陶瓷表面金屬化Cu薄膜應(yīng)力調(diào)控＊

周靈平，陳道瑞，彭 坤，朱家俊，汪明樸

（1.湖南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410082；2.中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410083）

隨著信息技術(shù)和現(xiàn)代軍事技術(shù)的發(fā)展，電子器件正向高集成化、大功率化方向發(fā)展，從而對(duì)電子器件的封裝材料提出了更高的要求.AlN具有高的熱導(dǎo)率和熱膨脹系數(shù)、與硅等半導(dǎo)體材料相匹配、優(yōu)異的電學(xué)性能及機(jī)械性能、無(wú)毒等優(yōu)點(diǎn)，是一種理想的電子封裝材料，但AlN作為封裝材料必須對(duì)表面進(jìn)行金屬化處理.銅具有電阻率低、導(dǎo)熱性好和熔點(diǎn)高等特性，被認(rèn)為是最有希望成為超大規(guī)模集成電路等元器件使用的金屬化材料［1］.因此，AlN陶瓷一般采用銅進(jìn)行表面金屬化處理.目前AlN表面金屬化的方法主要有薄膜法、厚膜法、直接敷銅（DBC）法和化學(xué)鍍法等，其中薄膜法由于具有金屬化層均勻、結(jié)合強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛的關(guān)注.

在薄膜金屬化工藝中，常伴隨有很大的薄膜應(yīng)力產(chǎn)生，而薄膜應(yīng)力的存在將直接影響薄膜元器件的成品率、穩(wěn)定性和可靠性.薄膜應(yīng)力嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致薄膜的破裂、脫落或者使基底發(fā)生形變，從而導(dǎo)致薄膜的失效，直接影響薄膜元器件的性能，增加器件的報(bào)廢率［2－3］.因此，降低薄膜的殘余應(yīng)力具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值［4－6］，針對(duì)薄膜中存在的應(yīng)力問(wèn)題，人們也進(jìn)行了一些研究.方志軍等［7］通過(guò)對(duì)Al2O3陶瓷襯底進(jìn)行碳離子預(yù)注入，大大降低了Al2O3陶瓷襯底上金剛石薄膜的應(yīng)力.Satomi等［8］研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)基底溫度、沉積速率等條件的控制，膜層應(yīng)力性質(zhì)可由壓應(yīng)力變?yōu)閺垜?yīng)力.G.Knuyt［9］針對(duì)離子束輔助沉積技術(shù)制備的薄膜殘余應(yīng)力，建立了壓應(yīng)力和張應(yīng)力的模型.C.Bundesmann［10］和顧培夫等［11］研究了雙靶離子束沉積工藝對(duì)TiO2和SiO2薄膜應(yīng)力的影響，通過(guò)工藝參數(shù)的調(diào)整，可適當(dāng)?shù)亟档捅∧?yīng)力.趙海闊等［12］利用磁控濺射方法在Si襯底上沉積了Cu薄膜，發(fā)現(xiàn)沉積溫度的改變將導(dǎo)致Cu薄膜織構(gòu)發(fā)生變化.人們雖然對(duì)薄膜應(yīng)力進(jìn)行了大量的研究，但對(duì)AlN表面金屬化薄膜應(yīng)力調(diào)控的研究還比較缺乏.本文采用X射線衍射技術(shù)測(cè)試AlN表面金屬化Cu薄膜應(yīng)力，研究了沉積溫度、過(guò)渡界面對(duì)薄膜應(yīng)力的影響規(guī)律，分析了薄膜應(yīng)力產(chǎn)生的原因，并用有限元方法對(duì)高溫沉積的AlN襯底表面Cu薄膜應(yīng)力和形變情況進(jìn)行了模擬，為AlN表面金屬化Cu薄膜的應(yīng)力調(diào)控提供了重要依據(jù).

1 實(shí)驗(yàn)方法

利用MIS800多功能離子束磁控濺射復(fù)合鍍膜設(shè)備在AlN襯底上沉積Cu薄膜.靶材為99.99%的純Cu，工作氣體為99.99%的Ar氣，鍍膜前依次用丙酮和無(wú)水乙醇對(duì)襯底進(jìn)行超聲波清洗、烘干，然后放入真空室，將本底真空抽至5×10－4Pa.沉積Cu薄膜前用離子束清洗AlN襯底表面15min，以除去表面雜質(zhì)，采用直流磁控濺射方法沉積Cu薄膜，濺射功率為100W，沉積時(shí)間15min.為了控制薄膜應(yīng)力，采取以下兩種工藝措施：1）控制襯底溫度（室溫～300℃）；2）在磁控濺射沉積Cu薄膜前，采用中能離子束輔助轟擊方法將Cu粒子注入到AlN表面形成過(guò)渡界面.利用SiemensD－5000X射線衍射儀對(duì)Cu薄膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，用JSM－6700F場(chǎng)發(fā)射型掃描電鏡觀察薄膜的表面形貌、顆粒及結(jié)晶程度.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

