Study of the Effect of Radiation Exposure on Grain Size and Mechanical Properties of Thin-Film Aluminum

Full Text

Введение. В процессе перехода от макро- к микроразмерам меняются свойства материалов. Знание механических свойств материалов позволяет разработчику более точно рассчитать конструкцию устройства, определить возможный диапазон рабочих параметров при эксплуатации. Одним из базовых материалов в микроэлектронике является алюминий. Известен критерий радиационной стойкости интегральных схем, что крайне важно при использовании в космосе. В интегральных схемах с проектными нормами более 180 нм используется металлизация из алюминия. При торможении на корпусе электронного устройства электронов, протонов, космических частиц возникают рентгеновское и гамма-излучение, тяжелые ионы. В подзатворном слое КМОП-структуры накапливается индуцированный излучением положительный заряд, что ведет к изменению рабочих характеристик транзисторов. Происходит смещение пороговых напряжений и увеличение токов утечки, изменяется время нарастания и спада фронтов и т. д. При этом старение интегральной схемы и степень разрушения зависят от суммарной дозы полученной радиации [1].

Также актуальность исследования подтверждается важностью радиационной стойкости материалов в рентгеновской литографии, в частности, при изготовлении масок-затворов, обеспечивающих в необходимый период времени прохождение излучения [2]. К материалу маски применяются жесткие требования. С одной стороны, материал маски должен поглощать излучение и обеспечивать механическую прочность для работы в атмосфере вакуума. С другой стороны, должен обладать достаточно упругими свойствами для обеспечения необходимой обратимой деформации.

Известно, что при нахождении в космосе на средней орбите (около 2000 км) в течение 1 года интегральная схема получает воздействие около 0.1 Мрад [3]. В данной работе максимум дозы облучения составлял 6 Мрад.

1. Технологический маршрут изготовления тонкопленочного алюминия.Тонкая монослойная пленка алюминия была осаждена магнетронным методом на кремниевую пластину диаметром 150 мм с кристаллографической ориентацией (100) и толщиной 675±10 мкм. В результате сформировалась круглая мембрана на Si кристалле квадратной формы со стороной 6 мм. К преимуществам круглой мембраны можно отнести отсутствие концентраторов механических напряжений в углах структуры. Технологический маршрут изготовления структуры показан ниже. Особенностью технологического маршрута формирования мембран является выбор маски для защиты кремниевой поверхности. В процессе исследований было обнаружено, что слой фоторезиста толщиной единицы микрон стравливается раньше, чем происходит травление на глубину стандартной Si подложки толщиной 670 мкм. В результате значительно возрастает площадь травления и возникает эффект черного кремния. Для решения проблемы было решено стандартный слой фоторезиста заменить на слой алюминия. Алюминий обладает большей селективностью к кремнию по сравнению с фоторезистом (при травлении кремния).

На исходной кремниевой пластине (рис. 1,a). магнетронным методом формируют слой Al на обратной стороне подложки (рис. 1,b), выполняющий функцию защиты поверхности кремния при тралении. Затем проводят фотолитографию по обратной стороне пластины с алюминием (рис. 1,c). После этого проводят жидкостное химическое травление алюминия (рис. 1,d). Затем удаляют резист в ДМФА и осаждают слой Al на лицевой стороне. Далее выполняют глубокое травление кремния (Bosch-процесс) на глубину подложки до Al (рис. 1,e). Под мембраной подразумевается область пленки алюминия на лицевой стороне подложки, не имеющая под собой кремниевой подложки.

 

Рис. 1. Технологический маршрут

 

Изображение изготовленных кристаллов показано на рис. 2 выше.

 

Рис. 2. Изображение изготовленных кристаллов

 

На рис. 3 приведены изображения во вторичных электронах поперечного сечения образцов тонких пленок на кремниевой подложке.

 

Рис. 3. Изображение мембраны на виде сбоку

 

Экспериментальный диаметр мембраны, сформированный после травления Si подложки составляет 556 микрон. Толщина пленки монослоя алюминия составляет 502±10 нм, что обеспечивает пропускание менее 1% при длине волны 13.5 нм [4].

2. Измерение механических свойств. Контроль механических свойств осуществлялся на стенде, описанном в работе [5]. Cтенд включает в себя оптический профилометр, манометры, ресивер, магистральную систему подачи избыточного давления воздуха. В результате, обеспечивая бесконтактное воздействие на мембрану за счет давления воздуха (без внесения дополнительных механических напряжений на структуру), можно получить значение давления разрыва мембраны и величину двухосного модуля упругости.

