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硅基铜薄膜制备及其激光冲击改性研究

作　者: 牛忠秀
导　师: 陈瑞芳
学　校: 江苏大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: Cu薄膜磁控溅射激光冲击硬度弹性模量电阻率
分类号: O484.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 21次
引　用: 1次
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内容摘要

强度和导电性是导体金属材料的两个至关重要性能,但往往顾此失彼,不可兼得,为了有效提高集成电路中金属Cu连线材料的导电性和机械性能,本文系统地分析了直流磁控溅射工艺参数对Cu薄膜沉积在单晶Si基片上质量的影响,优化了溅射工艺参数,制备出了优质的纳米铜薄膜,并在此基础上开展了激光冲击纳米铜薄膜的实验研究,取得了以下几个方面的成果。薄膜的沉积速率随溅射功率的增加而线性增加;当溅射气压在0.3～0.5Pa时,随着溅射气压的增加,沉积速率随之增加,薄膜的成膜速率达到最大;之后随着溅射气压的增加,成膜速率迅速降低。Cu薄膜表面粗糙度在溅射功率60W～100W的条件下,出现比较小的值,而随溅射功率的继续增加粗糙度又开始增大;在工作气压为0.5Pa,基片温度为150℃时制备的Cu薄膜,由于基片热效应,薄膜粒子的扩散能力增强,岛与岛之间相连,空洞被填充,薄膜表面变得光洁致密。随着溅射功率的增大,(111)面衍射峰的强度越来越强,说明溅射功率的增大使晶体的有序化程度增大,薄膜结晶程度提高;Cu薄膜的硬度和弹性模量都随溅射功率的增加先是增大后降低。基片温度可以抑制溅射膜的柱状生长方式和晶粒长大过程,XRD结果显示随着温度增加,晶粒择优取向出现(111)晶面和(100)晶面。随着基片温度的升高(＜150℃),Cu膜的硬度和弹性模量逐渐增大。在150℃,其硬度和弹性模量都分别达到最大值5.0GPa和156.4GPa。但随着温度继续升高到300℃时,其硬度和弹性模量值反而下降。在溅射气压为0.5Pa时,Cu薄膜的硬度和弹性模量比较稳定。电阻率ρ随着溅射功率的增加减小;由于基片温度“结构区域模型”的影响,Cu薄膜电阻率p在基片温度T＜150℃时逐渐减小,而在基片温度150℃＜T＜300℃时,电阻率ρ又开始增加,但增加的幅度不是很大。T增加到400℃,电阻率ρ发生了反常增大;在0.15～2Pa范围内,铜薄膜的电阻率的增加是随着氩气的压强增加而增加。利用优化的激光冲击处理工艺对沉积在单晶Si基片上的Cu薄膜进行了冲击强化处理。实验结果表明:Cu薄膜经过激光冲击后,薄膜的表面发生了塑性变形,组织结构变得更致密,粗糙度明显降低了。纳米压痕仪的测试结果显示薄膜的力学性能都得到不同程度的提高,其中硬度和弹性模量值分别提高,最大提高了106.58%和134.82%。四探针测试仪测试的结果显示Cu薄膜的电学性能得到了不同程度的改善,电阻率降低最多的达到了25.8%。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-11
第一章绪论  11-18
  1.1 研究背景  11-15
    1.1.1 集成电路技术的发展趋势  11-12
    1.1.2 集成电路对引线框架材料的要求  12-13
    1.1.3 国外引线框架材料的使用现状  13-14
    1.1.4 铜基IC引线框架材料的开发和使用现状  14
    1.1.5 高强度高导电铜基IC引线框架材料的开发现状  14-15
  1.2 激光冲击处理技术的原理  15-16
  1.3 研究目的及意义  16-17
  1.4 本论文研究的内容  17-18
第二章薄膜及其制备原理  18-24
  2.1 薄膜的生长机理  18-20
    2.1.1 薄膜生长及过程  18-20
  2.2 磁控溅射制备薄膜原理  20-24
    2.2.1 溅射现象及机理  20-22
    2.2.2 磁控溅射基本原理  22-24
第三章样品制备与测试方法  24-30
  3.1 样品制备  24-26
    3.1.1 实验设备简介  24
    3.1.2 基片前处理  24-25
    3.1.3 靶材  25
    3.1.4 薄膜制备过程  25-26
  3.2 薄膜的性能表征  26-30
    3.2.1 X射线衍射(XRD)分析  26
    3.2.2 扫描电镜(SEM)测试  26
    3.2.3 原子力显微镜(AFM)测试  26-27
    3.2.4 透射电子显微镜(TEM)测试  27
    3.2.5 薄膜的电学性能的测试  27-28
    3.2.6 力学性能的测试  28-30
第四章磁控溅射制备Cu薄膜的结构与性能的研究  30-50
  4.1 溅射功率对Cu薄膜结构及性能的影响  30-36
    4.1.1 溅射功率对Cu薄膜沉积速率的影响  30-31
    4.1.2 溅射功率对Cu薄膜表面形貌的影响  31-33
    4.1.3 溅射功率对Cu薄膜织构的影响  33-35
    4.1.4 溅射功率对Cu薄膜电学性能的影响  35-36
    4.1.5 硬度和弹性模量  36
  4.2 基片温度  36-46
    4.2.1 基片温度对Cu薄膜表面形貌的影响  38-39
    4.2.2 基片温度对薄膜表面粗糙度的影响  39-40
    4.2.3 薄膜生长机理的探讨  40
    4.2.4 基片温度对Cu薄膜织构的影响  40-42
    4.2.5 基片温度对硅基铜薄膜的电学性能的影响  42-43
    4.2.6 硬度和弹性模量  43-46
  4.3 溅射气压对铜薄膜的影响  46-50
    4.3.1 溅射气压对成膜速率的影响  46-47
    4.3.2 溅射气压对电阻率的影响  47-48
    4.3.3 硬度和弹性模量  48-50
第五章激光冲击Cu薄膜实验研究  50-60
  5.1 激光冲击的力学效应  50
  5.2 激光冲击试验装置  50-51
  5.3 实验材料和实验过程  51-53
  5.4 激光冲击硅基铜薄膜的结果与分析  53-60
    5.4.1 激光冲击处理前后Cu薄膜表面形貌的变化  53-55
    5.4.2 激光冲击前后Cu力学性能的变化  55-58
    5.4.3 激光冲击前后Cu薄膜电学性能的变化  58-60
第六章总结与展望  60-62
  6.1 总结  60-61
  6.2 展望  61-62
参考文献  62-66
致谢  66-67
在读学位期间发表的论文  67

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