以奈米压痕法探讨电镀铜薄膜之机械性质.doc

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1、以奈米壓痕法探討電鍍銅薄膜之機械性質莊晉東一.摘要本研究以奈米壓痕技術量測在基板上電鍍銅薄膜之硬度和彈性模數。期望藉由實驗結果顯示壓痕深度與負載之關係，觀察硬度與施加負載之變化，然後電鍍銅薄膜與基材間之變形影響，推導銅薄膜之彈性模數和硬度間之關係。關鍵詞：奈米壓痕技術，硬度，彈性模數，電鍍銅薄膜術所沒有的優點，例如製程簡單、成本低、可複製性高，操作溫度在室溫下即可反應且鍍液穩定，沈積材料在厚度與基材尺寸上並沒有實質上的限制。銅在金屬互聯(HDI,HighDensityInterconnection)技術上具有吸引力，是因銅具有低電阻係數、高沉積速率、低擴散性等優點⑸，故銅電鍍

2、變成新一代的鑲坯製程與高密度基板製作的重要技術。當銅電鍍面臨微孔及微細線路時，銅離子的質傳行為決定二、前言電鍍沉積的品質。隨著積體電路元件技術發展，尺寸的縮小及元件密度的增加，在鋁導線的繼續使用上遭遇到了一些困難。銅金屬則因具有較小的電阻率(pcu:1.67jiQ-cm,PAj:2.66,熔點(Cu:1085°C,Al:660°C)及導熱性(Cu:3.98Wcm-1K-1,Al:2.38Wcm-1K-I)[l?2],可以有效降低RC三、電鍍原理及鍍膜結構電鍍(electroplating)被定義為一種電沈積過程(electrodepositionprocess),是利用電極(

3、electrode)通過電流，使金屬附著於物體表面上，其目的是在改變物體表面之特性或尺寸。電鍍的目的是在基材上鍍上金屬鍍層(deposit),改變基材表面性質或時間延遲，增加元件的操作速度達尺寸。例如賦予金屬光澤美觀、物品30%;銅金屬具有較佳的抗電遷移(electromigration)能力和較高的熔點,可提高元件的可靠度(reliability),並增加導線的密度[3,4];因此已逐漸的防鏑、防止磨耗、提高導電度、潤滑性、強度、耐熱性、耐候性、熱處理之防止滲碳、氮化、尺寸錯誤或磨耗之另件之修補。取代鋁合金而成為內層金屬連線的材電解反應[6,7,8]質。利用外加電流強制

4、將銅由陰極析出的製程稱電化學沈積法有著其他技對電解液施加外加電壓，便有電流通過，電解質在電流作用下被分解的過程叫電解；當電解反應進行時，電解液中的陽離子跑向陰極，在陰極得到電子被還原；陰離子則跑向陽極失去電子被氧化。在電解硫酸銅溶液若我們接入兩電極，通以直流電,則其電解反應如下:陰極：Cu2++2e_—Cu2H++2e--H2t陽極：A:原子量t:通電時間F:法拉第電量z：電荷數在化學電鍍的程序中，銅離子在基材還原成銅主要會經由下列幾個連續的界面反應步驟完成［9］：(1)液相質傳：金屬離子自溶液中運動到電極表面附近。(2)電荷傳遞：在電極表面附近的金屬離子之間進行電荷轉移，及帶

5、正電之金屬離子從陰極得到電子4OH-2H2O+O21+4e"2SO42-+2H2O-2H2SO4+O21+4e~若為銅陽極，則同時發生銅的溶解，即Cu->Cu2++2e~,還原成金屬原子(又稱吸附原子)。(3)表面擴散與成核：在電極表面還原的銅金屬原子沿表面橫向移動到金屬晶格的適當位置，或與其它原子相遇形成晶核。(4)形成結晶：金屬離子最後到達沈從陽極上溶解的銅，補充了電解降中的定位置，晶體逐漸長大液中的銅離子的消耗，維持電解液中陰極金屬固體與溶液間為了保持介面銅離子濃度平衡；若我們將樣品置於陰極，則銅在樣品上沈積的過程稱為有電極電鍍。法拉第於1833年發現兩個與電解有關的基本

6、定律：(1)第一定律：被解出的生成物與所通入。在步驟(1)時，我們在陽極上施與一正電荷，銅離子就會由陽極表面處析出。由於它會受到陰極上負電荷的吸引，因此會往陰極移動，而到達陰極外的電雙層區(electricaldoublelayer),電雙層區產生的主要原因是(2)第二定律：通入一定電量，各物質生成的量與化學當量成正比。由法拉第電解定律可以得知:W:析出(陰極)或溶解(陽極)的重量區域的平衡所產生的電位差。當銅離子到達電雙層區時銅離子就會與陰極上負電荷產生步驟(2)之電荷轉移，進而在陰極基板上開始沉積，由於電荷轉移的機構不同，銅金屬的沉積的路徑也會有所不同。圖1是銅沉積反應之基

7、本示意圖［10］ozxTxA［擴散電鍍液表面擴散衣而振歆吸附原子電鍍沉積質量（M）oc庫侖電荷量使用率表現在數學式上為方程式（3）:鍍膜結構［14］鍍層的形成鍍層由結晶體或晶粒組成，結晶體的大小、形狀及排列方位，決定著電鍍沉積速率［11］電鍍時，電流I是因為溶液中陽離子電荷的移動，依歐姆定律（OhnTsLaw）,可得之電流（I）和電場（E）成正比，式子（1）所示［12］：I=o*E而且a=y*u*C*F（2）其中o:溶液的導電率。（Q-m）y:離子電荷量。（Coul）u:離子漂移率。（n?/