針對鋁薄膜進行了快速冷熱循環試（shì）驗。模擬焦耳熱變化並研究影（yǐng）響機理。試驗結（jié）果表明（míng）。對比於恒溫（wēn）加熱。焦耳熱循環變化會（huì）導致應力（lì）遷移速率持續變化。對鋁（lǚ）薄（báo）膜表麵形（xíng）成變應力衝擊。同時加劇表麵 疲勞微裂紋（wén）的形成與擴展。終使表麵小丘數量和體積顯著增加。致使（shǐ）集成電路失（shī）效概率大幅提高。 
    集成（chéng）電路中重複的 ＯＮ／ＯＦＦ操作會導致焦耳熱發生（shēng）快速循環變化。從而（ér）影（yǐng）響鋁薄膜的結構。集成電（diàn）路和微機電係（xì）統 （ＭＥＭＳ）在現代機械（xiè）電子（zǐ）工業中發揮著越來越重要的作（zuò）用（yòng）。其中金（jīn）屬薄膜材 料是不可替代的組成部（bù）分。Ａｌ和Ｃｕ薄膜因其特殊的（de）物理和化學性質被廣（guǎng）泛地應用於集成電路中。由 於Ｃｕ薄（báo）膜（mó）製造成本較高、工藝較複雜。而 Ａｌ薄膜加工（gōng）工藝成熟、製造成（chéng）本低。因此多年以來Ａｌ薄膜一直被用作重要的組成材料。由於集成電路通常處於微納米尺度（dù）。產生的電（diàn）流（liú）密度大。因（yīn）此（cǐ）不能忽（hū）視通電產生的焦耳熱影響。當電路經受重複的（de）ＯＮ／ＯＦＦ操作時。焦耳熱會發生（shēng）快速循環變（biàn）化。 導致Ａｌ薄膜結構發生變化。產生（shēng）空穴（ ｖｏｉｄ）和（hé）小（xiǎo）丘（qiū）（ ｈ ｉｌｌｏｃｋ）。使電（diàn）路出（chū）現（xiàn）斷路（lù）或短路等失效現 象。因（yīn）此。研究快速冷熱（rè）循環變化對 Ａｌ薄膜的影響是十分必要（yào）的。Ｇｅｉｓｓ等使用交流電源（yuán）對電路通（tōng） 電來研（yán）究（jiū）焦耳熱循（xún）環變化對於 Ａｌ－１ｗｔ％Ｓｉ導線的影響。但是該試驗中（zhōng）無法避免電遷移現象對（duì）於 Ａｌ膜的影響。同時也未針對高純度Ａｌ膜試樣進行（háng）試驗（yàn）。 Ｒｉ等分析了溫度循環變化對於鋁膜的影（yǐng）響。 但是試驗設備複雜、價格較（jiào）高。而且試樣中（zhōng）鋁（lǚ）膜厚（hòu）度達到了５μｍ。無（wú）法準確模（mó）擬集（jí）成電路中（zhōng）的鋁（lǚ）膜結構。
    為避免電（diàn）遷移現象對於焦耳熱影響（xiǎng）機（jī）理的幹涉。本論文設計了一種新型快速冷熱循環裝置。實現了對高純度鋁膜的快速加熱和（hé）冷卻。並（bìng）通過對比恒溫加熱下相（xiàng）同（tóng）結構鋁膜的變化。分析了快速冷熱循環（huán）的影響機理。

    1、試（shì）樣製備與試驗方法

    半導體薄膜溫度的快速變（biàn）化（huà）需要通過環境溫度的快速變化來實現。因此。 快速冷熱循環試驗（yàn）箱利用陶瓷（cí）加熱片提供高溫。並將陶（táo）瓷加熱片固定於升降位移機構中。鋁（lǚ）膜的加熱和冷卻是通過伺服電機控製加熱片上下循環移動而實現的（de）。試驗中使用２英寸矽片。將矽片切割為１０ｍｍ×１０ｍｍ 小塊並放置於銅台上。設計水冷係統是為了保證（zhèng）銅台表麵溫度（dù）在非加熱狀態時能快速冷（lěng）卻至（zhì）室溫。並通過溫度控製係（xì）統 以實時監控陶瓷加熱片和銅（tóng）台溫度。由於矽片（piàn）和（hé）鋁膜具有良好的導熱性。因此。在試驗（yàn）中。當陶瓷加 熱片（piàn）靠近矽片（piàn）進行（háng）加熱時。近似認為矽片中鋁（lǚ）膜溫度（dù）與銅（tóng）台監測（cè）溫度相同；而當加熱片遠離矽片進行 冷卻時（shí）。鋁膜將快速降至室溫。快速冷熱（rè）循環測試係統示意圖如圖（tú）１ （ ａ）所示（shì）。包括升降位移機構、 運（yùn）動控製係統和（hé）水（shuǐ）冷係統等。

    試驗所需試樣Ａ橫（héng）截麵結（jié）構如圖１（ ｂ）所示。由 Ａｌ２Ｏ３／Ａｌ／ＳｉＯ２／Ｓ ｉ組成。試樣製作過（guò）程如下： 首先在（zài）２英（yīng）寸矽片表麵通過高溫氧化（huà）製備一層３００ｎｍ厚的ＳｉＯ２ 膜。然後使用真空蒸鍍（dù）法在（zài）ＳｉＯ２表麵（miàn）沉積一層６００ｎｍ厚的Ａｌ膜。Ａｌ靶材純度為９９。９９％。沉積結束（shù）後。將試樣 Ａ 從真（zhēn）空腔中取出。Ａｌ膜表麵立刻會生成Ａｌ２Ｏ３膜。試樣表麵在加熱前平整光潔如圖１（ ｃ）所示。

