一种施加预应力抑制铜合金薄膜表面形成丘凸的方法

摘要

一种施加预应力抑制铜合金薄膜表面形成丘凸的方法，对铜合金薄膜施加预应力，然后在真空炉内或气氛保护炉内加热退火，以使薄膜内部应力接近平衡状态，从而抑制由于压应力释放驱动薄膜原子扩散导致的丘凸生成。本发明通过对柔性基体上铜合金薄膜施加预应力并进行退火处理调控铜合金薄膜的原子扩散行为，有效抑制了传统退火过程中铜合金薄膜表面易于形成丘凸的现象，为获得高稳定性、高寿命柔性聚酰亚胺基体铜合金薄膜器件提供了技术支撑。本发明施加预应力的大小可以根据需要通过调整模具进行调控，能有效抑制退火过程中铜合金薄膜表面易于形成丘凸的现象。

权利要求

1.一种施加预应力抑制铜合金薄膜表面形成丘凸的方法，其特征在于：将柔性聚酰亚胺基体和其上的具有残余压应力的铜合金薄膜以膜面朝上的方式固定在向下凹陷的凹模上，并使铜合金薄膜的中部处于凹陷状态，从而对铜合金薄膜施加预应力，然后在真空炉内或气氛保护炉内加热退火，退火温度为200℃-300℃，退火时间30-100min，以使薄膜内部应力接近平衡状态，从而抑制由于压应力释放驱动薄膜原子扩散导致的丘凸生成；所述凹模具有一弧形凹陷的下凹部（1）和位于两侧的用于卡紧柔性基体及其上铜薄膜的卡紧部（2）。

2.根据权利要求1所述的一种施加预应力抑制铜合金薄膜表面形成丘凸的方法，其特征在于：所述具有残余压应力的铜合金薄膜是指，从外观上看表面上凸的铜合金薄膜。

说明书

一种施加预应力抑制铜合金薄膜表面形成丘凸的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及到微、纳米尺度材料的制备领域，具体的说是一种施加预应力抑制铜合金薄膜表面形成丘凸的方法。

背景技术

[0002] 一般来说，薄膜内存在残余应力是采用溅射方法制备的薄膜中普遍存在的现象，几乎所有薄膜都处于某种应力状态之中。残余应力的大小从几十MPa到几百MPa，甚至在一些高熔点薄膜内存在GPa数量级的残余应力。由于薄膜内的应力状态直接关系到微电子器件的设计和使用寿命，因而成为近年来的研究热点。人们对薄膜残余应力的演化行为已经进行了深入的研究，结果表明，正常沉积情况下磁控溅射制备的几百nm厚、低熔点薄膜(Al，Ag，Cu等)的残余应力一般在几十到几百MPa，可能是拉应力也可能是压应力，而高熔点的薄膜（W，Mo，Ta，Zr等）的产预应力要明显高于低熔点薄膜，可能处于拉应力或者压应力状态。一般认为，拉应力是由晶界释放机制引起的，而压应力则是由喷丸效应产生的。

[0003] 随着超大规模集成电路的快速发展，Cu薄膜及Cu合金薄膜已经代替Al成为多层布线的互连材料。采用Cu薄膜及Cu合金薄膜制备微电子器件过程中需要进行退火，微电子器件服役过程中通常处于电场及应力场左右下。学术界及产业界发现在电场、热场及应力场作用下，柔性基体Cu薄膜和Cu合金薄膜表面原子容易扩散形成大量丘凸（Hillocks）或者颗粒，严重降低了互连线的使用寿命及微器件的服役安全性。研究表明残余应力在薄膜内的非平衡性使扩散和位错的开动成为了可能，并由此生成金属丘凸及应力孔洞等塑性变形行为，即金属丘凸的形成是热场下薄膜应力松弛的结果。

发明内容

[0004] 为了抑制铜合金薄膜表面原子扩散形成的丘凸出现，本发明提供了一种施加预应力抑制铜合金薄膜表面形成丘凸的方法，通过对柔性基体上铜合金薄膜施加预应力并进行退火调控铜合金薄膜表面原子的扩散，从而抑制丘凸的形成。

[0005] 本发明为解决上述技术问题采用的技术方案为：一种施加预应力抑制铜合金薄膜表面形成丘凸的方法，将柔性基体和其上的具有残余压应力的铜合金薄膜以膜面朝上的方式固定在向下凹陷的凹模上，并使铜合金薄膜的中部处于凹陷状态，从而对铜合金薄膜施加预应力，然后在真空炉内或气氛保护炉内加热退火，退火温度为200℃-300℃，退火时间30-100min，以使薄膜内部应力接近平衡状态，从而抑制由于压应力释放驱动薄膜原子扩散导致的丘凸生成。

[0006] 所述具有残余压应力的铜合金薄膜是指，从外观上看表面上凸的铜合金薄膜。

[0007] 所述柔性基体为柔性聚酰亚胺基体。

[0008] 所述凹模具有一弧形凹陷的下凹部和位于两侧的用于卡紧柔性基体及其上铜薄膜的卡紧部。

[0009] 有益效果：本发明通过对柔性基体上铜合金薄膜施加预应力并进行退火处理调控铜合金薄膜的原子扩散行为，有效抑制了传统退火过程中铜合金薄膜表面易于形成丘凸的现象，为获得高稳定性、高寿命柔性聚酰亚胺基体铜合金薄膜器件提供了技术支撑。施加预应力的大小可以根据需要通过调整模具进行调控。本发明方法简单，操作方便，成本低，绿色环保，能有效抑制退火过程中铜合金薄膜表面易于形成丘凸的现象，这种方法可应用于柔性电子器件领域。

