氮化硅薄膜力学性能的纳米压痕测试与分析张良昌, 许向东, 吴志明, 蒋亚东, 张辉乐电子科技大学，成都（610054）E-mail：zcclhl@摘要：纳米压入法在薄膜材料力学性能测试领域中有着广泛的应用。

本文利用纳米压入技术对PECVD氮化硅（SiNx）薄膜的力学性能进行了测量与分析，通过对加载卸载曲线的分析，得到了SiNx薄膜的杨氏模量为226GPa。

此外，本次试验对氧化硅（SiOx）薄膜、SiNx 与SiOx薄膜的复合膜也进行了测试。

结果表明，薄膜的应力变化导致其杨氏模量随之发生改变。

关键词：氮化硅纳米压入机械性能薄膜中图分类号：TB1．引言随着微电子机械系统（MEMS）的快速发展与不断深入，薄膜材料的性能越来越为人们所重视。

薄膜材料的力学性能对产品的设计、制造及可靠性分析具有重要意义。

其中，材料的杨氏模量（E）倍受关注。

人们对薄膜力学性能的研究早在19世纪末已经开始。

从那时起，各种测量方法和测量理论便不断涌现出来，这些方法大致可以分为两类：一类是直接测量方法，它是根据力学量的定义来测量的方法，如单轴拉伸法[1]；另一类是间接测量方法，它是通过测量由于力学量而引起的某些物理性能的改变来计算力学量的方法，如共振频率法[2]、声表面波法[3]等。

除此之外国内外还报道了还有其它测试方法：衬底弯曲法[4]、微桥法[5]、鼓泡法等[6]。

近10多年来，纳米压痕技术发展较快。

由于试样安装简单、仪器分辨率高、作用区域小、可以直接在器件上测量，纳米压入法成为现阶段广泛使用的薄膜材料力学性能测量方法[7,8]。

另一方面，氮化硅因其特殊的光学、电学、机械、化学惰性等性能，广泛被应用做减反射膜、钝化层、支撑层及介电薄膜。

而氮化硅薄膜的力学性能将密切影响材料质量与器件性能，是一个关键性指标。

目前为止，许多文献一般只报道SiNx薄膜应力、或杨氏模量的单独测量结果，这种现象影响到人们对相关材料的全面、准确评价。

本文通过膜层结构的改变促使薄膜的力学性能发生变化，同时，还对相关薄膜的应力和杨氏模量进行了综合评估。

2. 杨氏模量的测量原理在压头压入材料时，弹性和塑性形变同时发生，因此在卸载压头的过程中，塑性形变无法还原，这将有利于材料力学性能的测量。

图1为典型的加载卸载（P-h）曲线图。

图中Pt代表最大载荷，h t是最大压入深度，S 是接触刚度（卸载曲线的初始斜率），h c是接触深度。

图1典型的纳米压痕加载卸载曲线对于载荷位移曲线进行弹性模量的测试工作始于20世记70年代初期，Bulychev 等对此进行了深入的研究，得到有效弹性模量计算公式A S E βπ2=∗ （1）式中β位于压头形状有关的参数，对于berkovich 压头β＝1.034。

由图1的曲线计算所得到的有效弹性模量数据，是考虑了压头与样品均发生了弹性形变，有效弹性模量与样品的弹性模量之间的关系由下式给出i i E E E 22111νν−+−=∗ （2）其中ν为样品的泊松比，i ν和i E 分别为压头的泊松比和弹性模量，对于金刚石压头，i ν＝0.07，i E ＝1050GPa 。

在计算面积A 时，采用最常用的Oliver-Pharr [9]法进行分析。

对于理想的berkovich 压头的接触面积的投影面积函数一般可以用下列函数表示∑=−+=8021256.24i c i cli i h C h A （3）3、实验与分析3.1 试验设备本文中的试验是在纳米压痕/划痕仪（Nano-Hardness/Scratch Tester ，CSM Instruments ，瑞士）上进行的。

该设备实验载荷最大为300mN ，最小可以达到0.1mN ，能得到材料的表层硬度和弹性模量。

实验数据的采集和处理由计算机软件控制，并可利用该软件灵活设置实验步骤，选择实验参数来研究材料的力学性能以及它们随时间的变化规律。

此外，通过配套的光学显微镜系统可以选择感兴趣的微区对材料进行试验。

在实验条件确定时，纳米压痕/划痕仪所测得的载荷-位移曲线主要与压头的几何形状和材料力学性能等参数相关[10]。

由于金刚石具有很高的硬度和弹性模量，能够减小压头在压入过程中本身的变形，所以被广泛的用作压头材料。

为了在最小的范围内测试材料的硬度和弹性模量，优选berkovich 压头，由于三棱锥压头与四棱锥vickers 或者knoop 压头相比，更容易形成一个锋利的尖端[11]。

本次是试验中便是利用berkovich 压头来进行测试的。

3.2 样品准备本次试验样品是在PECVD (Orion II, Trion)设备上沉积的，射频源频率为13.56MHz 。

典型参数为：沉积温度为300C °；射频功率为600W ；工作气压0.6Torr ；气体流量比NH 3/SiH 4、N 2O/SiH 4分别为200/250 sccm 、100/150 sccm 。

