简介概要

多晶铜膜纳米压入蠕变性能

来源期刊：中国有色金属学报2004年第8期

论文作者：王飞徐可为

文章页码：1281 - 1285

关键词：纳米压入; 蠕变; 残余应力; 应力指数

Key words：nanoindentation; creep; residual stress; stress exponent

摘要：在JGP560V磁控溅射镀膜设备上镀制多晶铜膜，利用纳米压入技术测量了其室温下的蠕变性能。结果表明：由于不同加载方式下，材料加工硬化程度的不同造成了应力指数的差异，因而，不同加载方式对测得的铜膜蠕变应力指数有比较大的影响；由于材料在高载荷时在压头下端产生更多的位错，阻碍了压头的压入，使蠕变率降低，因而，随着保载载荷的升高，蠕变应力指数变大。

Abstract: Two creep experiments were conducted on polycrystalline Cu thin films with nanoindentation instrument. The thin films were deposited by magnetron sputtering technique. The results show that the loading modes have great effect on the nanoindentation creep properties. The changes of stress exponent depend on the rate of work hardening under different loading conditions. And with increasing holding load, the stress exponents increase under both two loading modes because of many accumulated dislocations under the indenter tip, which reduces the creep rate for the indenter and makes it difficult to penetrate further.

中国有色金属学报 2004,(08),1281-1285 DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2004.08.005

多晶铜膜纳米压入蠕变性能

徐可为

西安交通大学金属材料强度国家重点实验室,西安交通大学金属材料强度国家重点实验室西安710049 ,西安710049

摘要：

在JGP560V磁控溅射镀膜设备上镀制多晶铜膜, 利用纳米压入技术测量了其室温下的蠕变性能。结果表明:由于不同加载方式下, 材料加工硬化程度的不同造成了应力指数的差异, 因而, 不同加载方式对测得的铜膜蠕变应力指数有比较大的影响;由于材料在高载荷时在压头下端产生更多的位错, 阻碍了压头的压入, 使蠕变率降低, 因而, 随着保载载荷的升高, 蠕变应力指数变大。

关键词：

纳米压入;蠕变;残余应力;应力指数;

中图分类号： TB383

作者简介：徐可为, 教授, 博士;电话:02982663126;E mail:hping@mailst.xjtu.edu.cn;

收稿日期：2003-12-24

基金：国家自然科学基金资助项目 (59931010);

Mechanisms of polycrystalline Cu thin films during nanoindentation creep

Abstract：

Two creep experiments were conducted on polycrystalline Cu thin films with nanoindentation instrument. The thin films were deposited by magnetron sputtering technique. The results show that the loading modes have great effect on the nanoindentation creep properties. The changes of stress exponent depend on the rate of work hardening under different loading conditions. And with increasing holding load, the stress exponents increase under both two loading modes because of many accumulated dislocations under the indenter tip, which reduces the creep rate for the indenter and makes it difficult to penetrate further.

Keyword：

nanoindentation; creep; residual stress; stress exponent;

Received： 2003-12-24

随着集成电路的发展, 铜膜以其低电阻率、低电迁移的特性而逐渐取代铝膜成为集成电路的引线材料, 因此, 对铜膜材料可靠性的要求越来越高。目前, 对于铜互连的研究主要集中在薄膜制备技术等方面, 而蠕变对集成电路可靠性有很大影响却鲜有报道。以往材料的蠕变性能多采用传统测试手段 ^[1,2] , 但薄膜材料因其尺寸上的局限性, 使其难以应用传统材料来测量其力学性能。纳米压入技术的日益成熟为薄膜力学性能的研究开辟了一条新途径, 对研究薄膜材料的室温蠕变行为提供了一个有效的测试手段 ^[3,4] 。

利用纳米压入法测量材料蠕变性能的方法主要为恒加载速率法 (CRL) ^[5] 、压入载荷松弛法 (ILR) ^[6] 、恒定载荷法 ^[7,8] 、恒加载速率/载荷法 ^[8] 等。以往对铜蠕变性能的研究主要集中在块体材料上。近年来, 一些学者应用压入法研究块体材料的蠕变性能 ^[9,10,11] , 但利用纳米压入技术对金属薄膜材料室温蠕变性能, 尤其是纳米压入蠕变的基本力学行为的研究却很少。