附图说明

[0010] 图1为本发明中凹模的结构示意图；

[0011] 图2为本发明中凹模的一种断面图；

[0012] 图3为本发明中凹模的另一种断面图；

[0013] 图4为本发明中凹模的又一种断面图；

[0014] 附图标记：1、下凹部，2、卡紧部。

具体实施方式

[0015] 一种施加预应力抑制铜合金薄膜表面形成丘凸的方法，将柔性基体和其上的具有残余压应力的铜合金薄膜以膜面朝上的方式固定在向下凹陷的凹模上，并使铜合金薄膜的中部处于凹陷状态，从而对铜合金薄膜施加预应力，然后在真空炉内或气氛保护炉内加热退火，退火温度为200℃-300℃，退火时间30-100min，以使薄膜内部应力接近平衡状态，从而抑制由于压应力释放驱动薄膜原子扩散导致的丘凸生成。

[0016] 所述凹模具有一弧形凹陷的下凹部1和位于两侧的用于卡紧柔性基体及其上铜薄膜的卡紧部2。

[0017] 下面结合以下具体实施例对本发明的技术方案做进一步的阐述。

[0018] 实施例1

[0019] 采用磁控溅射方法在聚酰亚胺基体上（基体尺寸为长100mm，宽100mm，基体厚度0.6mm）制备180nm厚Cu-3.5Cr合金薄膜，取出样品发现整个薄膜表面上凸，可以判断薄膜处于残余压应力状态，利用X射线衍射应力仪测得样品的实际残余应力为压应力-136MPa。将一个样品膜面朝上置于附图2所示凹模上，使膜基体系处于凹陷状态，两端固定，然后在氩气气氛保护炉内退火，退火温度200℃，退火时间30分钟，随炉冷却后取出薄膜。这样可以使薄膜内部应力接近处于平衡状态，减少由于应力释放驱动的薄膜原子扩散。将另一个样品直接放入气氛炉内不施加预应力温度200℃，退火时间30分钟，随炉冷却后取出薄膜。对2个样品退火后进行扫描电镜观察，分析表明，与不施加预应力的传统退火处理相比，施加预应力退火后样品单位面积内（1mm*1mm）出现丘凸的数量降低了39%，丘凸平均体积减小了32%，达到了抑制退火过程中合金膜原子扩散，易于形成丘凸的效果。

[0020] 实施例2

[0021] 采用磁控溅射方法在聚酰亚胺基体上（基体尺寸为长100mm，宽100mm，基体厚度0.6mm）制备210nm厚Cu-6.8Cr合金薄膜，取出样品发现整个薄膜表面上凸，可以判断薄膜处于压应力状态，利用X射线衍射应力仪测得样品的实际残余应力为压应力-181MPa。将一个样品膜面朝上置于附图3所示凹模上，使膜基体系处于凹陷状态，两端固定，然后在氩气气氛保护炉内退火，退火温度300℃，退火时间100分钟，随炉冷却后取出薄膜。这样可以使薄膜内部应力接近处于平衡状态，减少由于应力释放驱动的薄膜原子扩散。将另一个样品直接放入气氛炉内不施加预应力温度300℃，退火时间100分钟，随炉冷却后取出薄膜。对2个样品退火后进行扫描电镜观察，分析表明，与不施加预应力的传统退火处理相比，施加预应力退火后样品单位面积内（1mm*1mm）出现丘凸的数量降低了41%，丘凸平均体积减小了36%，达到了抑制退火过程中合金膜原子扩散，易于形成丘凸的效果。

[0022] 实施例3

[0023] 采用磁控溅射方法在聚酰亚胺基体上（基体尺寸为长100mm，宽100mm，基体厚度0.6mm）制备130nm厚Cu-9.2Cr合金薄膜，取出样品发现整个薄膜表面上凸，可以判断薄膜处于残余压应力状态，利用X射线衍射应力仪测得样品的实际残余应力为拉应力-225MPa。将两个相同样品中的一个样品膜面朝上置于附图4所示凹模上，使膜基体系处于凹陷状态，两端固定，然后在氩气气氛保护炉内退火，退火温度230℃，退火时间60分钟，随炉冷却后取出薄膜。这样可以使薄膜内部应力接近处于平衡状态，减少由于残余压应力释放驱动的薄膜原子扩散。将另一个样品直接放入气氛炉内不施加预应力温度230℃，退火时间60分钟，随炉冷却后取出薄膜。对2个样品退火后进行扫描电镜观察，分析表明，与不施加预应力的传统退火处理相比，施加预应力退火后样品单位面积内（1mm*1mm）出现丘凸的数量降低了
39%，丘凸平均体积减小了28%，达到了抑制退火过程中合金膜原子扩散，易于形成丘凸的效果。