纳米压痕是一种重要的测量技术，用于测量薄膜中的杨氏模量和硬度，以及任何涉及到测量有限数量材料的情况。在大多数情况下，纳米压痕被用来表征微电子中使用的低介电常数(low-k)薄膜的力学性能。在这样的芯片中，低k的材料对于通过机械和电欧洲杯足球竞彩子屏障分离导电线路很重要。介电常数越低，电分离越好。然而，要降低k值是困难的，使用高薄膜孔隙率等方法，因为这削弱了材料本身。因此，在设计微电子元件时，材料强度必须与介电常数相平衡。这就是纳米压痕在评估低介电常数材料的机械坚固性时发挥作用的地方。
.jpg)
图1所示。测量微电子材料的机械强度是最常见的纳米凸缘。欧洲杯足球竞彩
为了进行纳米压痕测试，在硅片上涂上低k材料的薄膜。然而，这可能会导致错误地测量薄膜和支撑晶圆材料的纳米压痕，如果单独使用奥利弗-法，将导致错误地高杨氏模量。这是真的，即使压痕只是厚度的一小部分的薄膜本身。为了防止这种情况，inano缩进系统使用自动粗制来补偿基板的贡献。这将产生测量的杨氏模量值，这是薄膜材料的真实一个，无论晶片都可以。这是通过计算真正的年轻模量（ef）使用表观（未经校正的）杨氏模量（e一个)、压痕深度(h)、膜厚(tf)，衬底的杨氏模量(E年代）和泊松基底材料的比率（ν年代)，其公式如下:
Ef＝f(E一个h tf，E.年代,ν年代）
对于低k材料的薄膜，这些参数通常是已知的。
inano系统测量杨氏模量和硬度，作为压头穿透的连续函数，在加载条件下使用小的叠加振荡，以确保不需要最大穿透深度(否则就需要测量这些特性)。这种连续函数图在薄膜测试中非常有用，因为它有助于区分基片和薄膜在校正前后测量到的特性上的相对作用。如果修正是适当的，无论压痕的深度如何，测量值都不应发生显著变化。
欧洲杯足球竞彩材料和方法
在该实验中，来自SBA材料公司的高级电子产品的着名材料的两种低K材料样本。欧洲杯足球竞彩
表格1。低k样品总结:SBA材料测量的物理性能欧洲杯足球竞彩
| 样品标识 |
膜厚度(nm) |
折射率，n§ |
介电常数k__ |
| 一个 |
196.27 |
1.285. |
2.215 |
| F |
477.51 |
1.283 |
2.169 |
§在633nm的波长下测量。
__在1 MHz测量。
使用杨氏模量和硬度来测量这些inano.．使用Berkowich indenter（常见）以产生纳米凸缘。在室温下对每个材料样品进行十个凹口，使用“薄膜动态CSR”测试模态。在测试的每个站点的测量下，以下步骤进行以下步骤：
- 压痕面以30nm /s的速度接近和接触胶片。
- 压头压在薄膜上的应变速率是0.2秒，直到压痕薄膜厚度的50%。压力伴随着振幅为1 nm，频率为100 Hz的振荡。
- 在最大深度下，压力保持稳定1秒（停留期）。
- 在接下来的10秒内，接触力下降到10%。
- 压头在恒力下保持80秒，同时记录其位移。在力不变的情况下，这个应该是零。然而，在这部分测试中测量的真实位移率并不为零，因为材料中的热变化，如收缩-膨胀。
- 将压头取下，并将样品保持在适当的位置，以进行后续的测试。
如果一个人知道薄膜的厚度和基板的弹性，以及其他特征，也可以通过Hay-Crawford模型到达膜特性，如表2所示。
表2。分析输入的总结。(注:这些值中的任何一个都可能在测试后更改，并迅速重新计算结果。)
| 输入 |
价值 |
| 漂移纠正？ |
1 |
| 膜厚度 |
196年或478年 |
| 衬底泊松比 |
0.2 |
| 杨氏模量 |
170 |
| 泊松的薄膜比例 |
0.3 |
| 电影开始平均比例 |
0.29 |
| 薄膜的分数为止 |
0．31 |
| 薄膜（1）或散装（0） |
1 |
结果与讨论
在压头加载期间施加振荡，在1 nm, 100 Hz，保持接触刚性整个期间压头压在材料的表面。动态刚度测量用于奥利弗-法尔计算，以获得杨氏模量。与薄膜厚度相对应的压痕深度是x轴上的值，随着深度的增加，模量变大。这种变化是由于底层芯片的硬硅提供压痕电阻，E为170 GPa。尽管而且确实因为衬底的明显贡献，因此，这些模量值为实际结果提供了第一步，使校正的需要和误差的来源更加清晰。
