Напряженно-деформированное состояние конструкции "пленка-подложка", находящейся в динамических условиях тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.04 ВАК РФ

Введение.

Глава 1. Механические свойства конструкции «пленка - подложка»

1.1 Состав интегральных структур и физическо- 17 механические свойства материалов, применяемых для изготовления интегральных микросхем

1.2 Причины возникновения напряжений и деформаций.

1.3 Краткий обзор моделей, отражающих особенности 36 поведения материала в приграничной области.

Актуальность темы. В настоящее время микроэлектроника -исключительно прогрессивно развивающееся направление техники. Микроэлектронная аппаратура (МЭА), особенно интегральные микросхемы (ИМС), благодаря таким своим преимуществам, как малая потребляемая мощность, практически мгновенная готовность к работе, высокая степень функциональной интеграции, низкая себестоимость, минимальные габаритные размеры и масса, получила широчайшее распространение во всех областях науки и техники (таблица 1, рисунок 1) [1], [2]. Огромный спектр направлений применения микроэлектронных приборов и устройств, а также непрерывный процесс повышения плотности упаковки и уменьшения размеров элементов, увеличения числа топологических слоев, расширения перечня используемых материалов приводят к повышению требований к качеству и надежности.

Все большее внимание специалистов привлекают вопросы, связанные с подходом к ИМС как к конструкциям [3]. Конструкцией называют механическую систему, в которой под действием допустимых внутренних или внешних механических возмущений составляющие ее элементы и узлы сохраняют свое относительное расположение и геометрическую форму или перемещаются и деформируются столь незначительно, что эти изменения не влияют на нормальную работу системы. С механической точки зрения важнейшим элементом конструкции микроэлектронных приборов и устройств является система пленки и подложки, находящиеся в состоянии адгезии. Адгезия (слипание) - прочное в течение длительного отрезка времени соединение двух твердых тел в единое целое вдоль поверхности контакта (адгезионного шва). Степень слипаемости пленки и подложки определяет работоспособность, долговечность [4], [5].

Таблица 1

Использование МЭА в различных классах электрических систем [1].

Функциональное назначение МЭА Электрические системы

1 Оптоэлектрика Система обработки информации. Системы отображения информации. Оптические запоминающие устройства.

2 Радиолокация Системы радиоастрономии. Системы радионавигации.

3 Телеметрия и телеуправление Морские системы. Неземные системы. Космические и авиационные системы.

4 Медицинская электроника Системы для биомедицинских исследований. Электронные стимуляторы биопроцессов. Системы диагностики.

5 Бытовая электроника Телевизоры, магнитофоны, радиоприемники. Электромузыкальные инструменты. Электронные Часы. Фотоаппаратура.

6 Вычислительная техника Цифровые ЭВМ. Калькуляторы. Аналоговые ЭВМ.

7 Связь Системы радиосвязи. Системы проводной связи. Системы передачи изображений.

8 Транспортная электроника Железнодорожные системы. Автомобильные системы. Авиационные системы. Судовые системы.

9 Приборостроение Системы измерительных приборов. Системы испытательного оборудования.

10 Квантовая электроника. Системы обработки материалов. Системы связи. Системы устройств памяти. 6

Применение тонких пленок.

Структура транзистора ИМС:

1 - пленка А1; 2 - пленка Si02; 3 - полупроводник; 4 - пленка Аи; 5 - коллектор; 6 - эмиттер; 7 - база.

1.1 Рисунок 1

Слипание оценивается работой, затрачиваемой на разделение тел. Известны различные способы ее определения [4]. Наиболее простыми и наглядными являются механические методы. При непосредственной оценке работы по отрыву пленки возникает трудность с наложением на пленку покрытия, с помощью которого ее можно отделить от подложки. Поэтому при использовании этого метода удается установить только качественную сторону процесса (отрывается ли вместе с покрытием пленка).

При использовании метода царапанья применяется зонд с гладким острием из хромированной стали, передвигаемый по поверхности пленки. Вертикальная нагрузка, прикладываемая к острию, увеличивается до тех пор, пока не будет достигнута ее критическая величина, когда пленка с подложки сдирается так, что за острием остается чистый канал. По критической нагрузке оценивается степень адгезии. В методе истирания сопротивление пленок определяется по результатам их обработки шкуркой. Сопротивление к истиранию зависит не только от твердости слоя, но и от его адгезии. Степень истирания пленки контролируется измерением ее электрического сопротивления.

