CN106770654A - 用粘附性判定标准值判断薄膜粘附性好坏的一种方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供用粘附性判定标准值判断薄膜粘附性好坏的一种方法，包括：利用指数内聚力模型的势函数作为薄膜衬底结构中薄膜衬底界面单元的本构模型，建立考虑界面粘附性的有限元模型；获得衬底和薄膜间最大界面应力随粘附性变化而变化的趋势；利用获得的最大界面应力随参数σmax/δn变化而变化的趋势图，来确定粘附性判定标准值；将最大界面应力饱和值的95％设置为最大界面应力标准值，把最大界面应力标准值对应的参数σmax/δn的取值作为粘附性好坏的判定标准值；检测样片的粘附性值；根据粘附性判定标准值判断得出样片粘附性好坏。本发明可无损、快速、准确的判断出薄膜与衬底间的粘附性的好坏。

Description

用粘附性判定标准值判断薄膜粘附性好坏的一种方法
技术领域
本发明属于超声表面波无损检测领域，涉及一种薄膜粘附性好坏的判定方法。
背景技术
薄膜科学在微电子领域有着重要的应用。Low-k互连是高速超大规模集成(ULSI)电路发展中的一个重要理念，由于其可以减少互连延迟，串扰以及电路的能量损耗。在low-k薄膜的各项特性中，界面粘附性是一个非常重要的特性，它显著地影响了互连系统的稳定性和可靠性。在薄膜的粘附性检测方面，传统上常用的方法有划痕法、四点弯曲法、粘揭法、拉伸法等。但这些方法都会对薄膜造成损伤，且不能给出粘附性好坏的判定。无损测量薄膜粘附特性并提供薄膜粘附特性的判定标准成为了一项亟需解决的关键技术。基于内聚力模型的超声表面波方法是一种极具发展前景的无损测量技术，该方法将由内聚力确定出的表征粘附特性的关键参数σmax/δn与超声表面波方法结合起来，适用于对互连薄膜粘附特性的无损、准确、定量的在线测量。其中σmax为界面法向最大应力，δn为法向特征长度，复合参数σmax/δn可定量的表达出薄膜的粘附特性。
发明内容
本发明的目的是提供一种确定粘附性判定标准值的方法。该方法通过确定薄膜衬底间的最大界面应力随关键参数变化而变化的趋势，得出最大界面应力随薄膜粘附性变化而变化的趋势具有饱和性这一特点，提出粘附性判定标准值。本发明的技术方案如下：
用粘附性判定标准值判断薄膜粘附性好坏的一种方法，包括下列步骤：
1)利用指数内聚力模型的势函数作为薄膜衬底结构中薄膜衬底界面单元的本构模型，建立考虑界面粘附性的有限元模型；
2)获得衬底和薄膜间最大界面应力随粘附性变化而变化的趋势；
3)利用获得的最大界面应力随参数σmax/δn变化而变化的趋势图，来确定粘附性判定标准值，其中，σmax为界面法向最大应力，δn为法向特征长度；将最大界面应力饱和值的95％设置为最大界面应力标准值，把最大界面应力标准值对应的参数σmax/δn的取值作为粘附性好坏的判定标准值；
4)利用激光激发超声表面波系统对样片进行检测，获得表面波的实验频散曲线，通过匹配获得样片的粘附性值；
5)根据粘附性判定标准值判断得出样片粘附性好坏：将实验所得的粘附性值与粘附性判定标准值进行比较，若该值大于粘附特性标准值则认为粘附特性情况好，反之，则认为粘附特性情况不好。
本发明通过研究薄膜衬底间的最大界面应力随关键参数σmax/δn变化而变化的趋势来分析最大界面应力随薄膜粘附性变化而变化的趋势，从而提出了一种薄膜粘附性的判据，可用来无损的判断薄膜粘附性的好坏。利用基于内聚力模型的超声表面波方法可以无损测量薄膜的粘附特性，定量的得到表征薄膜粘附特性的关键参数，并将该测量值与粘附性判定标准值进行对比，可无损、快速、准确的判断出薄膜与衬底间的粘附性的好坏。
附图说明
图1包含界面粘附单元的薄膜衬底结构的有限元模型
图2薄膜衬底间的最大界面应力随参数σmax/δn变化而变化的趋势
具体实施方式
利用指数内聚力模型的势函数作为薄膜衬底结构中薄膜衬底界面单元的本构模型，建立考虑界面粘附性的有限元模型，如图1所示。在建立的模型中设定好模型的尺寸，及材料相应的特征参数。对图1所示的有限元模型的薄膜表面施一外部拉力。将界面参数σmax/δn设置为从1011Pa/m变化到1021Pa/m，通过计算得到不同σmax/δn值下的衬底和薄膜间的最大界面应力值，并做出最大界面应力随界面参数σmax/δn变化而变化的曲线，如图2所示。随着参数σmax/δn的增大，最大界面应力先随之增大，而当参数σmax/δn增大到一定范围后，最大界面应力明显出现了饱和趋势。利用获得的最大界面应力随参数σmax/δn变化而变化的趋势图，来确定粘附性判定标准值。将最大界面应力的饱和值的95％为设置为最大界面应力的标准值，如果某一确定参数σmax/δn对应的最大界面应力值大于标准值，则可认为该参数σmax/δn所对应的粘附性为好，否则认为界面粘附性不好。即可把最大界面应力的标准值对应的参数σmax/δn的取值作为粘附性好坏的判定标准值。利用激光激发超声表面波系统对样片进行检测。通过匹配，获得样片的粘附特性值。将实验所得的粘附性值与粘附特性标准值进行比较，若该值大于粘附特性标准值则认为粘附特性情况好，反之，则认为粘附特性情况不好。借助这一确定出的粘附特性判定标准值，完成对薄膜粘附特性好坏的判定。