Механическая прочность кремниевых мембран рассчитывается по формуле (2.1):

${\sigma }_{max}=\frac{P_{\text{over}}\times a^2\times B\left(\mu \right) }{h^2}$, (2.1)

где P_over – избыточное давление критической деформации структуры, а – радиус мембраны, В(µ) – коэффициент, h – толщина мембраны.

Коэффициент В(µ) рассчитывается как $\frac{3}{4}\sqrt{1+{\mu }^2}$. Анализируя зависимость (формула (2.2)) прогиба мембраны w от избыточного давления P, можно определить двухосный модуль упругости Е/(1-µ):

$\text{P}={\text{C}}_1\times \frac{{\sigma }_0\times \text{h}\times \text{w}}{{\text{a}}^2}+{\text{C}}_2\times \frac{\text{E}\times \text{h}\times {\text{w}}^3}{\left(1-\mu \right)\times {\text{a}}^4}$, (2.2)

где P – избыточное давление,  – остаточные механические напряжения в структуре при P = 0, – толщина мембраны, w – прогиб мембраны, а – радиус мембраны, E – модуль Юнга, µ – коэффициент Пуассона.

Значение двухосного модуля упругости Е/(1-µ) вычисляют на пологой области зависимости (2.2) при больших значениях прогиба мембраны w, т. е. значением первого слагаемого можно пренебречь (формула (2.3)):

$\frac{\text{E}}{1-\mu }=\frac{\text{P}\times {\text{a}}^4}{{\text{C}}_2\times \text{h}\times {\text{w}}^3}$ (2.3)

Радиационное облучение осуществлялось посредством использования установки гамма-облучения с ионизирующими источниками кобальт-60. Мощность обручения составляет 77 рад /с, время набора дозы в 1 мегарад составляет 3 ч 36 мин. Для каждой дозы облучения измерялось по 5 образцов. Итоговое значение механической прочности и двухосного модуля упругости материала алюминия определялось как среднее арифметическое.

Экспериментально были определены значения избыточного давления разрыва. Во всех случаях мембранные структуры выдерживают избыточное давление не менее 1.6 атм, что позволяет использовать данные конструкции в вакуумной среде. На рис. 4 показаны результаты измерений механической прочности. Согласно литературным данным, значение механической прочности композитной пленки Al-12.6%Si составляет 9.0 ГПа [6].

 

Рис. 4. Зависимость механической прочности от дозы облучения, где треугольником обозначены литературные данные, а ромбиками – данные, полученные в ходе проведения экспериментов для данной работы. По оси х – D – доза облучения, измеряемая в Мрад, по оси у – σ – механическая прочность, измеряемая в ГПа

 

На рис. 5 показаны результаты расчета двухосного модуля упругости по формуле (2.3). Согласно литературным данным двухосный модуль упругости составляет 106 ГПа при коэффициенте Пуассона тонкопленочного материала алюминия составляет 0.34 и модуле Юнга 70 ГПа [7].

 

Рис. 5. Зависимость двухосного модуля упругости от дозы облучения, где треугольником обозначены литературные данные, а квадратами – данные, полученные в ходе проведения экспериментов для данной работы. По оси х – D – доза облучения, измеряемая в Мрад, по оси у – E/(1-μ) – двухосный модуль упругости, измеряемый в ГПа

 

Рис. 6. Анализ размера зерен: a) – фотография с РЭМ; (b) – результат анализа для дозы 0 Мрад

 

Из графиков выше можно заметить, что с увеличением дозы радиационного облучения значение механической прочности уменьшается с 61 до 45 ГПа (27%), величина двухосного модуля упругости уменьшается c 115 до 103 ГПа (11%). В результатах работы [8] указано, что по результатам моделирования величина удлинения алюминия снижается на 62% после облучения материала.

С помощью программы ImageJ сделан расчет количества зерен и их площади в области мембран. Изображение для анализа получено на микроскопе. Данная программа используется в мировом сообществе для подсчета количества частиц на образце [9].

Результат анализа размера зерен для различной дозы облучения при фиксированной площади анализа показал, что при увеличении дозы излучения до 6 Мрад количество зерен увеличивается от 468 до 635, а средний размер зерен уменьшается от 29.3 до 22.1 нм.