Адгезию тонких пленок измеряют также на ультрацентрифуге. В этом случае пленка равномерно наносится на цилиндрическую поверхность ротора диаметром около 0,25 см, удерживаемого магнитными полями подвешенным в вакууме. Ротор приводится во вращение с постоянно увеличивающейся скоростью до тех пор, пока пленка не оторвется. Удаление пленки обуславливается разрывом связей между отдельными атомами пленки и подложки. Значит макроадгезия может быть объяснена суммарным действием отдельных атомных сил. Величина энергии адсорбции может быть получена с помощью данных электронно-микроскопического наблюдения зародышеобразования и начальной стадии роста пленки. Метод требует подсчета плотности островков, которые должны удаляться с подложки без опасности смещения друг относительно друга. Ввиду этого реализация данного метода сложна (рисунок 2) [6].

Перечисленные методы экспериментальной оценки адгезии связаны с разрушением конструкции «пленка - подложка», при этом на основании данных экспериментов нельзя судить о влиянии свойств пленки и подложки на слипание, методы не гарантируют достаточной степени точности и не обладают универсальностью. Характерно, что во всех перечисленных методах условия проведения экспериментов статические или меняются с очень малой скоростью (квазистационарные).

С момента зарождения микроэлектроники и до настоящего времени при разработке и производстве ИМС главенствующими были три направления: исследование электрофизических свойств и характеристик интегральных структур; схемотехника и системотехника; разработка и совершенствование технологических методов и средств. В настоящее время все большое внимание привлекаю вопросы, связанные с механическими явлениями в изделиях электронной промышленности. Изучение напряженно-деформированного состояния в интегральных структурах на пластине представляются исключительно важными [7].

Вступление тел в состояние адгезии сопровождается изменением их напряженного состояния. Почти все пленки, независимо от способа их формирования, оказываются в напряженно-деформированном состоянии (сжатыми или растянутыми) [4]. В общем случае в многослойный интегральных структурах имеет место сложное напряженно-деформированное состояние, характеризуемое совокупностью или суперпозицией макро- и микрополей механических напряжений, макро- и микрополей деформаций. Эти поля возникают и видоизменяются на различных стадиях производства ИМС от процесса выращивания слитка до процесса механических испытаний готовой продукции и далее на стадии 9

Схема образования пленки при вакуумном напылении a b с а - на подложке несколько атомов; b - атомы объединяются в зародыши; с - зародыши растут, смыкаются

1 - подложка; 2 - распыляемое вещество; 3 - лазер; 4 - тигель

Рисунок 2 эксплуатации. В зависимости от причин, вызывающих механические напряжения в структурах, последние могут называться напряжениями от внешних сил, температурными и структурными механическими напряжениями. Затруднения при аналитическом представлении этих полей и экспериментальной оценке уровней механических напряжений и деформаций обусловлены сложностью пространственной конфигурации и фрагментации совокупности слоев, составляющих структуры; неоднородностью их внутреннего строения; невысокой воспроизводимостью свойств в процессе их образования.

В большинстве случаев механические напряжения в слоях интегральных структур оказывают существенное влияние на качество и надежность аппаратуры. Под их действием в каждом из элементов и на границах их раздела происходят различного рода механические и электрофизические изменения. Известно, что механические напряжения являются причиной растрескивания и отслаивания слоев, приводят к появлению дислокационной структуры в полупроводниковой подложке, особенно вблизи краев жестких диэлектрических слоев и слоев силицидов и так далее. Напряжения в приповерхностном слое полупроводниковых пластин приводят к изменению структуры энергетических зон полупроводника и соответственно отклонению электрических параметров микроэлектронных приборов и устройств. Установлено, что многие из этих изменений приводят к параметрическим и катастрофическим отказам еще на стадии испытаний продукции. Коробление пластин, как следствие их напряженно-деформированного состояния, также снижает качество аппаратуры [7].

Для устранения и предупреждения возникающих напряжений и деформаций на этапе проектирования необходим анализ напряженнодеформированного состояния системы, возникающего при нанесении пленки на подложку, вследствие тепловых или механических воздействий.

