بررسی سختی فیلم‌های نازک عایق در مدارات مجتمع

محققان موسسه ملی استاندارد و فناوری روش جدیدی برای اندازه‌گیری سختی (مقاومت به شکست) فیلم‌های نازک عایق توسعه داده‌اند؛ این فیلم‌های نازک نقشی اساسی در توسعه مدارات مجتمع با کارایی بالا ایفا می‌کنند.

محققان موسسه ملی استاندارد و فناوری روش جدیدی برای اندازه‌گیری سختی (مقاومت
به شکست) فیلم‌های نازک عایق توسعه داده‌اند؛ این فیلم‌های نازک نقشی اساسی در
توسعه مدارات مجتمع با کارایی بالا ایفا می‌کنند. این روش جدید می‌تواند
اطمینان‌پذیری و قابلیت تولید مدارات مجتمع را افزایش داده و خبر خوب اینکه
تولیدکنندگان قطعات میکروالکترونیکی پیشرفته می‌توانند از همان تجهیزات موجود،
برای بهره‌گیری از این روش استفاده کنند.

مشکلی که تولیدکنندگان قطعات الکترونیکی پیشرفته با آن مواجه هستند، استحکام
مکانیکی لایه‌های دی‌الکتریک دارای k پایین است. این لایه‌ها فیلم‌های عایق با
ضخامت تنها چند میکرومتر می‌باشند که بین لایه‌ها و قطعات رسانا در
میکروپردازنده‌ها و ابزارهای نیمه‌رسانای دیگر قرار داده می‌شوند.

با کوچک‌تر شدن قطعات مدارات مجتمع (همانند ترانزیستورها) و نزدیک‌تر شدن آنها
به یکدیگر، طراحان با ایجاد فیلم‌های نازکی که حفرات نانومتری زیادی دارند، از
ایجاد اتصالات الکتریکی بین این قطعات جلوگیری می‌کنند؛ اما حفره‌ای بودن این
فیلم‌های نازک، موجب کاهش استحکام مکانیکی آنها و در نتیجه شکننده بودنشان می‌شود.
شکستن و ترک خوردن این فیلم‌های نازک عایق همچنان یکی از مشکلات صنعت بوده و در
نتیجه بهره تولید و اطمینان‌‌پذیری محصول را کاهش می‌دهد. تاکنون روش دقیقی
برای اندازه‌گیری شکنندگی این فیلم‌ها وجود نداشته است و این امر طراحی قطعات
دی‌الکتریک پیشرفته را دشوار می‌سازد.

محققان NIST بر این باورند که روشی به نام nanoindentation برای حل این مشکل
یافته‌اند. در این روش یک جسم سخت و نوک‌تیز (یک سوزن الماسی) روی سطح فشار
داده می‌شود و میزان فشار مورد نیاز برای تغییر شکل ماده اندازه گرفته می‌شود.
حدود ۲۰ سال است که محققان دریافته‌اند چگونه الاستیسیته و پلاستیسیته (نیروی
مورد نیازبرای خم کردن یک ماده به صورت موقتی یا دائمی) مواد را در مقیاس‌های
بسیار کوچک توسط نانودندانه‌ها اندازه‌گیری کنند. اما اندازه‌گیری سختی، که
نیروی مورد نیاز برای شکستن ماده است، دشوارتر بوده است. این کار در مورد فیلم‌های
نازک دشواری خاصی دارد، زیرا این فیلم‌ها به اجبار روی یک ماده سخت‌تر همانند
سیلیکون قرار می‌گیرند. روش جدید به یک تغییر کوچک در تجهیزات نانودندانه‌ای، و
یک تغییر بزرگ در تئوری نیاز دارد. فشار دادن دقیق فیلم‌های نازک، ترک‌هایی به
اندازه ۳۰۰ نانومتر تولید می‌کند که توسط میکروسکوپ الکترونی اندازه‌گیری می‌شوند.
چگونگی ایجاد این ترک‌ها به عوامل مختلفی همچون نیروی فشار، ضخامت فیلم، کشش
فیلم، و ویژگی‌های الاستیک فیلم و بستر سیلیکونی وابسته است. این متغیرها در یک
مدل مکانیک شکست جدید مد نظر قرار گرفته‌اند که نه تنها مقاومت شکست، بلکه
مقدار کلیدی دیگری به نام ضخامت بحرانی فیلم برای شکست خودبه‌خودی را پیش‌بینی
می‌کند.

نتایج این پژوهش در Journal of Materials Research منتشر شده است.