CN101245992A - 一种测量金属互连线力/电耦合作用下表面变形的方法 - Google Patents
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Abstract
一种测量金属互连线力/电耦合作用下表面变形的方法，属于变形检测、光测力学技术领域。本发明利用离子束刻蚀法或电子束刻蚀法在金属互连线表面制作光栅，通过力/电耦合加载系统进行加载，由光学显微镜及图像采集装置实时拍摄加载前及加载过程中的光栅图像，利用数字云纹法、小波变换及相移技术获得金属互连线表面的变形信息。该方法所制作的光栅质量高、频率形状可调，可对试样施加恒应力/变电流、恒电流/变应力、恒应力/恒电流疲劳等多种载荷，具有可实时原位测量、测量视场大、灵敏度高、无接触、操作简单、数据处理方便、及测量精度高的优点，对研究金属互连线的表面变形具有独特的优越性。
Description
技术领域
本发明涉及一种测量金属互连线力/电耦合作用下表面变形的方法，属于变形检测、光测力学技术领域。
背景技术
在超大规模集成电路及微机电系统日益发展的今天，对其中广泛使用的金属互连线的研究也日益深入，这些互连线在微加工制备及使用过程中，经常受到循环力/电/热等多场耦合作用，金属互连线在外场作用下的性能变化直接影响着集成电路、微器件、微设备的使用寿命与运行可靠性，而金属互连线的性能变化通常能通过表面变化表现出来，因此表征金属互连线在外场下的表面变形成为衡量金属互连线性能的一种有效途径。
目前表征金属互连线在外场作用下表面变化的方法主要为高倍显微镜法，如扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、扫描探针显微镜(SPM-STM、AFM)、晶向显微镜(OIM)、电子背散射显微镜(EBSD)等，这些测量方法虽可测得金属互连线表面形貌，但由于高倍显微镜下设计加载装置较为困难，较难进行外载作用下的实时原位测量，且加载时间长时使用高倍显微镜成本太高，此外高倍显微镜法因需很高的放大倍数受到测量范围的限制，每次只能测量试样表面一个非常小的区域。在外场作用下薄膜表面各处的变化具有一定的随机性，若想全面准确评价金属互连线的性能需进行大范围测量，而对于高倍显微镜法，若想获知大范围(相邻多根互连线、每根互连线上几十甚至上百微米区域)内金属互连线的表面变形，需不断移动观察区域逐次测量，使得这些方法对于测量大范围内金属互连线表面变化显得较为困难，对于实时获得各个加载条件下金属互连线的表面变形更是力不从心。
检测薄膜表面变形的方法主要还有显微散斑法和云纹法，显微散斑法仅适于变形较大的应变，较难满足微纳尺度变形的测量要求，而云纹法则具有以高灵敏度、大视场等优点，已发展为一种成熟有效的测量物体表面变形的光测力学方法。云纹法一般通过试件栅和参考栅叠加或干涉形成云纹，而数字云纹法仅需一组试件栅即试样表面的光栅作为变形载体，利用数字图像处理技术，对试件栅变形后的图像进行处理即可形成数字云纹，这使得加载装置可与光学显微镜结合，既可方便实现实时原位加载又可节约成本，通过拍摄加载过程中试样表面的光栅图像，便即可利用数字云纹获得试样表面的变形信息。
运用云纹法测量过程中一个重要的步骤是在金属互连线表面制作高质量光栅。目前光栅制作方法主要有机械刻划法、光刻法、腐蚀法、镀膜法、涂层法、复制法、原子力显微镜(AFM)刻划法等。机械刻划法制作光栅频率低且对刻划机的运动精度及环境温度湿度要求高；腐蚀法、镀膜法、涂层法、复制法对于金属互连线这种特殊结构很难适用；AFM刻划法刻划金属材料时易损坏探针。光刻法又分为掩膜曝光法、光学干涉法、高能束刻蚀法，其中掩膜曝光法要么分辨率低要么光路复杂掩模制备困难；光学干涉法光学系统复杂，且对金属互连线这种特殊结构较难精确定位。
发明内容
本发明旨在针对在大型集成电路和微机电系统中的金属互连线，提出一种利用光栅测量金属互连线力/电耦合作用下表面变形的方法。此方法制作的光栅质量高、频率形状可调，可实时原位测量、测量视场大、灵敏度高、无接触、操作简单，且数据处理自动化、精度高。
本发明的技术方案如下：
一种测量金属互连线力/电耦合作用下表面变形的方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