Целенаправленные экспериментальные и теоретические исследования физико-механических процессов в полупроводниковых структурах, изучение физической сути параметрических и катастрофических отказов под действием внутренних напряжений имеют практическое значение: позволяют разработать рекомендации по предупреждению возникновения высоких уровней внутренних напряжений в многослойных интегральных структурах, применимые на стадии конструирования структур и разработки технологического процесса изготовления; позволяют установить для различного рода структур дополнительные уровни внутренних механических напряжений с целью получения необходимых характеристик при существующем технологическом процессе; дают возможность при разработке соответствующих методов и средств диагностики по отклонению тех или иных параметров интегральных элементов судить об их напряженно-деформированном состоянии, а, следовательно, о правильности и стабильности технологического процесса изготовления.

Существуют различные методы измерения напряжений в пленках. Если пленка осаждена на тонкую подложку, то последняя может изгибаться, а изгиб поддается измерению. На этом принципе основаны наиболее общие способы измерения напряжений в тонкой пленке. У таких методов имеются следующие недостатки: они используются при достаточно больших прогибах пластин-подложек и большой расход материалов, так как для получения статистически достоверного результата каждой точке графика должно соответствовать несколько пластин (3 - 5) [4].

Существует метод тензометрии. Он позволяет измерять механические напряжения в локальных участках интегральных структур, размеры которых определяются минимальными размерами тестовых структур. Здесь используются известные и доступные средства измерения сопротивлений, и следовательно, нет необходимости разрабатывать специальную измерительную аппаратуру. При использовании этого метода точность измерения механических напряжений существенно меньше точности, достигаемой методом рентгеноупругости. В данном случае точность зависит от качества технологического процесса [4], [8].

Основным преимуществом метода фотоупругости является его высокая разрешающая способность в плоскости контролируемой пластины, ограниченная разрешением оптических элементов. Метод позволяет получить по отдельности картину распределения механических напряжений по пластине и картину направлений главных осей тензора напряжений. Разнообразие оптических систем позволяет получить картину напряженно-деформированного состояния как для всех пластин, так и для отдельных локальных участков. К принципиальным недостатка кроме большой стоимости оборудования и исследований следует отнести и тот факт, что известные установки не позволяют измерять механические напряжения при изотропном напряженном состоянии без специальных методов [9].

Главным преимуществом метода рентгеноупругости является, прежде всего, высокая точность измерения. Следует также отметить, что состояние приповерхностных слоев пластин практически не влияет на точность измерения. Характерной особенностью метода является малая площадь зондирования из-за ограниченных размеров сечения рентгеновского пучка. Это, с одной стороны, позволяет измерять механические напряжения в локальных участках пластин, а с другой - не позволяет получить целостную картину распределения этих напряжений. Еще один недостаток - возможность использования метода только для монокристаллических слоев и поликристаллических слоев с размером кристаллов меньше 0,1 мкм. Применяется метод рентгеноупругости только в лабораторных условиях из-за громоздкости, высокой стоимости и малой производительности оборудования. Кроме того, результаты исследования, проведенные различными методами, не всегда совпадают [4], [10], [11].

Методы измерений напряжений в пленках продолжают совершенствоваться [12] - [16]. Однако, как и при изучении слипаемости пленки и подложки, не обладают достаточной точностью и не дают возможности оценить значения напряжений в динамических условиях, а также требуют значительных затрат на проведение испытаний. В этой связи возростает роль теоретических методов, и задача анализа напряженно-деформированного состояния конструкции «пленка - подложка», находящейся в динамических условиях, является актуальной.

Настоящая работа выполнялась в соответствии с государственной бюджетной темой «Исследование возможности использования структур «металл - сегнетоэлектрик - полупроводник» для устройств памяти с плотностью записи информации выше 1013 бит/му> (Отчет по НИР № ГР 0180666348, № ГТ 01.940.00379, а также в рамках научно-технического сотрудничества ОрелГТУ с ЗАО «Кинескоп» г. Орел, НИИ «Стрела» г.Тула.

Цель работы - анализ напряженно-деформированного состояния конструкции «пленка - подложка», находящейся в динамических условиях.

Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи: разработать математическую модель напряженно-деформированного состояния конструкции «пленка - подложка», находящейся в динамических условиях, с учетом адгезии ее элементов; оценить влияние на прочность конструкции и ее элементов: собственных напряжений, возникающих вследствие явления адгезии в отсутствии внешних воздействий; дополнительных напряжений, возникающих под влиянием периодически меняющихся внешних объемных (инерционных) сил.

