳米压痕技术( n a n o i m d e n t a t i o n ) 1 1 2 。h 1 纳米压痕技术利用一个纳米级别的金刚石压头刺入待测薄膜内部，通过分析 加载和卸载过程中载荷与位移的关系，获得薄膜硬度和杨氏模量等参数。在压头 加载的过程中，材料的形变包括弹性和塑性两方面的作用；在卸载过程中，仅有 弹性作用对材料形变的恢复起作用。因此通过分析卸载曲线，可以获得表征材料 弹性的杨氏模量参数。图1 - 8 显示了纳米压痕技术典型的加载卸载过程中载荷 与位移的函数关系。图中，h 代表压头的位移，缸是压头的最终刺入深度，而一 为压头的最大位移；p 代表压头上的载荷，如甜是压头上最大的载荷。s 称为接 触劲度系数，是在尸一处卸载曲线切线的斜率，可以利用下式表示： s = 翌d h = p 去e r 厄。j 巧 ( 1 2 ) 式中，少是一个与压头形状有关的修正系数，对于圆锥压头，= l ；b e r k o v i c h 形状压头，声1 0 3 。日代表约化杨氏模量( r e d u c e de l a s t i cm o d u l u s ) ，a 。为压头的 接触面积。 在理想情况下，加载卸载曲线与样片和压头两方面的性质有关，因此b 也 可以表示为： 上：丝- - i - 丝- - - 一= - - - - - “ e re se i ( 1 - 3 ) 其中，e ，层分别代表薄膜与压头的杨氏模量，k ，坼分别代表薄膜与压头的泊 松常数，皆l1 4 0g p a ，v f 0 0 7 。利用是式1 - 2 和式1 3 ，只要知道薄膜的泊松常 数k 就可以获得薄膜的杨氏模量： 第一章绪论 州，陪警厂 c 在实际应用中，薄膜的泊松常数值并不容易测得。并且一般来说，泊松常数 的值都远小于1 ，因此对纳米压痕检测结果的影响并不显著，在计算中通常令 1 y j 等于1 。此外，检测在硬质衬底材料上的薄膜时，例如l o w - k 材料淀积在s i 表面，s i 衬底会造成测量结果偏大，因此探头的压入深度一般不超过薄膜厚度的 1 0 。根据w a n g 等的检测结果，当薄膜厚度大于5 0 0n m 时，杨氏模量与薄膜 厚度无关，稳定在2 3g p a ；当薄膜厚度小于5 0 0n l l l 时，纳米压痕检测的结果迅 速增大，从而对于超薄薄膜材料纳米压痕技术的检测结果并不可靠 1 3 】。 尸 p 吩 向一h 图1 8 纳米压痕检测加载一卸载曲线示意图 ( 2 ) 表面布里渊散射技术( s u r f a c eb r i l l o u i ns c a t t e r i n g ，s b s ) 1 5 - 1 6 表面布里渊散射法基于表面波在分层结构中传播时会发生色散现象，利用色 散特性可以反推出薄膜材料杨氏模量等特性。当激光照射材料表面时，光子和材 料声子会产生非弹性作用，布里渊峰值会有一个微小的频移4 而且这个频移 与声子的相速度有关。对于表面声子模式： v ：型二 k s i n o t 9 ( 1 5 ) 第一章绪论 对于体声子模式： 兀 v = 三一 k n ( 1 - 6 ) 式中：岛为入射光源的角度，乒2 7 掀是波数矢量，刀为材料的折射率。 最初，该技术仅适用于透明材料的检测。由于f a b r y p c r o t 干涉仪的发展，该 技术拓展到非透明物质，穿透深度很浅，对材料表面特性十分敏感。s b s 方法在 实际应用时是一种非接触的无损检测技术，但十分容易受到外界环境因素的影 响。并且该方法每次仅能检测一个频率处表面波的相速度，因此十分耗时，不适 用与工业生产中的在线监测。 ( 3 ) 椭圆偏光仪技术( e l l i p s o m e t r i cp o r o s i m e t r y ，e p ) i l ，j e p 方法不但可以检测多孔材料的孔隙率，与此同时，利用同样的数据还可 以得出多孔材料的杨氏模量。由于虹吸效应，当微孔吸附液体时，毛细管压力会 使材料收缩，薄膜厚度( d ) 改变，其与相对压强( 纠) 的关系为： d = d o k l n ( p p o ) ( 1 7 ) 磊为薄膜初始厚度。通过拟合，可以确定k 的值。薄膜的杨氏模量可以通过 下式确定： e ：d o r r( 1 - 8 ) 尼圪 其中，圪吸附液体的分子体积。 在实际应用中，该方法既可以检测材料的杨氏模量，又可以检测其孔隙率， 但在检测过程中引入了其他物质，容易对材料造成污染，使k 值提高。 1 2 2 薄膜粘附性表征方法 随着互连系统层数的不断增加，薄膜与薄膜之间，薄膜与基底之间界面粘附 性成为影响电子器件可靠性的一个主要问题。目前已经发展了多种方法对薄膜粘 附性进行表征【1 8 1 9 1 。