Nowa metoda pomiaru twardości dielektryków

Nowa metoda pomiaru twardości dielektryków

Naukowcy z amerykańskiego National Institute of Standards and Technology (NIST) opracowali nową metodę testowania twardości materiałów dielektrycznych, która może wpłynąć na poprawę niezawodności urządzeń elektronicznych. Co więcej, metoda pomiaru odporności materiału na pękanie wykorzystuje narzędzia, które większość producentów mikroelektroniki i tak posiada.

Jakość wykonania materiałów dielektrycznych odgrywa dziś w urządzeniach elektronicznych oraz obwodach zintegrowanych coraz większą rolę, gdyż konsekwentnie zmniejszane są ich rozmiary. Obwody zintegrowane są miniaturowymi obwodami elektrycznymi zbudowanymi z warstw rezystorów, tranzystorów i kondensatorów. Warstwy te muszą być izolowane cienkimi powłokami z dielektryków. Gdy obwody stają się coraz mniejsze, robi się coraz ciaśniej i projektanci zmuszeni są do ‘dziurkowania’ powłok izolujących, co czyni je bardziej podatnymi na uszkodzenia.

Robert Cook z NIST, który pracował kiedyś nad powłokami dielektrycznymi dla IBM stwierdził, że wrażliwość materiału jest dla producentów chipów problemem, z którym borykają się os długiego czasu. „Te szkliste, kruche materiały pękały co stanowiło główny problem w kontekście zintegrowania ich w produkcji z chipami i szacowania ich późniejszej niezawodności.” – powiedział Cook.

Elastyczność, plastyczność i siły konieczne do wyginania materiału dielektrycznego są mierzone do 20 lat za pomocą badania nanowgłębnikowego. Proces polega na przyciskaniu do materiału diamentowej końcówki i obserwowaniu powstających deformacji. Cook oraz jego kolega, Dylan Morris twierdzą, że określili twardość materiału wykorzystując bardzo podobną metodę tyle, że zmienili nieco nanowgłębnikową sondę.

„Wciąż wykorzystujemy diamentową sondę tyle, że jest ona bardziej ‘zaostrzona’.” – stwierdził Cook. „Większość wykorzystywanych diamentów charakteryzuje się kątami rzędu 140 stopni. Sonda, którą wykorzystujemy do oceny twardości zawiera diament o kącie 80 do 90 stopni.” – dodał.

Sonda jest przyciskana do powłoki dielektrycznej przez co tworzy miniaturowe nano-pęknięcia. Następnie naukowcy obserwują kształty i rozmiary tych pęknięć za pomocą mikroskopu elektronowego. „Musimy dokładnie zinterpretować co oznaczają określone rozmiary i kształty pęknięć.” – dodał Morris.

Cook i Morris opracowali mechaniczne modele pękania, które biorą pod uwagę takie parametry, jak: siła wciskania, grubość powłoki, jej naprężenie, a także elastyczne właściwości powłoki oraz krzemowego podłoża. „Model opiera się na mechanice pękania oraz kontaktu, a do jego analizy wystarczy niedrogie oprogramowanie.” – powiedział Morris.

Uzyskane w ten sposób informacje dają producentom mikroelektroniki obraz sił powodujących uszkodzenie materiału, a także koniecznej grubości, by pęknięć uniknąć.

Morris stwierdził, że model mechaniki pękania jest dostępny dla wszystkich producentów, którzy będą chcieli z niego skorzystać. Wyraził również nadzieję, że rozpowszechnienie się modelu wpłynie na niezawodność obwodów zintegrowanych.

(lk)