Научная новизна.

• Разработана математическая модель напряженно-деформированного состояния конструкции «пленка - подложка», рассматриваемой как система двух пластин разной толщины, находящихся в состоянии адгезии, и подверженой влиянию объемных, периодически меняющихся, нормальных к ней внешних сил.

• Показано, что материал вблизи свободной поверхности находится в растресканом либо в пластическом состоянии;

• На основе исследования влияния собственных напряжений на прочность элементов конструкции вблизи адгезионного шва получено соотношение для подобора сочетания материалов пленки и подложки, при котором эти напряжения минимальны.

• Выяснено, что под влиянием периодически меняющихся внешних объемных (инерционных) сил явление резонанса возникает при совпадении частоты возбуждающих колебаний с частотой, равной произведению собственной частоты на коэффициент, больший единицы;

• Установлено, что дополнительные напряжения, возникающие от внешних переменных воздействий, приводят к отслаиванию пленки от подложки при обращении в ноль гипернапряжения их контактного взаимодействия.

Методы исследования - теоретические, используемые обычно в механике сплошных сред. Основным математическим методом решения соответствующих дифференциальных уранений является метод разделения переменных Фурье. Ввиду усложнения этих уравнений по сравнению с классическими аналогами возможность использования метода проверена.

Достоверность результатов: Результаты получены на основе известных, подтвержденных экспериментами, общих моделей деформируемого твердого тела. Они обеспечиваются корректностью постановки задачи, обоснованностью используемых теоретических зависимостей, принятых допущений й ограничений, применением известных математических методов и подтверждаются качественным согласованием результатов теоретических исследований с экспериментальными данными.

Практическая ценность работы состоит в возможности теоретического предсказания механического поведения конструкции «пленка - подложка» при различных динамических нагрузках и заданном сочетании материалов конструкции, а также в возможности подбора этого сочетания с целью уменьшения внутренних напряжений при заданном внешнем воздействии.

Использование результатов работы. Результаты диссертационной работы были использованы при разработке Государственной бюджетной темы «Разработка и исследование структур «металл - сегнетоэлектрик -полупроводник» для устройств памяти с плотностью записи информации выше 1013 бит/м2» № ГР 0180666348, № ГР 01.940 00379; технологического процесса восстановления вышедших из строя кинескопов ЗАО «Кинескоп»; механических испытаниях устройств с тонкопленочными покрытиями НИИ «Стрела».

Результаты работы могут быть рекомендованы к использованию в научно-исследовательских и проектно-конструкторских организациях при проведении работ по созданию микроэлектронных устройств, носителей информации персональных компьютеров и других изделий, использующих тонкопленочные покрытия.

16

Апробация работы. Отдельные результаты работы докладывались на симпозиуме: «Механика и технология в процессах формоизменения с локальным очагом пластической деформации». - ОрелГТУ, 1997; научно-технической конференции преподавателей и сотрудников. - ОрелГТУ, 1998; научно-технической конференции преподавателей и сотрудников. -ОрелГТУ, 2000. др.

Публикации. Основные научные положения, результаты и выводы диссертации лично или в соавторстве опубликованы в 8 работах.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 3 глав, заключения, списка использованных источников из 90 наименований и содержит 157 страниц основного текста, 13 рисунков и 10 таблиц.

3.6 Результаты исследования особенностей поведения конструкции «пленка - подложка» в динамических условиях

При изучении напряженно-деформированного состояния конструкции «пленка - подложка» в динамических условиях установлено следующее. • Решение поставленной задачи представлено в виде двух составляющих: статической и динамической. Первая является решением задачи о напряженно-деформированном состоянии при отсутствии внешних воздействий, возникающем только за счет сил адгезии между пленкой и подложкой. Динамическая составляющая является дополнением к статической и учитывает влияние внешних переменных нагрузок.

142

• Для исследования динамической составляющей в случае одномерных задач применен метод разделения переменных. Благодаря использованию в уравнениях движения не второго, а четвертого порядка производных по координатам установлены отличия от классического решения в виде собственных форм колебаний.

• Найдены экспоненциальные формы профиля волновой функции в фиксированный момент времени, не предсказываемые классической теорией.

• Исследованы условия прочности конструкции «пленка — подложка».