半导体铝单晶薄膜与类金刚石薄膜的力学性能比较分析

为了研究在微电子工业应用中的各种薄膜力学性能，常采用纳米压痕和划痕测试方法对其进行实验。图6-21表示了在二氧化硅基体上沉积晶面指数分别为（111）、（110）、（100）的3种纯铝单晶薄膜的纳米硬度曲线。由于薄膜厚度最薄的试样（100）具有最低的硬度，因此在正常测试范围如前50个点内，薄膜厚度对硬度影响不大。而且，纳米压痕实验还能清楚地说明铝膜中的晶体学变化，从而能够用于铝膜中较大晶粒的关联，有助于研究微电子工业应用中铝膜的电子迁移问题。

图6-21 在二氧化硅基体上沉积晶面指数分别为（111）、

（110）及（100）的3种纯铝单晶薄膜纳米硬度曲线

图6-22显示了在硅基体上磁控溅射沉积的250nm类金刚石薄膜的纳米压痕实验结果。为了减少硅衬底的影响且获得较深的压痕，实验中采用了90°的金刚石三角压头测定载荷深度曲线。

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图6-22 硅基类金刚石薄膜的纳米压痕载荷—深度曲线

由载荷—深度迟滞曲线可确定薄膜的硬度大约为45GPa，且可以清楚地看到加载曲线的不连续性。这种不连续性可重复出现，表示类金刚石薄膜的黏附失效。在压痕实验中还观察到薄膜的径向开裂，但这种情况不一定会对压痕曲线产生上述的影响。纳米压痕的方法清楚地表明，类金刚石薄膜的黏附强度与使用的特殊沉积技术有着很强的相关性。

图6-23 硅基体上60nm类金刚石薄膜的纳米划痕实验结果

硅表面类金刚石薄膜的失效研究还可采用纳米划痕实验进行。图6-23显示了在硅基体上沉积的60nm类金刚石薄膜的纳米划痕实验结果。采用相对尖锐的三面体金刚石划针进行划痕实验，在临界载荷作用下，膜表面开始发生划痕和失效。由图6-23可以看出，由划痕引起的膜凸起和破裂现象对划针位移（划痕深度）有显著的影响，据此可以方便地定性确定膜粘附失效或划痕实验的临界载荷。如硅表面类金刚石薄膜的失效发生在较低的载荷和在深度接近薄膜厚度处。