周靈平，陳道瑞，彭 坤，朱家俊，汪明樸

（1.湖南大學材料科學與工程學院，湖南長沙 410082；2.中南大學材料科學與工程學院，湖南長沙 410083）

隨著信息技術和現(xiàn)代軍事技術的發(fā)展，電子器件正向高集成化、大功率化方向發(fā)展，從而對電子器件的封裝材料提出了更高的要求.AlN具有高的熱導率和熱膨脹系數(shù)、與硅等半導體材料相匹配、優(yōu)異的電學性能及機械性能、無毒等優(yōu)點，是一種理想的電子封裝材料，但AlN作為封裝材料必須對表面進行金屬化處理.銅具有電阻率低、導熱性好和熔點高等特性，被認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）法和化學鍍法等，其中薄膜法由于具有金屬化層均勻、結合強度高等優(yōu)點而受到廣泛的關注.

在薄膜金屬化工藝中，常伴隨有很大的薄膜應力產生，而薄膜應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.薄膜應力嚴重時會導致薄膜的破裂、脫落或者使基底發(fā)生形變，從而導致薄膜的失效，直接影響薄膜元器件的性能，增加器件的報廢率［2－3］.因此，降低薄膜的殘余應力具有重要的理論意義和應用價值［4－6］，針對薄膜中存在的應力問題，人們也進行了一些研究.方志軍等［7］通過對Al2O3陶瓷襯底進行碳離子預注入，大大降低了Al2O3陶瓷襯底上金剛石薄膜的應力.Satomi等［8］研究發(fā)現(xiàn)通過基底溫度、沉積速率等條件的控制，膜層應力性質可由壓應力變?yōu)閺垜?G.Knuyt［9］針對離子束輔助沉積技術制備的薄膜殘余應力，建立了壓應力和張應力的模型.C.Bundesmann［10］和顧培夫等［11］研究了雙靶離子束沉積工藝對TiO2和SiO2薄膜應力的影響，通過工藝參數(shù)的調整，可適當?shù)亟档捅∧?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致Cu薄膜織構發(fā)生變化.人們雖然對薄膜應力進行了大量的研究，但對AlN表面金屬化薄膜應力調控的研究還比較缺乏.本文采用X射線衍射技術測試AlN表面金屬化Cu薄膜應力，研究了沉積溫度、過渡界面對薄膜應力的影響規(guī)律，分析了薄膜應力產生的原因，并用有限元方法對高溫沉積的AlN襯底表面Cu薄膜應力和形變情況進行了模擬，為AlN表面金屬化Cu薄膜的應力調控提供了重要依據(jù).

1 實驗方法

利用MIS800多功能離子束磁控濺射復合鍍膜設備在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水乙醇對襯底進行超聲波清洗、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，采用直流磁控濺射方法沉積Cu薄膜，濺射功率為100W，沉積時間15min.為了控制薄膜應力，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表面形成過渡界面.利用SiemensD－5000X射線衍射儀對Cu薄膜結構進行表征，用JSM－6700F場發(fā)射型掃描電鏡觀察薄膜的表面形貌、顆粒及結晶程度.

2 實驗結果與討論

采用磁控濺射方法沉積薄膜時，沉積溫度對薄膜的結構、晶粒尺寸以及各種缺陷的數(shù)量和分布等產生重要影響，從而影響薄膜的應力和性能.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，當沉積溫度為20℃時，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)結構；當沉積溫度達到80℃時，衍射圖譜上出現(xiàn)了銅的（111），（200），（220）衍射峰.沉積溫度較低時，沉積在襯底表面的粒子擴散能力差，原子遷徙率過低，無法進行有序排列.隨著沉積溫度的升高，吸附原子在襯底表面運動的動能增大，表面擴散能力增強，跨越表面勢壘的幾率增大，在襯底上容易發(fā)生遷徙和重排，薄膜容易形成晶態(tài)結構.

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，銅膜呈非晶態(tài)；當沉積溫度為200℃時，薄膜呈晶態(tài)結構，晶粒較為細小；當沉積溫度達到300℃時，晶粒比較粗大.在磁控濺射過程中，銅原子受到轟擊作用獲得能量從靶材脫離出來，在從靶材飛行到基材表面過程中結合形成原子團簇，當這些原子團簇到達襯底表面時，其擴散性能決定了薄膜的微觀結構.沉積溫度較低時，原子或原子團簇達到襯底表面時會很快隨機地固定在襯底表面，并且沒有足夠的能量進行擴散或遷移，從而形成非晶態(tài)結構.沉積溫度較高時，原子可以獲得足夠的能量進行遷移或擴散并形成晶粒生長的核心，從而形成晶態(tài)結構以降低系統(tǒng)的自由能.隨著襯底溫度的升高，形核的核心數(shù)量增多，形成細小的晶粒.但溫度過高，晶界擴散作用顯著增強，晶粒會長大，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

目前測量薄膜應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力測量方法，可反映較大面積薄膜結構性質的平均效應.它是根據(jù)X射線衍射得到晶面間距的變化計算晶體表面的應變，從而得出薄膜應力.其計算公式為：

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

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

圖3 沉積溫度對銅薄膜應力的影響Fig.3 Influence of deposition temperature on Cu film

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

其中，熱應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量溫度.