(1)把柔性基底上沉积有金属互连线的试样制作成哑铃型拉伸试样，用导电银胶将多根金属互连线两端分别相连，使金属互连线并联分布，同时从两端接出两根细导线；
(2)选择一根或相邻多根金属互连线，在所选择的金属互连线上制作单向或正交光栅；
(3)把已制作好光栅的试样放入力/电耦合加载系统中，并使金属互连线上的光栅处于光学显微镜观察区域，且能清晰成像；加载前拍摄光栅图像，然后对试样进行加载，拍摄不同加载条件下光栅变形后的图像；
(4)将拍摄的光栅图像进行二值化处理，分析过程分以下两种情况：
a).若只有一根金属互连线上有光栅，或相邻多根金属互连线上的光栅频率和形状相同，则根据加载前拍摄的光栅图像，利用计算机软件生成一幅与该图像光栅频率相同或接近的二值单向数字栅图像，然后将二值化处理后的光栅图像与二值单向数字栅图像进行逻辑运算，生成数字云纹条纹，采用小波变换进行处理，滤除高频噪声，得到清晰的数字云纹条纹图；把计算机生成的二值单向数字栅图像依次移动p/4，p/2，p3/4，其中p为数字栅节距，再依次与拍摄的二值化处理后的光栅图像进行逻辑运算，经小波变换后获得三幅数字云纹条纹，基于以上四幅数字云纹图，采用相移技术及云纹分析方法获得在二值单向数字栅主方向上不同加载条件下金属互连线表面的变形信息；若制作的光栅为正交栅，只需生成另一个方向的二值单向数字栅图像，重复以上处理步骤即获得另一方向上金属互连线表面的变形信息；
b).若相邻多根金属互连线上的光栅频率或形状不相同，则依次针对每一种光栅，重复步骤a)分别求得光栅所在的多根金属互连线表面的变形信息。。
本发明的技术特征还在于：在所选择的金属互连线上制作的单向或正交光栅的频率为200l/mm～1000l/mm，光栅厚度介于金属互连线平均表面粗糙度的2倍与金属互连线厚度的0.1倍之间。
本发明所述的金属互连线为金属薄膜，所述的柔性基底为高分子聚合物。在金属互连线上制作光栅的方法可采用离子束刻蚀法或电子束刻蚀法。
本发明与现有技术相比，具有以下显著优点及突出性效果：利用离子束刻蚀法或电子束刻蚀法在金属互连线上制作光栅，基于聚焦离子束显微镜或扫描电子显微镜，无需掩模板、空间定位方便、制作速度快、精度高，制作的光栅频率形状均可调，可在相邻互连线上制作不同频率和形状的光栅；力/电耦合加载系统，可对试样施加恒应力/变电流，恒电流/变应力，恒应力/恒电流疲劳等多种载荷，结合数字云纹法，可实时原位测量、测量视场大、灵敏度高、无接触、操作简单；通过计算机软件对所采集的图像进行自动处理，数据处理方便、快速、精度高，对研究金属互连线的表面变形具有独特的优越性。
附图说明
图1为力/电耦合加载系统示意图。其中：1-位移控制装置；2-支座；3-转动平动转换块；4a-移动端夹头，4b-固定端夹头；5-接线端子；6-试样；7-光学显微镜及图像采集装置；8-通电装置；9-力传感器；10-力显示仪表；11-三维移动台；12-直线导轨。
图2为在相邻两根互连线上制作的不同频率和形状的光栅示意图。其中：13-细导线；14-导电银胶；15-频率为f1的单向光栅；16-频率为f2的正交光栅；17-基底；18-金属互连线。
具体实施方式
现结合图1、图2及实施例对本发明的具体实施方式作进一步说明。为了更清楚地说明该方法的原理与实施步骤，在阐述具体实施方式前先简要介绍本发明中力/电耦合加载系统的构成及数字云纹法的原理。
力/电耦合加载系统示意图如图1所示，三维移动台11用来调整试样的位置；支座2固定在三维移动台上，并与位移控制装置1、直线导轨12和力传感器9固定连接。位移控制装置1包括位移控制器、步进电机和减速箱，用来控制输出的位移大小及方向；直线导轨上固定着转动平动转换块3，使由位移控制装置提供的转动转化为与移动端夹头4a相连的丝杠的平动；力传感器9与固定端夹头4b连接，所测的力值通过力显示仪表10显示；试样6被夹持在移动端夹头4a和固定端夹4b夹头之间；接线端子5放置在夹头底座上，用来连接试样与通电装置8，通电装置由电源、电压表、电流表组成；试样表面的光栅形貌由光学显微镜及图像采集装置7获取。该系统可对试样施加恒应力/变电流，恒电流/变应力，恒应力/恒电流疲劳等多种载荷。
