CN104677819A - 一种评价Cu系金属纳米多层膜材料附着性能的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及了一种评价Cu系金属纳米多层膜材料附着性能的方法，该方法采用层片状薄膜试样作为测试样品，采用应变速率可控的纳米压痕仪试验装置，采用纳米压入仪，压头为三棱锥金刚石压头,控制应变速率为0.2s^-1,压入深度为薄膜膜厚的80％或以上，测量在加载结束后压痕截面处膜基间界面裂纹的长度，即可计算出金属纳米多层膜材料的附着能。本方法可以简单、方便、快捷地评价纳米多层膜的附着能，为解决纳米多层膜薄膜附着能力的评估提供了有效途径。

Description

一种评价Cu系金属纳米多层膜材料附着性能的方法

技术领域

本发明属于材料科学技术领域，涉及金属纳米多层膜材料附着性能，尤其是一种评价Cu系金属纳米多层膜材料附着性能的方法。

背景技术

金属薄膜是微电子产品中应用最为广泛的一种薄膜。随着电子元器件微型化、小型化的发展，尤其是纳米金属多层膜薄膜在半导体器件、集成电路和电子元器件等方面得到了广泛深入的研究，取得了丰硕的成果。纳米金属多层膜薄膜的附着问题是薄膜化元器件研究工作的一个重要组成部分，在实际镀膜工作中，由于金属本身物理化学性质的不同，金属与基片之间热膨胀系数、弹性模量的差异，引起薄膜附着性差，经常出现薄膜脱落的现象，严重影响了元器件性能。

由于附着能在工程中的材料设计密切相关，如何能方便准确的评价多层膜材料的附着能，提高金属薄膜附着性的规律和方法，并从工艺上提出改进方法成为设计微观结构敏感性材料的巨大挑战。广大学者研究发现，克服膜基片间不匹配问题通常可通过设置过渡层或夹层来实现。一方面增加它们之间的附着力，另一方面减少它们之间的应力。多层膜材料体系中，大量过渡层及异质界面的存在无疑提高了多层膜材料的附着能。然而，对于含过渡层和夹层的材料附着性能的评估方法以十分成熟，尤其是用纳米压痕的方法。可是对于金属纳米多层膜，目前还没有利用纳米压入方法简单快捷的评估其附着性能。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种评价Cu系金属纳米多层膜材料附着性能的方法，该方法可以简单、方便、快捷地评价纳米多层膜的附着能，能够解决金属多层膜材料附着能测量的问题，为解决纳米多层膜薄膜附着能力的评估提供了有效途径。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

这种评价Cu系金属纳米多层膜材料附着性能的方法，采用纳米压痕法，以层片状薄膜试样作为测试样品，采用三棱锥金刚石压头进行加载试验；压入试验结束后，采用聚焦离子束技术观察压痕截面形貌，并侧得膜基界面分离裂纹的长度a之后，可以利用下述公式(1)计算金属多层膜材料的断裂韧性K_IC；

$G=\frac{(1-v)H{\mathrm{\σ}}_r^2}{E}c[(1-\frac{{\mathrm{\σ}}_c^2}{{\mathrm{\σ}}_r^2})+\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_v^2}{{\mathrm{\σ}}_r^2}\right)(\frac{2{\mathrm{\σ}}_c}{{\mathrm{\σ}}_v}+\frac{1+v}{2c}-1)]---\left(1\right)$

其中E,H,v分别是薄膜的弹性模量，膜厚和泊松比；σ_r是薄膜的残余应力；c,σ_r和σ_r分别由以下公式(2)，(3)和(4)得到：

c＝[1+0.902(1-v)]^-1   (2)

${\mathrm{\σ}}_v=\frac{2.5{\mathrm{Eh}}_p^3}{\mathrm{\π}(1-v)a^{2}H}---\left(3\right)$

${\mathrm{\σ}}_c=\frac{\mathrm{kE}}{12(1-v^2)}{\left(\frac{h^{*}}{a}\right)}^2---\left(4\right)$