由上式可知，沉積溫度引起的熱應力將對薄膜應力產生很大的影響.由于Cu的熱膨脹系數(shù)（17×10－6／K）遠大于AlN的熱膨脹系數(shù)（4.8×10－6／K），當薄膜和基體從高溫冷卻至室溫時，Cu薄膜的收縮量大于基體的收縮量，薄膜相對于基體有收縮趨勢，熱應力表現(xiàn)為張應力.在沉積薄膜時，沉積溫度還會影響到吸附原子在基片表面的遷移能力，從而影響薄膜的結構、成分、晶粒尺寸以及各種缺陷的的數(shù)量和分布，因此薄膜應力是熱應力導致的張應力與薄膜結構復雜變化產生的壓應力共同作用的結果.當襯底溫度低于200℃時，由沉積溫度升高引起AlN表面Cu薄膜的熱應力（張應力）起主導作用，Cu薄膜的應力呈上升趨勢；且納米結構銅的熱膨脹系數(shù)（40nm時，31×10－6／K）遠大于塊體材料和非結構態(tài)結構的膨脹系數(shù)，而其彈性模量變化不是很大，故根據(jù)熱應力的計算公式可知，當銅膜中晶粒細小時將會引起熱應力的顯著增加.當沉積溫度高于200℃時，Cu薄膜應力呈下降趨勢，在200℃左右出現(xiàn)極大值，這說明由Cu薄膜結構變化對內應力的影響更加顯著，沉積溫度升高，使薄膜結構發(fā)生變化，促使晶界擴散加劇，導致晶粒長大，晶體缺陷產生，促使薄膜內壓應力增大，故使總的張應力下降.

利用XRD衍射方法測量得到的應力值是薄膜內平均殘余應力的結果，它不能得到薄膜內應力的分布情況以及區(qū)分熱應力和本征應力的變化規(guī)律.為此我們利用有限元方法對不同襯底溫度下制備的AlN表面金屬化Cu薄膜熱應力和形變進行了分析和計算.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.為簡化分析，還對該模型作如下假設：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；4）在沉積溫度Td下，認為薄膜系統(tǒng)處于無應力狀態(tài)，冷卻到室溫的過程中產生熱應力.模型中各材料性能參數(shù)見表1.對不同沉積溫度下的薄膜熱應力分布及形變情況進行了模擬與計算，其結果如圖4所示.可以看出，不同的沉積溫度下，AlN襯底表面Cu薄膜均產生收縮，薄膜熱應力表現(xiàn)為張應力；最大薄膜熱應力主要集中在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，應力達到最小值；隨著沉積溫度的升高，最大薄膜熱應力增大，邊緣與中間部分的應力差也隨襯底溫度的升高而增大.可以判定，薄膜內熱應力隨沉積溫度升高是不斷增加的，與XRD方法測量的殘余應力的結果對比后發(fā)現(xiàn)，沉積溫度的升高會使薄膜內的本征張應力減小或本征壓應力顯著增加.

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

圖4 沉積溫度對AlN表面Cu薄膜應力和形變的影響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表面形成過渡界面，再沉積銅膜.由圖3的結果可知，采用中能離子束輔助轟擊Cu粒子注入到AlN表面形成過渡界面的AlN表面Cu薄膜要比無過渡界面的AlN表面Cu薄膜應力小.高能量轟擊Cu離子注入襯底AlN后，注入的Cu與襯底AlN進行了很好的混合，形成了較寬的組分梯度分布的界面過渡層，由于過渡層的熱膨脹系數(shù)介于Cu的熱膨脹系數(shù)和AlN的熱膨脹系數(shù)之間，可以使薄膜的熱應力得以釋放，從而顯著減小薄膜中的殘余應力.

3 結 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薄膜應力的影響情況.AlN表面Cu薄膜應力均為張應力，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表面形成過渡界面可以減小AlN表面Cu薄膜應力.通過對薄膜沉積溫度的控制和采用增加過渡界面的方法可有效地減小薄膜應力.

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