CN102081140B - 力/热/电/磁多场耦合下测试金属薄膜失效行为的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种力/热/电/磁多场耦合下测试金属薄膜失效行为的装置，内嵌电阻丝的加热台置于隔热台上方，加热台连接有电源，隔热台两端设置有对流循环冷却水；被测金属薄膜置于加热台上面，并在试样表面设置热电偶，纳米压入传动装置连接传送杆，纳米压入传送装置和被测金属薄膜之间的传送杆两侧分别安置隔热挡板，每块隔热挡板两侧设置循环冷却水，磁极置于隔热台两侧。本发明提高集成电路电子薄膜材料失效的预测与评价水平，操作简单，可较真实检测反映实际服役条件下微器件的失效性能。

Description

力/热/电/磁多场耦合下测试金属薄膜失效行为的装置

技术领域

本发明涉及到微机电系统(MEMS)和纳机电系统(NEMS)用金属薄膜近实际服役条件下的失效机理测试，特别涉及力/热/电/磁多场耦合下测试金属薄膜失效行为的装置。

背景技术

集成电路失效的重要原因在于未处理好力学、热学和电学的耦合效应。研究与多场耦合相关的多层微电子元器件及封装的热失配、蠕变、变形、损伤、细观断裂和焊点破坏及内导线的电迁移等，对于高可靠性的器件及封装的失效防范是十分必要的。在中国微电子产业的跨世纪发展中，将形成微电子机械系统的新领域。微细加工工艺、微致动技术、微机电系统的设计、微机械的应用等分支提出了涉及材料、微机构、微传感、微制动、微加工工艺等细观力学研究课题。这一领域已成为美、日等国高技术竞争的前沿。在薄膜力学，电迁移损伤、穿层位错引致失效、铁电致动器断裂疲劳研究等方面取得了一定的研究进展，但国内研究正在起步，还没有具有自主知识产权的能够测试集成电路电子薄膜在真实服役条件下可靠性的试验设备和实用技术。

集成电路中微纳米尺度的内导线失效，仍是在电、热、力等多场耦合条件下的电迁移和热迁移，特别是应力迁移现象造成的。在10¹⁰A/m²量级的工作电流密度下，电阻热效应导致的内应力及其再分布，使得多晶薄膜铝线经历了表面沿晶界处出现凸起和凹陷并逐渐增大、最终出现内孔洞及其扩展而导致导线的开路失效。占芯片总面积70-80％的内导线中的一条失效足以造成一个器件的失效，并进而导致整个系统灾难性的错误和瘫痪。我国是集成电路使用大国，但大多数厂家没有自己的设计能力，还停留在芯片封装等低级附属生产阶段。因此开发出一个我国自主知识产权并能够模拟集成电路工作实际服役条件的失效分析体系和相应设备及器材对科研和集成电路产业的发展都具有十分重要的意义。

因此，如何在检测手段上实现温度场下微器件失效机理的测试，开发有我国自主产权的测试设备和手段，是适应国内外微(纳)机电系统发展趋势的需要，也是我国相应领域发展并赶超世界水平的关键。

发明内容

本发明提供一种力/热/电/磁多场耦合下测试金属薄膜失效行为的装置，本发明提高集成电路电子薄膜材料失效的预测与评价水平，操作简单，可较真实检测反映实际服役条件下微器件的失效性能。

本发明的技术方案是这样实现的：

内嵌电阻丝的加热台置于隔热台上方，加热台连接有电源，隔热台两端设置有对流循环冷却水；被测金属薄膜置于加热台上面，并在试样表面设置热电偶，纳米压入传动装置连接传送杆，纳米压入传送装置和被测金属薄膜之间的传送杆两侧分别安置隔热挡板，每块隔热挡板两侧设置循环冷却水，磁极置于隔热台两侧。

磁极的磁场均可控，其范围分别为：加热温度从室温至200℃；直流电流0-3A；磁场0-1T。

本发明装置首次在纳米压痕仪中加入了热/电/磁耦合场，操作简单，可以较真实准确的模拟微器件在集成电路中的服役条件，适合在与微电子产品相关的企业与科研单位中推广和应用，降低微电子产品的失效率，有效的减少因微电子产品蠕变失效所造成的经济损失，从而对微电子产业会产生很大的经济效益。本方法可以精确的给出不同工艺下不同材料薄膜的蠕变稳定性的高低，从而对微电子产品中材料和工艺的选择有极高的指导意义，因此是一个实用且易于推广的技术。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图中：1.纳米压痕仪传动系统  2.金属隔热挡板  3.对流冷却通道(内通冷却水)  4.纳米压痕仪连接压头的传送杆  5.金刚石压头  6.磁极  7.热电偶  8.被测金属薄膜  9.隔热台  10.加热台(内嵌电阻丝加热)  11.给金属薄膜通电流的电源。