本文作者利用磁控溅射技术在硅片上镀制多晶铜膜, 并测量了用相同工艺镀制的铜膜在室温下纳米压入蠕变性能。研究结果发现, 不同加载方式下得到铜膜的蠕变应力指数有很大的不同, 并且随着保载载荷的升高, 铜膜的蠕变应力指数呈规律性变化。

1 实验

1.1 材料

实验选用沉积态和退火态两种铜膜, 经JGP560V磁控溅射镀膜设备镀制在单晶硅上制成试样, 靶材纯度大于99.99%。镀膜前, 硅片经超声清洗, 为了防止铜、硅间的扩散, 在硅片上先镀上一层100 nm的TaN阻挡层, 通过SEM测得铜膜的厚度约为3 μm。

1.2 纳米压入

纳米压入实验使用的是MTS公司的Nano indenterXP型纳米压入仪, Berkovich三棱锥压头, 压头尖端约为100 nm, 载荷压力和位移精度分别为75nN和0.1nm。该仪器配有连续柔性测量装置 (CSM) , 在压入过程中可以连续测得柔度值, 从而获得每个位移点的硬度和弹性模量, 并可通过一次压入实验得到试样硬度随深度的变化。实验在室温和空气环境下进行。硬度由式 (1) 给出。

$Η \equiv \frac{Ρ}{A} ? ? ? (1)$

蠕变实验采用两种加载方式: 1) 最大载荷分别选取1.5 mN, 3 mN 和6 mN (方式1) , 当载荷达到最大载荷时, 保载60 s, 然后卸载, 每个载荷下都重复测试5个点。图1 (a) 为最大载荷为1.5 mN时, 纳米压入蠕变实验中载荷和位移随时间的变化曲线。 2) 加载见图1 (b) (方式2) , 压头在3个保载载荷下均在原位压入。当载荷达到1.5 mN时保载60 s, 之后卸载, 接着在原位加载到3 mN, 再保持60 s, 在载荷为6 mN处保载60 s后, 卸载到1 mN并保载50 s以测量热漂移, 最终完全卸载。

2 蠕变应力指数

实验发现铜膜硬度随着保载时间增加, 初期快速下降, 随后速度趋缓, 最后相对稳定, 因此, 通常保载一段时间后再读取稳定数据。此段硬度与时间关系 (即为材料的室温蠕变行为) 的研究不多。一些学者认为压入蠕变的曲线可用方程 (2) 来描述 ^[12,13] 。

$\dot{ε} = A σ^{n} \exp (- Q / R Τ) ? ? ? (2)$

图1 载荷和位移在纳米压入蠕变实验中随时间变化

Fig.1 Force and displacement as afunction of time from creep test (a) —Mode one; (b) —Mode two

式中 $\dot{ε}$ 和σ分别为应变和应力; A为常数; Q是激活能; n为应力指数 (即1/m, m为蠕变敏感系数) 。

应变率和硬度变化率及应力和硬度关系如式 (3) ^[9,14]

式中 C为常数。将式 (3) 、 (4) 代入方程 (2) , 并将方程两边积分得压入蠕变的硬度与保载时间关系 ^[15]

式中 B=nAσⁿ/β。 lnH和lnt之间存在线性关系, 其斜率即为应力指数的倒数, 应力指数越大, 说明蠕变速率越低。

3 结果

利用方式1得到的铜膜蠕变应力指数见图2。如图2所示, 3种载荷下的lnH和lnt都符合线性关系, 其线性相关度都在0.995以上, 说明式 (5) 可以很好的反映材料的蠕变性能。图中的硬度和时间关系数据是5次重复实验后, 算术平均得到的应力指数。随着保载载荷的增加, 铜膜的蠕变应力指数有很大的提高, 由1.5 mN下的7.6增加到6 mN下的20.4。

图3所示为利用方式2测得的不同保载载荷下铜膜的蠕变应力指数。随着保载载荷的升高, 应力指数由1.5 mN下的17.4增加到3 mN下的18.2, 而当保载载荷进一步增大到6 mN时, 应力指数与3 mN下的基本相同。在3个保载载荷下, 只有载荷为1.5 mN时, 蠕变应力指数与方式1的基本相同, 而当载荷为3 mN和6 mN时, 其应力指数均较方式1的降低, 且随着保载载荷的增加, 不同保载载荷间应力指数的增量也小于利用方式1测得的铜膜蠕变应力指数。