其中，h_p是塑性变形的深度，由实时监测纳米压入过程的载荷-位移曲线得到；a是界面面径向裂纹的长度；k是常数为42.67；h^*是薄膜的特征尺寸一般取为多层膜薄膜的调制波长或变形的基本单位。

进一步的，以上压入深度为薄膜膜厚的80％或以上，裂纹的长度a为压痕中心到裂纹尖端的距离。

进一步的，以上所述三棱锥金刚石压头为Berkovich三棱锥金刚石压头。

进一步的，以上层片状薄膜试样的制备是通过磁控溅射镀膜，电沉积镀膜或化学气相沉积制备进行。

进一步，层片状薄膜试样的尺寸为5×5×5mm³，层片状薄膜试样上下左右互相平行。

进一步，以上纳米压痕法控制应变速率为0.2s^-1，加载过程中载荷，塑性变形区和弹性变形区需要精确测量。

本发明具有以下有益效果：

(1)测试样品准备简单：本发明的方法所需的层片状薄膜样品，仅需金刚石刀从完整薄膜材料上切下一小片尺寸用于实验测试，对样品损伤低。

(2)试验方法简单：将样品平行放入纳米压入装置载物台上，控制应变速率为0.2s-¹，加载过程中弹性变形区和塑性变形区可精确测量。

(3)测试结果准确。本发明所测得Cu 1.5nm/1.5 50nm多层膜附着能为0.48J/m²，与Cu系含夹层膜材料所测得附着能数据相近。

附图说明

图1为样品压痕截面示意图；

图2为铜钌金属纳米多层膜的压痕截面实例。

具体实施方式

本发明提供了评价Cu系金属纳米多层膜附着能的评估方法。采用纳米压痕法，采用5×5×5mm³的层片状薄膜试样作为测试样品，采用Berkovich三棱锥金刚石压头进行加载试验；压入试验结束后,采用聚焦离子束技术观察压痕截面形貌，并侧得膜基界面分离裂纹的长度a之后，可以利用下述公式(1)计算金属多层膜材料的断裂韧性K_IC；

$G=\frac{(1-v)H{\mathrm{\σ}}_r^2}{E}c[(1-\frac{{\mathrm{\σ}}_c^2}{{\mathrm{\σ}}_r^2})+\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_v^2}{{\mathrm{\σ}}_r^2}\right)(\frac{2{\mathrm{\σ}}_c}{{\mathrm{\σ}}_v}+\frac{1+v}{2c}-1)]---\left(1\right)$

其中E,H,v分别是薄膜的弹性模量，膜厚和泊松比；σ_r是薄膜的残余应力；c,σ_r和σ_r分别由公式(2)，(3)和(4)得到：

c＝[1+0.902(1-v)]^-1   (2)

${\mathrm{\σ}}_v=\frac{2.5{\mathrm{Eh}}_p^3}{\mathrm{\π}(1-v)a^{2}H}---\left(3\right)$

${\mathrm{\σ}}_c=\frac{\mathrm{kE}}{12(1-v^2)}{\left(\frac{h^{*}}{a}\right)}^2---\left(4\right)$

其中，h_p是塑性变形的深度，可由实时监测纳米压入过程的载荷-位移曲线得到；a是界面面径向裂纹的长度；k是常数为42.67；h^*是薄膜的特征尺寸一般取为多层膜薄膜的调制波长或变形的基本单位。

压入深度为薄膜膜厚的80％或以上，裂纹的长度a为压痕中心到裂纹尖端的距离，如图1所示。层片状薄膜试样的制备是通过磁控溅射镀膜，电沉积镀膜或化学气相沉积制备进行的。层片状薄膜试样的尺寸为5×5×5mm³，层片状薄膜试样上下左右互相平行。纳米压痕法控制应变速率为0.2s^-1，加载过程中载荷，塑性变形区和弹性变形区需要精确测量。