另一方面，Hay-Crawford模型通过呈现相对于归一化压痕深度的相对不变的值来校正相对不变的值来校正基板对杨氏模量的影响，以校正基板对杨氏模量的影响。在这种情况下获得的值基于测量值，该值经过分析，以考虑基材贡献。然后，来自不同材料的每组值平均在29％和31％之间，得到每个压痕的模欧洲杯足球竞彩量的一个值。平均值的限制由用户设置。作为最终步骤，对于如此获得的十个值中的每一个，也计算平均值和标准偏差，分别为薄膜A和F的EF = 6.48±0.27和6.14±0.14。
.jpg)
图2。杨氏模量是压痕深度的函数，由薄膜厚度归一化。每一个粉红色的痕迹代表薄膜a上的一个测试，每一个浅蓝色的痕迹代表薄膜f上的一个测试。红色和蓝色的痕迹分别代表这些相同的物理测量，只是对衬底的影响进行了校正。使用校正过的痕迹，薄膜模量约为薄膜厚度的30%。
在纳米压痕研究中，压痕下降到膜厚度的10%以下通常被认为基本上不受衬底的任何影响。然而，在基板上的低k材料比测试材料本身更硬的情况下，这是不正确的。欧洲杯足球竞彩因此，在10%的压痕处，薄膜A有E一个胶片A的8.49 GPA，e一个= 7.43 GPA用于薄膜F，其高于这些薄膜的实际值高于30％和20％。结果不正确的结果可能对制造商的业务绩效产生潜在的灾难性影响。
Hay-Crawford模型的另一个优点是更好的准确性和再现性，因为在测量之前可以允许较长的位移，与衬底刚度是一个问题的情况不同。更有可能在50nm处拍摄的测量是正确的，而不是仅在20nm处拍摄的，因为任何实验伪影的扭曲效应都不会放大。这包括由于粗糙和不平坦的表面，不完全平滑的提示，接触检测和周围振动的问题。使用此设置，缩进深度可以高达薄膜厚度的40％而不影响结果的独立性。
由于衬底刚度，硬度的测量并不容易失真，因为塑性变形区域明显高于弹性变形区域的限制。使用Oliver-Pharr方法测量时，即使归一化压痕深度增加，也不会增加硬度，并且不需要校正。每个凹口的单个值是通过从每个点的平均到29％和31％之间的数据来获得的，然后也针对来自所有十个测试的每个值计算平均值和标准偏差。对于薄膜A和薄膜f，这使H = 1.22±0.06和H = 1.17±0.03。数据显示，当压痕深度接近胶片厚度的40％时，值几乎相同。
.jpg)
图3。硬度作为压痕深度的函数，通过膜厚度归一化。每个红色迹线代表在胶片A上的单个测试，并且每个海军迹线代表胶片F的单个测试。硬度对基板影响相对不敏感，因此不需要校正模型。使用原始迹线，报告硬度约为薄膜厚度的30％。
表2给出了这两个样本的最终数据。虽然两个样本的E和H值差异不大，但差异有统计学意义(p< 0.05)。薄膜A较薄，其杨氏模量稍高，硬度也较高。这一点值得注意，因为这两部电影的设计具有相同的特点。这种差异是由于膜A体积较小对其微观结构的影响，进而影响其力学性能，可以看作是两种材料介电常数的差异。欧洲杯足球竞彩薄膜F较厚，模量较低，这与其他对薄膜厚度和k值的观察结果一致。
表3。用薄膜机械性能摘要inano.
| 样品标识 |
N |
深度范围(nm) |
Ef (GPa) |
H（GPA） |
| 一个 |
10 |
56.8 - 60.8 |
6.48±0.27 |
1.22±0.06 |
| F |
10 |
138.6 - 148.2 |
6.14±0.14 |
1.17±0.03 |
结论
纳米indentation的值是体积和微观结构之间的关系，而且反过来的材料的机械特性。欧洲杯足球竞彩这inano.压痕系统采用复杂的硬件和电子产品，以及提供现代程序和分析，以便也可以通过更准确度和可再现的结果来检查和特征非常薄的薄膜。使用这种方法，比较了几乎相同的低k值的两种薄膜，并且较薄的薄膜与较高的杨氏模量相关联。这些发现是罕见的商业系统，特别是如果不允许薄膜建模和动态缩进，因为它们被扭曲或隐藏。
承认
Nanomechanics, Inc.感谢SBA Materials, Inc.提供了特征良好的欧洲杯足球竞彩低k样品。
参考
1.Oliver, W.C.和Pharr, G.M.，“利用载荷和位移传感压痕实验测定硬度和弹性模量的改进技术，材料研究学报欧洲杯足球竞彩7(6): 1564 - 1583(1992)。
2.海，J.L.和Crawford, B.，“薄膜的衬底无关模量的测量，材料研究学报欧洲杯足球竞彩26（6）：727-738（2011）。
.png)
这些信息来源于Nanomechanics, Inc.提供的材料。欧洲杯足球竞彩
有关此来源的更多信息，请访问Nanomechanics公司．