采用磁控濺射方法沉積薄膜時(shí)，沉積溫度對(duì)薄膜的結(jié)構(gòu)、晶粒尺寸以及各種缺陷的數(shù)量和分布等產(chǎn)生重要影響，從而影響薄膜的應(yīng)力和性能.圖1為不同沉積溫度下制備的AlN表面金屬化Cu薄膜XRD圖譜.從圖中可以看出，當(dāng)沉積溫度為20℃時(shí)，XRD衍射圖譜上的銅衍射峰呈現(xiàn)峰包形態(tài)，表明Cu薄膜主要為非晶態(tài)結(jié)構(gòu)；當(dāng)沉積溫度達(dá)到80℃時(shí)，衍射圖譜上出現(xiàn)了銅的（111），（200），（220）衍射峰.沉積溫度較低時(shí)，沉積在襯底表面的粒子擴(kuò)散能力差，原子遷徙率過(guò)低，無(wú)法進(jìn)行有序排列.隨著沉積溫度的升高，吸附原子在襯底表面運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能增大，表面擴(kuò)散能力增強(qiáng)，跨越表面勢(shì)壘的幾率增大，在襯底上容易發(fā)生遷徙和重排，薄膜容易形成晶態(tài)結(jié)構(gòu).

圖1 不同沉積溫度下制備的AlN表面金屬化Cu薄膜XRD圖譜Fig.1 XRD patterns of Cu films metallization on AlN surface at different temperature

圖2所示為不同沉積溫度下制備AlN表面銅薄膜的SEM圖，沉積溫度為20℃時(shí)，銅膜呈非晶態(tài)；當(dāng)沉積溫度為200℃時(shí)，薄膜呈晶態(tài)結(jié)構(gòu)，晶粒較為細(xì)??；當(dāng)沉積溫度達(dá)到300℃時(shí)，晶粒比較粗大.在磁控濺射過(guò)程中，銅原子受到轟擊作用獲得能量從靶材脫離出來(lái)，在從靶材飛行到基材表面過(guò)程中結(jié)合形成原子團(tuán)簇，當(dāng)這些原子團(tuán)簇到達(dá)襯底表面時(shí)，其擴(kuò)散性能決定了薄膜的微觀結(jié)構(gòu).沉積溫度較低時(shí)，原子或原子團(tuán)簇達(dá)到襯底表面時(shí)會(huì)很快隨機(jī)地固定在襯底表面，并且沒有足夠的能量進(jìn)行擴(kuò)散或遷移，從而形成非晶態(tài)結(jié)構(gòu).沉積溫度較高時(shí)，原子可以獲得足夠的能量進(jìn)行遷移或擴(kuò)散并形成晶粒生長(zhǎng)的核心，從而形成晶態(tài)結(jié)構(gòu)以降低系統(tǒng)的自由能.隨著襯底溫度的升高，形核的核心數(shù)量增多，形成細(xì)小的晶粒.但溫度過(guò)高，晶界擴(kuò)散作用顯著增強(qiáng)，晶粒會(huì)長(zhǎng)大，得到較為粗大的晶粒.

圖2 不同沉積溫度下制備AlN表面銅薄膜的SEM照片F(xiàn)ig.2 The SEM photograph of the Cu films deposited on AlN surface at different temperature

目前測(cè)量薄膜應(yīng)力的方法主要包括基片變形法、X射線衍射法、納米壓痕法以及Raman光譜法，其中X射線衍射法屬于直接薄膜應(yīng)力測(cè)量方法，可反映較大面積薄膜結(jié)構(gòu)性質(zhì)的平均效應(yīng).它是根據(jù)X射線衍射得到晶面間距的變化計(jì)算晶體表面的應(yīng)變，從而得出薄膜應(yīng)力.其計(jì)算公式為：

式中：K為應(yīng)力常數(shù)；2θ為衍射角；E和ν分別為薄膜的彈性模量和泊松比；Ψ為被測(cè)晶面與薄膜表面的夾角，即傾斜角.當(dāng)時(shí)，σ為負(fù)值，即殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力；反之時(shí)，σ為正值，殘余應(yīng)力為張應(yīng)力.測(cè)量方法采用2θ－sin2Ψ四點(diǎn)法測(cè)試，測(cè)試晶面Cu（311），2θ＝90.22°，其中取E＝122.5GPa，ν＝0.35［13］.