例如，传统的胶带粘贴法( s c o t c h t a p e t e s t ) ，起3 立i 去- ( p u l l - o f f ) ， 以及划痕法( s c r a t c ht e s t i n g ) 。但上述方法都是定性或半定性的方法，不能准确 检测薄膜的粘附性。下面主要介绍几种多层材料粘附性定量检测方法。 i o 第一章绪论 ( 1 ) 四点弯曲法( f o u r - p o i n tb e n d i n g ) 训】 四点弯曲法是目前微电子工业中薄膜粘附性检测的主要方法。如图1 - 9 所示， 在测试之前必须制备“三明治”结构的样片。首先在s i 基底上淀积多层薄膜， 然后在薄膜表面通过扩散键和另一层s i 基底，并且在上面预先开槽。之后如图 1 1 0 所示，在上层基底上施加压力，薄膜开始断裂，并且断裂向下延伸，同时记 录荷载位移曲线。当裂纹延伸到粘附性最弱的界面处时，荷载达到最大值，并 且趋于稳定，称为关键荷载r 。此时应变能量释放率g ( s t r a i ne n e r g yr e l e a s er a t e ) 也趋于稳定，并且与尸c 有如下关系： g = 1 2 1 0 丽- v 2 ) e ：l 21 6 e 酽矿 ( 1 9 ) 在裂缝传播的过程中，表面断裂能与应变能量释放率相等。因此堆叠结构薄 膜的粘附性可以用式1 - 9 求得。然而在检测过程中并没有考虑“三明治结构薄 膜的残余应力，并且在样片制备过程中需要高温键和，可能改变界面的粘附性。 t i nf o 6 i t m ) 图i - 9 四点弯曲法检测中的“三明治”结构样片 c u ( o 4 脚) 图1 1 0 四点弯曲法示意图 1 1 层 膜 第一章绪论 ：一 ( 2 ) 横截面纳米压痕法( c r o s ss e c t i o nn a n o i n d e n t a t i o n ) 伫2 1 如图1 - 11 所示，b e r k o v i c h 三角形压头在距离薄膜与基底界面下方几个微米 处刺入，并且三角形压头的一个边与界面平行。在探头压入的过程中，所施加的 荷载不断增大，当薄膜与基底分离时，压头的位移会突然增大。之后通过扫描电 子显微镜观察界面的分离情况。s c h e r b a n 等人的文章对该方法有详细描述。 图1 11 横截面纳米压痕法示意图 1 3 主要研究内容及创新点 1 3 1 主要研究内容 本文主要研究基于激光激发表面波技术( l a s e r - g e n e r a t e ds u r f a c ea c o u s t i c w a v et e c h n i q u e ，l s a w s ) 对超薄l o w 七薄膜材料的机械性能进行表征f 2 3 。2 6 j 。短脉 冲激光照射到待测样片表面上时，激光与固体介质相互作用会发生“热弹效应”， 可以激发出宽频带的表面波。表面波在分层结构中传播时会发生色散现象，即不 同频率的波的相速度不同。表面波的能量主要集中于表面下方一个波长以内，因 此较低频率的波主要受到基底性质的影响，较高频率的表面波主要受到薄膜材料 的影响，从而表面波方法可以在原理上消除基底对检测结果的影响。与其他检测 技术相比，l s a w s 方法具有快速、准确、无损伤等优点，适用于工业生产中的 在线监测。 首先，本文从表面波传播理论入手，通过求解表面波传播的波动方程获得表 面波在分层结构上传播的速度频率色散曲线。建立不同结构的纳米多孔薄膜s i 基底模型，研究表面波沿不同方向传播时的色散状况。并且通过在薄膜s i 基底 之间引入法向和切向弹力系数来表征薄膜与基底间的粘附性。 其次，搭建实验系统。利用短脉冲紫外激光激发出宽频带的表面波信号，并 且利用自主研发的压电探测器对表面波信号进行采集。研究氮分子激光器在不同 第一章绪论 一一 工作条件下的性能，对光路进行优化设计，找出用于检测l o 、v 岳材料机械性能的 最佳实验条件。对信号进行了一系列处理，获得优良的表面波实验色散曲线。 最后，开发快速准确的实验和理论色散曲线的匹配方法，使该方法更加适用 于工业生产过程中的在线检测。 1 3 2 主要创新点 激光激发表面波方法是一种十分有潜力的l o w - k 材料机械性能表征技术。本 文的主要创新点如下： ( 1 ) 利用表面波在s i 【1 1 0 和s i 【1 0 0 方向泊松常数对色散曲线影响的不同， 通过双向检测技术检测薄膜的杨氏模量和泊松常数。 ( 2 ) 在l o w k 薄膜s i 基底之间引入法向和切向弹性系数，实现对界面粘附 性的表征。 ( 3 ) 开发实验与理论色散曲线的快速匹配方法，准确得到l o w k 薄膜的各种 机械特性。 