传统云纹法需要试件栅和参考栅两组栅线进行光学叠加，而数字云纹法只需一组试件栅，参考栅由计算机生成，处理时先将数字化的试件栅图像进行二值化，再根据加载前拍摄的试件栅图像，利用计算机生成一组与试件栅频率相同或接近的二值单向数字栅，之后将试件栅图像与数字栅图像进行逻辑运算，通过模拟栅线叠加形成几何云纹。在进行逻辑运算前，还可利用各种数学工具对试件栅图像进行处理，如傅立叶变换、图像增强等，得到清晰的、易于运算的试件栅图像。逻辑运算操作方式常用的有AND、OR及XOR，与之对应的逻辑云纹又分别称为乘法云纹、加法云纹、减法云纹，相比而言，XOR逻辑云纹即减法云纹条纹具有更好的对比度。逻辑云纹图像的低频信息即条纹与实际的云纹条纹一致，但逻辑云纹图像中往往同时含有大量的高频信息即噪声，直接对逻辑条纹进行分析会带来误差。鉴于此，采用小波变换技术消除逻辑云纹图像中的高频噪声，通过对图像的低频信息重构模拟得出清晰光滑的数字云纹条纹。为提高测量精度，对数字云纹条纹进行处理时采用相移技术，在数字云纹法中参考栅是由计算机生成的数字栅，故无需光学相移器件便可精确地移动参考栅，从而方便地实现数字相移。对数字云纹条纹处理后，便可获知试件栅在二值单向数字栅主方向上所携带的变形信息。
使用此方法时，把柔性基底17上沉积有金属互连线18的试样制作成哑铃型拉伸试样；用导电银胶14把众多金属互连线两端分别相连，使金属互连线并联分布，同时从两端接出两根细导线13；选择一根或相邻多根金属互连线，在所选择的金属互连线上制作频率为200l/mm～1000l/mm，形状为单向光栅15或正交光栅16，光栅厚度介于金属互连线平均表面粗糙度的2倍与金属互连线厚度的0.1倍之间；把已制作好光栅的试样放入力/电耦合加载系统，设置1N预紧力使试样拉紧，把与金属互连线相连的两根细导线分别焊接在两个接线端子上，调整力/电耦合加载系统的三维移动台及光学显微镜的调焦系统，使金属互连线上制作的光栅处于光学显微镜观察区域且能清晰成像，加载前拍摄光栅图像，然后对试样进行加载，拍摄不同加载条件下光栅变形后的图像。
把拍摄的光栅图像进行二值化处理，若只有一根金属互连线上有光栅，或相邻多根金属互连线上的光栅频率和形状相同，则根据加载前拍摄的光栅图像，利用计算机软件生成一幅与该图像光栅频率相同或接近的二值单向数字栅图像，然后将二值化处理后的光栅图像与二值单向数字栅图像进行XOR逻辑运算，生成数字云纹条纹，采用小波变换进行处理，滤除高频噪声，得到清晰的数字云纹条纹图；把计算机生成的二值单向数字栅图像依次移动p/4，p/2，p3/4，其中p为数字栅节距，再依次与拍摄的二值化处理后的光栅图像进行逻辑运算，经小波变换后获得三幅数字云纹条纹，基于以上四幅数字云纹图，采用相移技术及云纹分析方法获得在二值单向数字栅主方向上不同加载条件下金属互连线表面的变形信息；若制作的光栅为正交栅，只需生成另一个方向的二值单向数字栅图像，重复以上处理步骤即获得另一方向上金属互连线表面的变形信息。若相邻多根金属互连线上的光栅频率和形状不相同，则依次针对每一种光栅，依次重复以上步骤便可分别求得光栅所在的多根金属互连线表面的变形信息。
实施例1
取一块在聚酰乙胺柔性基底上沉积Al互连线的试样，Al互连线厚度为1μm，宽度为8μm，相邻Al互连线中心间距为16μm，把试样加工成哑铃型拉伸试样形状，试样长度方向与Al互连线长度方向平行，有效工作区大小为8mm×4mm，在工作区分布250根Al线，把导电银胶沿宽度方向涂于工作区两侧，使这些Al线的两端分别相连成并联分布，同时从涂导电银胶区域接出两根细导线。从试样上选择两根Al互连线，利用聚焦离子束显微镜采用离子束刻蚀法分别在其上制作频率为200l/mm和1000l/mm的正交光栅，光栅厚度均为100nm，面积均为4mm×8μm。
把已制作好光栅的试样放入力/电耦合加载系统，设置1N预紧力使试样拉紧；用电烙铁把与Al互连线相连的两根细导线分别焊接在与试样齐高的两个接线端子上；调整加载系统的三维移动台及光学显微镜的调焦系统，使Al互连线上制作的光栅处于光学显微镜观察区域，且能清晰成像，加载前拍摄光栅图像。