利用X射線衍射法測(cè)量得到的AlN表面金屬化Cu薄膜應(yīng)力隨沉積溫度的變化曲線如圖3所示，AlN表面金屬化Cu薄膜的應(yīng)力表現(xiàn)為張應(yīng)力，且隨沉積溫度的升高先增大后減小，在200℃左右達(dá)到極大值，有過(guò)渡界面的薄膜應(yīng)力遠(yuǎn)小于無(wú)過(guò)渡界面的薄膜.無(wú)過(guò)渡界面沉積銅薄膜的殘余應(yīng)力隨襯底溫度的變化非常顯著，有過(guò)渡層薄膜的殘余應(yīng)力受襯底溫度的影響相對(duì)較小.

圖3 沉積溫度對(duì)銅薄膜應(yīng)力的影響Fig.3 Influence of deposition temperature on Cu film

通常薄膜中的應(yīng)力按照產(chǎn)生的根源可分為熱應(yīng)力和本征應(yīng)力，一般所說(shuō)的殘余應(yīng)力（σ）就是這兩種應(yīng)力的綜合作用，是一種宏觀應(yīng)力.殘余應(yīng)力來(lái)源于薄膜生長(zhǎng)和冷卻過(guò)程，主要由兩部分組成：一部分是在薄膜生長(zhǎng)過(guò)程中，由薄膜本身的結(jié)構(gòu)和缺陷（如薄膜與基片之間的晶格錯(cuò)配、雜質(zhì)、空位、位錯(cuò)、層錯(cuò)等）所決定的非熱影響應(yīng)力即本征應(yīng)力（σint）；另一部分是由薄膜和基體熱膨脹系數(shù)不同造成的熱應(yīng)力（σth）.因此殘余應(yīng)力σ［14］可表示為：

其中，熱應(yīng)力是由于基板材料和薄膜材料熱膨脹系數(shù)不同以及沉積溫度和測(cè)量溫度的差異造成的，其大小可表示為：

式中：αf和αs分別表示薄膜材料和基體材料的熱膨脹系數(shù)；Ef和vf分別表示薄膜的彈性模量和泊松比；T1和T0分別表示沉積溫度和測(cè)量溫度.

由上式可知，沉積溫度引起的熱應(yīng)力將對(duì)薄膜應(yīng)力產(chǎn)生很大的影響.由于Cu的熱膨脹系數(shù)（17×10－6／K）遠(yuǎn)大于AlN的熱膨脹系數(shù)（4.8×10－6／K），當(dāng)薄膜和基體從高溫冷卻至室溫時(shí)，Cu薄膜的收縮量大于基體的收縮量，薄膜相對(duì)于基體有收縮趨勢(shì)，熱應(yīng)力表現(xiàn)為張應(yīng)力.在沉積薄膜時(shí)，沉積溫度還會(huì)影響到吸附原子在基片表面的遷移能力，從而影響薄膜的結(jié)構(gòu)、成分、晶粒尺寸以及各種缺陷的的數(shù)量和分布，因此薄膜應(yīng)力是熱應(yīng)力導(dǎo)致的張應(yīng)力與薄膜結(jié)構(gòu)復(fù)雜變化產(chǎn)生的壓應(yīng)力共同作用的結(jié)果.當(dāng)襯底溫度低于200℃時(shí)，由沉積溫度升高引起AlN表面Cu薄膜的熱應(yīng)力（張應(yīng)力）起主導(dǎo)作用，Cu薄膜的應(yīng)力呈上升趨勢(shì)；且納米結(jié)構(gòu)銅的熱膨脹系數(shù)（40nm時(shí)，31×10－6／K）遠(yuǎn)大于塊體材料和非結(jié)構(gòu)態(tài)結(jié)構(gòu)的膨脹系數(shù)，而其彈性模量變化不是很大，故根據(jù)熱應(yīng)力的計(jì)算公式可知，當(dāng)銅膜中晶粒細(xì)小時(shí)將會(huì)引起熱應(yīng)力的顯著增加.當(dāng)沉積溫度高于200℃時(shí)，Cu薄膜應(yīng)力呈下降趨勢(shì)，在200℃左右出現(xiàn)極大值，這說(shuō)明由Cu薄膜結(jié)構(gòu)變化對(duì)內(nèi)應(yīng)力的影響更加顯著，沉積溫度升高，使薄膜結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，促使晶界擴(kuò)散加劇，導(dǎo)致晶粒長(zhǎng)大，晶體缺陷產(chǎn)生，促使薄膜內(nèi)壓應(yīng)力增大，故使總的張應(yīng)力下降.