1 4 本章小结 本章主要回顾了微电子互连技术的发展及l o w k 材料在应用过程中所面临的 各种挑战。l o w k 材料必须具有良好的机械特性以适应集成电路制造过程中的 c m p 工艺。传统的l o w - k 材料机械性能表征方法已经不能满足现代在线检测技 术准确、快速、无损的要求。相对而言，l s a w s 技术是一种十分具有潜力的方 法，能够满足集成电路制造过程中在线监测的要求。 第二章表面波在固体媒介中的传播特性 第二章表面波在固体媒介中的传播特性 l s a w s 方法利用表面波在分层结构上传播时发生的色散现象表征l o w - k 薄膜 的机械特性。在检测之前，必须从理论上研究表面波在固体中的传播特性，求解 出理论色散曲线，为与实验色散曲线拟合做准备。 2 1 表面波在半无限大固体中传播特性 通常情况下，表面波的波长远大于固体晶格的长度，因此表面波在固体中传 播时可以看作连续波。建立如图2 1 所示的直角坐标系，微小固体单元的波动方 程可以表示为【2 7 _ 2 8 】： 穆= 锄器 工k , l = 1 , 2 , 3 ， 像， 式中，p 为固体材料的密度，( u l ，u z ，u 3 ) 表示单元振动的微小位移，f 为时间， c i r a 表示材料的弹性刚度常量，x ( x z ，x 2 ，x 3 ) 表示坐标系统的方向。波动方程2 1 使用了爱因斯坦求和惯例，即物理量的脚标重复出现时就自动求和。由于应力和 应变张量具有对称性，弹性刚度常量c 棚可以简化为具有3 6 个分量的6 x 6 阶矩 阵，并且关于对角线对称，仅有2 1 个不同的分量。为了表示方便，将c o - 削- 的双 脚标变为单脚标，即： 111 2 卜1 316 卜5 广广 2 22 3 = 24 、广 尹 3 33 与体波问题不同，表面波是沿表面传播的弹性波，其位移的幅度在表面下方 迅速衰减。因此它的解可以表示为： 珥= qe x p ( i k b x 3 ) e x p i k ( 1 l x a + 乞恐- v t ) 】( 2 - 2 ) 第二章表面波在固体媒介中的传播特性 式中为波的振幅，k 为波数，k = 2 枷，z l ，如为表面波沿秘= 0 表面传播的方 向，b 表示表面波在x 3 = 0 平面下方其位移振幅随深度的衰减，为表面波传播 的速度。 图2 1 表面波在半无限大固体传播三维坐标系统 将式2 2 带入式2 1 可得： 上式也可以表示为： c u 1 3 p k p 护a l = o r 珐一2 瓯】= 0 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 其中，r = 硼称为c h r i s t o f f e l 系数。当，= k 时，如= 1 ，当i 七时，如= 0 。 式2 _ 4 是平面波在固体介质中传播的基本方程。只要知道介质的密度p 和弹 性刚度常量啪就可以计算出平面波波沿任意方向传播的波速和质点位移情况。 根据线性代数知识，只有方程2 - 4 的系数行列式为零，a k 才存在非零解，即： 卜2 瓯i = o ( 2 5 ) 对于给定的表面波传播方向和波速1 ，方程2 5 是以b 为未知数的六次方程。 在x 3 一的无限深处，表面波位移幅度衰减到零，6 仰) 的虚部必须为负数，否则 波的振幅趋于无穷大。因此，方程2 5 的6 个解中仅有6 ( n ，萨) ，6 ( 3 满足要求。 将6 ( n ，铲) ，6 ( 3 带入方程2 4 ，求解出相应的振幅为0 n ，) ，a ( 孙。 此外，对于半无限大媒介，存在一个自由表面( x 3 = 0 ) 的边界条件。在自由 表面上，其应力为零，即： 死= q 3 材警= o ( 2 6 ) 式2 2 所示的波动方程的解不可能同时满足边界条件，但根据线性微分方程 的性质，将与b ( 1 ) ，b ( 2 ) ，6 ( 3 ) 相对应的三个解线性叠加，即： ：3g e x p ( i k b x 3 ) e x p i k ( 1 l x l + 1 2 x 2 一w ) 】( 2 - 7 ) n = l 聊既可以满足波动方程又能够满足边界条件。 将式2 7 带入边界条件2 6 中，可得三个关于g 的方程式： 3 瓦g = o 后= 1 ，2 ，3 n = l 其中，叱= q 。崩磷帕2 j f 。 同理，方程2 - 8 有非零解的条件是g 的系数行列式为零，即： i 如i = o ( 2 8 ) ( 2 - 9 ) 方程2 9 称为边界值行列式，通常l 勘i 为复数。并不是在求解方程2 - 5 时选择 任意的速度v 都能满足方程2 9 。仅有某些特定的速度才