下面具体的以一种样片进行说明本发明的技术方案：
1.利用指数内聚力模型的势函数作为薄膜衬底结构中薄膜衬底界面单元的本构模型，建立考虑界面粘附性的有限元模型，如图1所示。在模型中，设定薄膜的厚度为1000nm，材料为致密的Black Diamond，其杨氏模量为9.5GPa，密度为1.38g/cm3。衬底材料为硅，衬底长度为0.2mm，厚度为20μm。
2.获得衬底和薄膜间最大界面应力随粘附性变化的变化趋势。对图1所示的有限元模型的薄膜表面施一0.01N的外部拉力。将界面参数σmax/δn设置为从1011Pa/m变化到1021Pa/m，通过计算得到不同σmax/δn值下的衬底和薄膜间的最大界面应力值，并作出最大界面应力随界面参数σmax/δn变化而变化的曲线，如图2所示。从图2中可看出，随着参数σmax/δn的增大，最大界面应力先随之增大，而当参数σmax/δn增大到一定范围后，最大界面应力明显出现了饱和趋势。由于参数σmax/δn表征了薄膜粘附性的强弱，可把这一趋势理解为如果界面粘附性足够好，那么最大界面应力将达到饱和，趋于一饱和值。
3.确定粘附性判定标准值。利用获得的最大界面应力随参数σmax/δn变化而变化的趋势图，来确定粘附性判定标准值。以图2为例，该情况下最大界面应力随着参数σmax/δn的增大，最后趋于一饱和值，该饱和值为5.561MPA。设置该饱和值得95％为标准值，如果某一确定参数σmax/δn对应的最大界面应力值大于标准值，则可认为该参数σmax/δn所对应的粘附性为好，否则认为界面粘附性不好。即可把最大界面应力的标准值对应的参数σmax/δn的取值作为粘附性好坏的判定标准值。图2中，饱和值为5.561MPa，则标准值为5.283MPa。通过图2所示的趋势线，可以判断出最大界面应力值为5.283MPa时所对应的参数σmax/δn应处于10PPa/m到20PPa/m，经过进一步的计算，可得到最大界面应力值为5.283MPa时，参数σmax/δn所对应的值为16.6PPa/m，即可获得此种情况下的粘附性标准值为16.6PPa/m。
4.利用激光激发超声表面波系统对样片进行检测。激光照射到样片的表面，由于热弹效应在样片中产生了宽频带的表面波。在距离激发源一定距离的两个位置处通过压电探测器探测表面波信号。对探测到的原始信号做数字信号处理，求解出声表面波的相速度，获得表面波的实验频散曲线。通过匹配，得到样片的粘附特性为77.5PPa/m。
5.由于检测到的粘附特性值77.5PPa/m大于该情况下的粘附性判定标准值16.6PPa/m，所以通过本方法可以得出结论该样片的粘附情况很好。
该方法是一种无损定量的表征方法适用于所有类型的薄膜衬底结构，对于判断薄膜粘附性的好坏是一种十分行之有效的方法。

Claims (1)

1.用粘附性判定标准值判断薄膜粘附性好坏的一种方法，包括下列步骤：
1)利用指数内聚力模型的势函数作为薄膜衬底结构中薄膜衬底界面单元的本构模型，建立考虑界面粘附性的有限元模型。
2)获得衬底和薄膜间最大界面应力随粘附性变化而变化的趋势；
3)利用获得的最大界面应力随参数σmax/δn变化而变化的趋势图，来确定粘附性判定标准值，其中，σmax为界面法向最大应力，δn为法向特征长度；将最大界面应力饱和值的95％设置为最大界面应力标准值，把最大界面应力标准值对应的参数σmax/δn的取值作为粘附性好坏的判定标准值；
4)利用激光激发超声表面波系统对样片进行检测，获得表面波的实验频散曲线，通过匹配获得样片的粘附性值；
5)根据粘附性判定标准值判断得出样片粘附性好坏：将实验所得的粘附性值与粘附性判定标准值进行比较，若该值大于粘附特性标准值则认为粘附特性情况好，反之，则认为粘附特性情况不好。
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