4 讨论

4.1 保载载荷的影响

如图2、 3所示, 不同加载方式下铜膜的蠕变应力指数均随着保载载荷的升高而升高。当保载载荷增大时, 高载荷对材料的蠕变性能影响存在2种效应: 1) 较高载荷可以使压头易于压入铜膜, 具体表现为铜膜抵抗蠕变的能力呈下降趋势, 即导致应力指数降低。 2) 高保载载荷下, 在加载过程中会加快压头压入材料的速度, 从而在压头尖端产生较低载荷下更多的线位错或位错环, 使得位错塞积增强。因此, 会产生较低载荷下更大的加工硬化, 反而使得在保载阶段压头难以压入材料, 造成铜膜抵抗蠕变能力的上升。因此, 当保载载荷升高时, 最终的蠕变应力指数是这2种效应共同作用的结果。

图2 溅射态铜膜的应力指数随保载载荷的变化 (方式1)

Fig.2 Variation of stress exponents with change ofholing load for deposited copper thin films (mode one) (a) —1.5 mN; (b) —3 mN; (c) —6 mN

图3 溅射态铜膜的应力指数随保载载荷的变化 (方式2)

Fig.3 Variation of stress exponents with change ofholing load for deposited copper thin films (mode two) (a) —1.5 mN; (b) —3 mN; (c) —6 mN

本文的实验结果说明在2种加载方式下, 虽然不同保载载荷下应力指数数值和变化量有很大的不同, 但高载荷造成的加工硬化效应较强。因此, 随着加载载荷的升高, 铜膜的蠕变速率降低, 即蠕变应力指数升高。

Raman和Berriche ^[3] 利用恒定载荷方法对镀在硅基体上的厚度为0.8 μm和1.6 μm的铝薄膜进行纳米压入蠕变实验, 测得0.1～8 mN载荷下应力指数为7.9～9.5, 且随着保载载荷的升高, 应力指数的变化趋势与本文实验的相同。

4.2 不同加载方式的影响

造成2种加载方式下铜膜蠕变应力指数不同原因主要是由于加载阶段的弹塑性变形的不同。如图2和3所示, 由于其加载阶段的弹塑性变形方式完全一样, 在保载载荷为1.5 mN时, 2种加载方式得到的应力指数基本相同; 当保载载荷为3 mN时, 2种方式下得到的应力指数就有比较大的差别。

利用方式1加载时, 3 mN时的应力指数较1.5 mN时增大了1.4 (约8%) 。在保载载荷由0N升到3 mN的过程中, 压头均与铜膜相接触, 随着压入深度的增加, 位错尖端增殖使位错塞积越来越多, 且在这个过程中, 铜膜中的弹性形变始终得不到释放, 因而大大地阻碍保载阶段中压头进一步压入铜膜, 使蠕变率降低, 即应力指数较大。当保载载荷为6 mN时, 压头下端形成更强的加工硬化, 因此, 当保载载荷进一步增大到6 mN时, 应力指数的增加幅度也比方式2大很多, 从3 mN时的19增加到6 mN时的20, 但增加幅度小于3 mN相对于1.5 mN时的增加量。

利用方式2加载时, 保载载荷为3 mN的压入蠕变实验是在用1.5 mN的载荷进行过压入蠕变的基础上原位压入的。当压头从载荷为1.5 mN处卸载时, 压头下端的弹性变形得到了充分释放。与此同时, 压头下端大量的塞积位错会随着弹性变形的释放而得到缓解, 且由于压头压入引起的薄膜内应力也大大地降低, 而在方式1的加载下, 压头下端和周围的塞积位错和内应力始终得不到释放。这使得在载荷为3 mN时用方式1加载造成的加工硬化要大于方式2加载造成的加工硬化。因此, 在保载阶段, 方式2产生的蠕变量要大于方式1产生的蠕变量, 即应力指数小于方式1的应力指数。在保载载荷为6 mN时, 2种载荷方式下的变形原理与3 mN时的相同。因此, 随着加载载荷的升高, 方式1的蠕变应力指数变化量大于方式2的蠕变应力指数变化量。