下面结合附图对本发明的内容作进一步详细说明。

具体实施方式

参照图1所示，内嵌电阻丝的加热台10置于隔热台9上方，加热台10连接有电源11，隔热台9两端设置有对流循环冷却水3；被测金属薄膜8置于加热台10上面，并在试样表面设置热电偶7，纳米压入传动装置1连接传送杆4，纳米压入传送装置1和被测金属薄膜8之间的传送杆4两侧分别安置隔热挡板2，每块隔热挡板2两侧设置循环冷却水3，磁极6置于隔热台两侧。

磁极6的磁场均可控，其范围分别为：加热温度从室温至200℃；直流电流0-3A；磁场0-1T。

(1)制作隔热台9，在隔热台上放置底部带电阻丝的加热台10，并在加热台周围添加对流冷却系统3，防止将整个测试系统加热。

(2)在隔热台左右两侧放置磁极6，用以产生磁场。

(3)将待测试样8放置加热台上，在金属薄膜中通入直流电流，置于稳态磁场下，并从薄膜底部用电阻丝加热，使薄膜试样处在热/电/磁的耦合场下(附图1)。

(4)在热/电/磁耦合场下，利用纳米压痕仪在薄膜表面加外力，检测薄膜的屈服强度、微疲劳、蠕变及断裂等失效行为。通过热、电、磁场分别叠加在纳米压痕力学测试中，使新设备可以同时产生两种或三种场耦合，调试设备，可模拟较简单或更为复杂服役条件下薄膜的失效行为。

(5)由于此装置要配置在已有的商用纳米压痕仪中，而纳米压痕仪的测量结果对温度的敏感性非常高，因此需要为此装置配备冷却系统3和可以监控温度变化的热电偶7等。

(6)通过改变金属薄膜中电流强度或磁场的方向及磁感应强度，可以调节薄膜受到的电磁力，再通过纳米压痕仪综合检测其失效行为。电磁力的表达式为：

$P=\frac{\mathrm{\Σf}}{l\×b}=\frac{I\×B}{b}---\left(1\right)$

其中∑f为电磁力，l为薄膜长度，B和b分别为磁感应强度和薄膜宽度。此处的磁感应强度不需要很大，只要能够模拟集成电路中的服役条件即可。

实施例1：

采用光刻技术及磁控溅射法在单晶Si上沉积得到线宽为2微米的金属Cu膜，在Cu膜和Si之间镀制一层TaN阻挡层防止Cu向Si扩散。将Cu膜放置装置中的8处，将加热台10接通电源，通过微纳数字电流表控制电流强度为0.5A的恒定直流电，磁极6垂直于金属薄膜放置隔热台9两侧，并平行施加外加稳态磁场，同时将薄膜加热到100℃，并采用氩气气氛保护(避免氧化)和循环水冷却。测试选用的磁感应强度大小为0.5T。采用固定最大载荷法，取P_max＝100μN，由纳米压痕仪获取载荷位移曲线，重复20次。载荷位移曲线具有很好的可重复性，表明耦合场稳定，可以用来研究集成电路用金属薄膜的力学性能。由纳米压痕仪直接给出薄膜硬度值为1.8GPa，屈服强度由有限元法结合载荷位移曲线计算得到为535MPa，蠕变应力指数为12.7。

实施例2：

采用光刻技术及磁控溅射法在单晶Si上沉积得到线宽为2微米的金属Cu膜，在Cu膜和Si之间镀制一层TaN阻挡层防止Cu向Si扩散。将Cu膜放置装置中的8处，将加热台10接通电源，通过微纳数字电流表控制电流强度为0.3A的恒定直流电，磁极6垂直于金属薄膜放置隔热台9两侧，并平行施加外加稳态磁场，同时将薄膜加热到100℃，并采用氩气气氛保护(避免氧化)和循环水冷却。测试选用的磁感应强度大小为0.3T。采用固定最大载荷法，取P_max＝150μN，由纳米压痕仪获取载荷位移曲线，重复20次。载荷位移曲线具有很好的可重复性，表明耦合场稳定。由纳米压痕仪直接给出薄膜硬度值为2.0GPa，屈服强度由有限元法结合载荷位移曲线计算得到为667MPa，蠕变应力指数为15.7。比较实例一可见实例二的条件下，薄膜的抗失效能力增强，表明本方法可以定量比较不同服役条件下金属薄膜的失效行为。

Claims (1)

1.力/热/电/磁耦合场下检测微机电系统失效行为的装置，其特征在于，内嵌电阻丝的加热台（10）置于隔热台（9）上方，加热台（10）连接有电源（11），隔热台（9）两端设置有对流循环冷却水（3）；被测金属薄膜（8）置于加热台（10）上面，并在被测金属薄膜（8）表面设置热电偶（7），纳米压入传动装置（1）连接传送杆(4)，纳米压入传动装置（1）和被测金属薄膜（8）之间的传送杆（4）两侧分别安置隔热挡板（2），每块隔热挡板（2）两侧设置循环冷却水（3），磁极（6）置于隔热台两侧。

Images