Также для определения размера зерен использовался рентгеновский дифрактометр Rigaku с длиной волны излучения 1,541 Å, напряжении на рентгеновской трубке 40 кВ и анодном токе 30 мА. Обобщенные результаты показаны на рис. 7.

 

Рис. 7. Зависимость размера зерен и шероховатости от дозы облучения. По оси х – D – доза облучения, измеряемая в Мрад, по основной оси у – S – размер зерен, измеряемый в нанометрах по вспомогательной оси у – Ra – шероховатость поверхности, измеряемая в нанометрах

 

Таким образом, результаты анализа поверхности объясняют эффект уменьшения механической прочности в процессе облучения за счет уменьшения размера зерна и шероховатости на тонкопленочной алюминиевой мембране. Различные авторы проводили оценку механической прочности материалов от размера зерен по прямому и обратному закону Холла–Петча [7]. В работе [10] указано, что для диапазона размера зерен металлов от 10 до 35 нм работает обратный закон Холла–Петча, т. е. механическая прочность прямо пропорциональна корню из размера зерна (${\sigma }_{макс}~\sqrt{d}$). Для данного диапазона размера зерен характерен тип деформации в виде перемещения решеточных дислокаций из тройных стыков границ зерен при скольжении границ зерен. Полученные тенденции в текущей работе (при размере зерен от 22.1 до 29.3 нм) совпадают с тенденциями работы [10].

Очевидно, что при увеличении количества зерен возрастает количество межзеренных границ. Это ведет к возрастанию вероятности критической деформации при аналогичном значении избыточного давления (рис. 8).

 

Рис. 8. Изменение количества межзеренных границ: (a) – до облучения; (b) – после облучения

 

Выводы. Определено влияние радиационного облучения на механические свойства тонких пленок на примере тонкой монослойной мембраны из алюминия. С увеличением дозы радиационного облучения до 6 Мрад значение механической прочности уменьшается с 61 до 45 ГПа (27%), величина двухосного модуля упругости уменьшается c 115 до 103 ГПа (11%). Данный эффект можно объяснить уменьшением размера зерна и шероховатости на тонкопленочной алюминиевой мембране. Для размера зерен алюминия от 22.1 до 29.3 нм используется обратное соотношение Холла–Петча. В процессе исследований было определено, что в процессе облучения увеличивается количество межзеренных границ и количества самих зерен, что ведет к возрастанию вероятности деформации.

Сравнивая полученный эффект с результатами работ других исследователей [11, 12] можно заметить, что подобные эффекты изменения механических свойств (механической прочности, жесткости, двуосного модуля упругости) от радиационного воздействия многослойных структур были выявлены ранее, но для других материалов и изготовленных другим методом. Например, в статье [13] приведены результаты измерения механической прочности меди и стали при разных температурах облучения. В работе [14] представлены результаты исследования на радиационную стойкость материала кремния макротолщины. Часто в качестве материала исследований выбирают кремний и материалы на его основе, например карбид кремния [15]. Проводят исследования радиации на свойства материала толстого алюминия, использующегося в ядерных реакторах [16, 17].

В мировой практике исследование влияния эффекта радиационного облучения для материал тонкопленочного Al, полученного методом магнетронного осаждения, проведено ранее не было, что подтверждает новизну данного экспериментального исследования.

Благодарности. Работы выполнены на оборудовании ЦКП “МСТ и ЭКБ” НИУ МИЭТ при поддержке гранта Президента РФ (№ МК-1692.2022.4).

About the authors

N. A. Dyuzhev

National Research University of Electronic Technology (MIET)

Author for correspondence.
Email: bubbledouble@mail.ru
Russian Federation, Zelenograd, Moscow, 124498

E. E. Gusev

National Research University of Electronic Technology (MIET)

Email: bubbledouble@mail.ru
Russian Federation, Zelenograd, Moscow, 124498

E. O. Portnova

National Research University of Electronic Technology (MIET)

Email: bubbledouble@mail.ru
Russian Federation, Zelenograd, Moscow, 124498

M. A. Makhiboroda

National Research University of Electronic Technology (MIET)

Email: bubbledouble@mail.ru
Russian Federation, Zelenograd, Moscow, 124498

References

Supplementary files