    鋁膜循環加熱試驗的主要參數見表１。其中Ｔ１表示鋁膜加（jiā）熱後達到的溫度。為４７３Ｋ。Ｔ２表示鋁膜冷卻時的溫度（dù）。為室溫２９８Ｋ。ｔ１表示加熱（rè）片靠近矽片時的加熱持續時間。ｔ２表示加熱片遠離矽片後的冷卻持續時（shí）間。Ｃ表示循環（huán）次數。如圖２所示。試驗（yàn）中采用５０００次冷熱循環。單次循環內陶瓷（cí）加熱片加熱矽片時間設定為２ｓ。因此（cǐ）總加熱時間為（wéi）１００００S。

    為對比恒溫持續加熱（rè）對試樣的影響。本文使用相同結構的試樣。命名（míng）為試樣 Ｂ。放置於恒溫加熱爐中。加熱溫度設為４７３Ｋ。加熱時間同樣為（wéi）１００００ｓ。

    ２、試驗結果及分析

    試驗結束經掃描電（diàn）子顯微鏡觀察發現（xiàn）：經過快速冷熱循環試驗後的（de）試樣 Ａ 表麵如圖３ （ａ）所示。有大量（liàng）的小丘出現。而經過恒溫持續加熱試驗後的試樣Ｂ表麵（miàn）如圖３ （ ｂ）所示。隻有少量的小丘出現。說明在加熱溫度 和時間相同的條件下。快速冷熱循環對於試樣的破壞性更大。
    試樣中Ａｌ和（hé）ＳｉＯ２膜的熱膨脹係數相差較大（ＣＡｌ＝２。５×１０ ７／Ｋ。ＣＳｉＯ２＝０。５×１０ ６／Ｋ）。因此在加 熱（rè）過程中。Ａｌ膜和ＳｉＯ２膜的熱膨脹能（néng）力不同。Ａｌ膜沿厚度方向的膨脹受到底層（céng）ＳｉＯ２膜的限製。導 致了壓應力（ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｓｔｒｅｓｓ）的產生。壓應力在沿鋁膜厚度方向上形成應力梯（tī）度。驅動鋁膜中（zhōng） 的（de）鋁原子（zǐ）沿（yán）晶界遷移。並積聚於鋁（lǚ）膜與（yǔ）表層氧化膜之間。形成應力遷移現象。鋁原子的應力（lì）遷移能力 隨加熱溫度的增大而增強。試樣 Ａ和Ｂ中加熱溫度達到４７３Ｋ。保證了 Ａｌ原子具有足夠的應力遷移（yí） 能力。當積聚鋁原子數量達到一定程度時。鋁原子會突破表層 Ａｌ ２Ｏ３ 膜的限製。從而形成了小丘。 
    試（shì）樣 Ａ和Ｂ的加熱溫度和總加熱時間（jiān）相同。但由於試樣 Ａ在多次冷熱循環過程中。壓應力出現 循環（huán）變化。導致應力梯度出（chū）現相應變化。試樣 Ａ 中遷移的鋁（lǚ）原子數量和速率（lǜ）也隨之發生持續（xù）變化。 因（yīn）此將產生原子積聚形成的變應力。Ｓａｋａ和Ｌｕ等報道了Ｃｕ和 Ａｌ的氧化膜存在易損傷點。金屬原 子應力遷移並積（jī）聚後。會從易損傷點析出（chū）並生成小丘。試樣 Ａ 中表層 Ａｌ２Ｏ３ 膜同樣存在易損傷 點。而且受變應力影響出現疲勞損傷。導致易（yì）損傷（shāng）點擴展並成為裂紋。終使（shǐ）試樣表麵原子析出點的 數量和大小都顯著增加。試樣Ｂ在恒溫加熱（rè）過程中。Ａｌ原子應力遷移的速率穩（wěn）定。當積聚原子從試（shì） 樣表麵按照一定速率析出。形成原子積聚析出動態平衡過程。此時試（shì）樣Ｂ的表（biǎo）層氧化膜承受靜（jìng）應力 而不是變應（yīng）力（lì）。氧化膜的易損傷點沒有擴展。因（yīn）此。表麵由鋁原子析（xī）出（chū）形成的小丘數量和大小均小於 試樣 Ａ。

    ３、結語

    本文對比分析了恒溫加熱和快速冷熱循環對於鋁薄（báo）膜的影響。在加熱（rè）溫度（dù）和總時間相等的情況下。快速冷（lěng）熱循環會導（dǎo）致鋁膜表麵出現更（gèng）多的小丘。研究發現。小丘來源於鋁原子（zǐ）的應力遷移和積（jī）聚。快速冷（lěng）熱循環（huán）使鋁膜內應力梯度持續發生變（biàn）化。對表層（céng）氧化膜（mó）會造成更嚴重的疲勞損傷（shāng）。本文的研究結果可應（yīng）用於延長（zhǎng）半導體器件壽命和遏製應力遷移導致的集成電路失效。