在本发明的最佳实施例中，采用Cu 1.5nm/Ru 1.5nm的多层膜，以说明此种方法的可靠性。

将半径为5cm的Cu 50nm/Ru 50nm的多层膜作为测试样品，用金刚石刀沿硅基底背部切下5×5×5mm³的层片状薄膜试样。采用Berkovich三棱锥金刚石压头进行加载试验，控制应变速率为0.2s-¹,加载过程中载荷，塑性变形的压入深度可精确测量。压入实验结束后，将样品取出，用聚焦离子束/透射电子显微镜下测量出压痕中心岛裂纹尖端的距离，如图2；本实例中a＝17.82μm,h^*＝13.5nm，h_p＝280nm。实验结果表明Cu1.5nm/1.5 50nm多层膜附着能为0.48J/m²。将实验所得Cu系金属纳米多层膜在硬质硅基底上的附着能与铜系含夹层薄膜在硅基体上的附着能(0.2到2J/m²)比较，本方法所得的多层膜的附着能具有较高的准确性。

Claims (6)

1.一种评价Cu系金属纳米多层膜材料附着性能的方法，其特征在于，采用纳米压痕法，以层片状薄膜试样作为测试样品，采用三棱锥金刚石压头进行加载试验；压入试验结束后，采用聚焦离子束技术观察压痕截面形貌，并侧得膜基界面分离裂纹的长度a之后，可以利用下述公式(1)计算金属多层膜材料的断裂韧性K_IC；

$G=\frac{(1-v){\mathrm{H\σ}}_r^2}{E}c[(1-\frac{{\mathrm{\σ}}_c^2}{{\mathrm{\σ}}_r^2})+\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_v^2}{{\mathrm{\σ}}_r^2}\right)\left(\frac{{2\mathrm{\σ}}_c}{{\mathrm{\σ}}_r^2}\right)(\frac{{2\mathrm{\σ}}_c}{{\mathrm{\σ}}_v}+\frac{1+v}{2c}-1)]---\left(1\right)$

其中E,H,v分别是薄膜的弹性模量，膜厚和泊松比；σ_r是薄膜的残余应力；c,σ_r和σ_r分别由以下公式(2)，(3)和(4)得到：

c＝[1+0.902(1-v)]^-1  (2)

${\mathrm{\σ}}_v=\frac{2.5{\mathrm{Eh}}_p^3}{\mathrm{\π}(1-v)a^{2}H}---\left(3\right)$

${\mathrm{\σ}}_c=\frac{\mathrm{kE}}{12(1-v^2)}{\left(\frac{h^{*}}{a}\right)}^2---\left(4\right)$

其中，h_p是塑性变形的深度，由实时监测纳米压入过程的载荷-位移曲线得到；a是界面面径向裂纹的长度；k是常数为42.67；h^*是薄膜的特征尺寸一般取为多层膜薄膜的调制波长或变形的基本单位。

2.根据权利要求1所述的评价Cu系金属纳米多层膜材料附着性能的方法，其特征在于，压入深度为薄膜膜厚的80％或以上，裂纹的长度a为压痕中心到裂纹尖端的距离。

3.根据权利要求1所述的评价Cu系金属纳米多层膜材料附着性能的方法，其特征在于，所述三棱锥金刚石压头为Berkovich三棱锥金刚石压头。

4.根据权利要求1所述的评价Cu系金属纳米多层膜材料附着性能的方法，其特征在于，层片状薄膜试样的制备是通过磁控溅射镀膜，电沉积镀膜或化学气相沉积制备进行的。

5.根据权利要求1所述的评价Cu系金属纳米多层膜材料附着性能的方法，其特征在于，层片状薄膜试样的尺寸为5×5×5mm³，层片状薄膜试样上下左右互相平行。

6.根据权利要求1所述的评价Cu系金属纳米多层膜材料附着性能的方法，其特征在于，纳米压痕法控制应变速率为0.2s^-1，加载过程中载荷，塑性变形区和弹性变形区需要精确测量。