利用XRD衍射方法測(cè)量得到的應(yīng)力值是薄膜內(nèi)平均殘余應(yīng)力的結(jié)果，它不能得到薄膜內(nèi)應(yīng)力的分布情況以及區(qū)分熱應(yīng)力和本征應(yīng)力的變化規(guī)律.為此我們利用有限元方法對(duì)不同襯底溫度下制備的AlN表面金屬化Cu薄膜熱應(yīng)力和形變進(jìn)行了分析和計(jì)算.模型中AlN基底厚度取值分別為50nm和500nm，室溫作為冷卻后的均勻溫度.為簡(jiǎn)化分析，還對(duì)該模型作如下假設(shè)：1）所選的襯底、薄膜層材料都是彈性的，且各向同性；2）層與層之間結(jié)合得很好；3）在冷卻后，模型整體溫度是均勻的，不考慮瞬態(tài)效應(yīng)；4）在沉積溫度Td下，認(rèn)為薄膜系統(tǒng)處于無(wú)應(yīng)力狀態(tài)，冷卻到室溫的過(guò)程中產(chǎn)生熱應(yīng)力.模型中各材料性能參數(shù)見表1.對(duì)不同沉積溫度下的薄膜熱應(yīng)力分布及形變情況進(jìn)行了模擬與計(jì)算，其結(jié)果如圖4所示.可以看出，不同的沉積溫度下，AlN襯底表面Cu薄膜均產(chǎn)生收縮，薄膜熱應(yīng)力表現(xiàn)為張應(yīng)力；最大薄膜熱應(yīng)力主要集中在Cu薄膜的中間部分，并沿模型截面從上往下減小，在基體的中間部分，應(yīng)力達(dá)到最小值；隨著沉積溫度的升高，最大薄膜熱應(yīng)力增大，邊緣與中間部分的應(yīng)力差也隨襯底溫度的升高而增大.可以判定，薄膜內(nèi)熱應(yīng)力隨沉積溫度升高是不斷增加的，與XRD方法測(cè)量的殘余應(yīng)力的結(jié)果對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，沉積溫度的升高會(huì)使薄膜內(nèi)的本征張應(yīng)力減小或本征壓應(yīng)力顯著增加.

表1 有限元分析Cu薄膜熱應(yīng)力的材料性能參數(shù)Tab.1 The finite element analysis of thermal stress in Cu thin film material parameters

圖4 沉積溫度對(duì)AlN表面Cu薄膜應(yīng)力和形變的影響Fig.4 Influence of deposited temperature on stress and deformation of Cu thin films on AlN surface

為了減小AlN表面金屬化Cu薄膜的殘余應(yīng)力，采用中能離子束輔助轟擊方法將Cu粒子注入到AlN表面形成過(guò)渡界面，再沉積銅膜.由圖3的結(jié)果可知，采用中能離子束輔助轟擊Cu粒子注入到AlN表面形成過(guò)渡界面的AlN表面Cu薄膜要比無(wú)過(guò)渡界面的AlN表面Cu薄膜應(yīng)力小.高能量轟擊Cu離子注入襯底AlN后，注入的Cu與襯底AlN進(jìn)行了很好的混合，形成了較寬的組分梯度分布的界面過(guò)渡層，由于過(guò)渡層的熱膨脹系數(shù)介于Cu的熱膨脹系數(shù)和AlN的熱膨脹系數(shù)之間，可以使薄膜的熱應(yīng)力得以釋放，從而顯著減小薄膜中的殘余應(yīng)力.

3 結(jié) 論

采用直流磁控濺射的方法制備了AlN表面金屬化Cu薄膜，利用X射線衍射法和有限元方法研究了沉積溫度對(duì)薄膜應(yīng)力的影響情況.AlN表面Cu薄膜應(yīng)力均為張應(yīng)力，隨沉積溫度的升高先增大后減小，在200℃左右出現(xiàn)極大值.采用中能離子束輔助轟擊方法將Cu粒子注入在AlN表面形成過(guò)渡界面可以減小AlN表面Cu薄膜應(yīng)力.通過(guò)對(duì)薄膜沉積溫度的控制和采用增加過(guò)渡界面的方法可有效地減小薄膜應(yīng)力.

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