采用恒电流/变应力加载模式，恒定电流为1000mA，即电流密度为1000/(250×1×8)＝5×108A/m2，以0.01mm/min的速率逐渐加载至0.3mm位移，相应的力逐渐增大，每隔0.01mm采集一幅光栅图像，同时记录对应的力值，可作宏观力-位移曲线，也可画宏观应力-应变曲线。
将采集的光栅图像进行二值化处理，因两根Al互连线上的光栅频率不同，故分别进行处理，首先针对200l/mm的正交光栅图像，根据加载前拍摄的光栅图像，通过Matlab由计算机生成一幅与200l/mm光栅频率相同的二值数字单向栅，数字栅节距为5μm，把二值化处理后的试件栅图像与生成的数字栅图像进行XOR逻辑运算，生成数字云纹条纹，采用小波变换进行处理，滤除高频噪声，得到清晰的数字云纹条纹，把计算机生成的数字栅依次移动1.25μm，2.5μm，3.75μm，再依次与二值化处理后的试件栅图像进行逻辑运算，经小波变换后获得三幅数字云纹条纹，基于以上四幅数字云纹图，采用相移技术及云纹分析方法便可求出在二值数字单向栅主方向上各个加载条件下此互连线表面的变形信息，由计算机生成另一个方向的二值数字单向栅，重复以上步骤可获得另一方向上此互连线表面的变形信息。
对于1000l/mm的正交光栅图像，依与处理200l/mm正交光栅图像相同的步骤，根据加载前拍摄的光栅图像，先后生成两幅方向垂直的频率为1000l/mm的二值单向数字栅，依次经逻辑运算、小波变换后得数字云纹图，再经把数字栅依次移动0.25μm，0.5μm，0.75μm获取另外三幅数字云纹图后，利用相移技术及云纹分析方法可分别求出此根互连线两个方向上表面的变形信息，进而为分析金属互连线的力学性能提供有力的支持。
若想研究不同加载模式下金属互连线的表面变形，只需改变位移控制装置和通电装置的设置即可。
Claims (4)
1.一种测量金属互连线力/电耦合作用下表面变形的方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
(1)把柔性基底上沉积有金属互连线的试样制作成哑铃型拉伸试样，用导电银胶将多根金属互连线两端分别相连，使金属互连线并联分布，同时从两端接出两根细导线；
(2)选择一根或相邻多根金属互连线，在所选择的金属互连线上制作单向或正交光栅；
(3)把已制作好光栅的试样放入力/电耦合加载系统中，并使金属互连线上的光栅处于光学显微镜观察区域，且能清晰成像；加载前拍摄光栅图像，然后对试样进行加载，拍摄不同加载条件下光栅变形后的图像；
(4)将拍摄的光栅图像进行二值化处理，分析过程分以下两种情况：
a).若只有一根金属互连线上有光栅，或相邻多根金属互连线上的光栅频率和形状相同，则根据加载前拍摄的光栅图像，利用计算机软件生成一幅与该图像光栅频率相同或接近的二值单向数字栅图像，然后将二值化处理后的光栅图像与二值单向数字栅图像进行逻辑运算，生成数字云纹条纹，采用小波变换进行处理，滤除高频噪声，得到清晰的数字云纹条纹图；把计算机生成的二值单向数字栅图像依次移动p/4，p/2，p3/4，其中p为数字栅节距，再依次与拍摄的二值化处理后的光栅图像进行逻辑运算，经小波变换后获得三幅数字云纹条纹，基于以上四幅数字云纹图，采用相移技术及云纹分析方法获得在二值单向数字栅主方向上不同加载条件下金属互连线表面的变形信息；若制作的光栅为正交栅，只需生成另一个方向的二值单向数字栅图像，重复以上处理步骤即获得另一方向上金属互连线表面的变形信息；
b).若相邻多根金属互连线上的光栅频率或形状不相同，则依次针对每一种光栅，重复步骤a)分别求得光栅所在的多根金属互连线表面的变形信息。
2.按照权利要求1所述的测量金属互连线力/电耦合作用下表面变形的方法，其特征在于：在所选择的金属互连线上制作的单向或正交光栅的频率为200l/mm～1000l/mm，光栅厚度介于金属互连线平均表面粗糙度的2倍与金属互连线厚度的0.1倍之间。
3.按照权利要求1或2所述的测量金属互连线力/电耦合作用下表面变形的方法，其特征在于：所述的金属互连线为金属薄膜，所述的柔性基底为高分子聚合物。
4.按照权利要求1所述的测量金属互连线力/电耦合作用下表面变形的方法，其特征在于：在金属互连线上制作光栅的方法采用离子束刻蚀法或电子束刻蚀法。
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