试验选用厚度为500nm 的单面抛光Si （100）片作为衬底材料。

首先分别用丙酮和甲醇超声清洗基片各5分钟，然后立即放入5％的稀氢氟酸溶液中清洗90秒，用去离子水洗净吹干后放入PECVD 设备待沉积。

对于复合膜的沉积，首先在Si 片上沉积一层SiOx 薄膜，然后再沉积SiNx 薄膜，其它工艺参数不变。

用椭偏仪及扫描电子显微镜（SEM ）对样品厚度进行测量，SiNx 和SiOx 薄膜层的厚度分别为110nm 和550nm 。

3.3试验与分析考虑到薄膜弹性、塑性变形、薄膜厚度和纳米压入仪测试精度的要求，本次试验对SiNx 、SiOx 薄膜及其复合膜的压入深度分别为50nm 、100nm 和50nm 。

主要试验参数为：压入速度10mN/min ；最大载荷保载时间2sec ；每个样品压入10点，点间距为30um 。

L o a d (m N )020*********0.40320.7711.14721.52541.8666L o a d (m N )Displacement (nm)(b)010********0.07770.25590.43270.5997L o a d (m N )Displacement (nm)(c)图2 载荷－压深（P －h ）曲线：（a ）SiNx ；（b ）SiOx ；（c ）SiNx/SiOx 复合膜；对试验加载卸载曲线进行整理。

图2为试验记录的三种样品的载荷位移曲线。

通过对加纳米压痕加载卸载曲线的计算，可以得到10次测量的统计结果，如图3所示。

SiNx 的平均杨氏模量为226GPa ，略小于文献报道值290GPa [12]。

究其原因，一方面可能是由于压头压入深度过深，达到薄膜厚度的50%，测量结果受到基底的影响所致；另一方面，从图中可以看出加载曲线与卸载曲线有着明显的差别，说明压入过程中有塑性变形的产生，因此，可以认为薄膜内存在着大量的缺陷，破坏了薄膜的晶体结构，降低了薄膜的致密性，其杨氏模量因此而降低。

我们利用拉曼光谱法测量了样品的残余应力，其结果为358MPa ，说明薄膜内存在较大的残余应力。

因此改善薄膜结构，调节其力学性能显得尤为重要。

H (G P a )X Axis Title图3 纳米压入法测试统计结果通过观察发现，图（a ）与图（c ）中加载与卸载曲线有所不同，说明两次沉积的氮化硅薄膜杨氏模量产生了变化。

通过测量SiNx/SiOx 复合膜得到的SiNx 薄膜的杨氏模量平均值为143GPa ，远小于测量单层膜所得到得结果226GPa 。

由于样品沉积工艺参数相同，所以结果变化应是由于不同薄膜结构导致的。

图（a ）中的样品是直接在Si 基底上沉积一层SiNx 薄膜，而图（c ）中的样品结构是在SiNx 和Si 基底之间加入了SiOx 薄膜过渡层。

通过图（b ）P －h 曲线计算得到SiOx 薄膜的杨氏模量平均值为97GPa ，比Si 基底稍软。

由于压入深度过深，SiOx 过渡层的引入将会导致测量杨氏模量值的稍稍减小。

值得注意的是，有研究表明，单层SiNx 薄膜在压入深度达到50％的时候，其杨氏模量变化不大[13]，其结论得到了我们试验的验证。

由此可以认为压入深度并不是导致本次试验杨氏模量发生巨大变化的主要原因。

其根本原因在于SiOx 薄膜过渡层的引入，使SiNx 薄膜的内部结构产生了微妙的变化。

为了更深入的理解SiOx 薄膜对样品结构造成的影响，试验对复合膜的应力进行了测试与分析。

试验数据显示，由于二氧化硅过渡层的引入，使110nm 氮化硅薄膜应力由张应力（+358 MPa ）变为压应力（-57 MPa ），薄膜杨氏模量由226 GPa 减少到143 GPa 。

这是因为在本次试验中，PECVD 系统沉积的SiNx 薄膜呈现张应力，而SiOx 薄膜呈现压应力，因此通过SiOx 过渡层的引入，使SiNx 表面膜的残余应力由张应力向压应力转变，由此导致氮化硅薄膜中Si-N 等化学键长度、强度等发生变化，薄膜杨氏模量、硬度因此改变。

SiNx 薄膜的应力特性和机械强度对薄膜器件的影响非常大。

一方面较大的应力会造成薄膜材料的翘曲，脱落，断裂等，从而影响器件的整体性能；另一方面薄膜的机械性能如杨氏模量和硬度是器件设计中一个必须考虑的重要环节，SiNx 薄膜在微结构器件中经常被用作保护层、支撑层，因此材料的杨氏模量和硬度足够大也是保证器件正常工作的重要因素。

本文研究表明，利用SiOx 薄膜作为过渡层，可以减小SiNx 薄膜的残余应力，满足器件设计的要求，但是由于SiOx 薄膜过渡层的引入，导致了SiNx 薄膜材料杨氏模量的减小，这对器件设计来说，也是一个弊端。

因此，通过改变薄膜的结构，调节其力学性能，制作出满足器件设计要求的薄膜材料是一项非常紧迫的任务。

4．结论试验利用纳米压痕法测量了单层SiNx薄膜以及SiNx/SiOx复合薄膜的杨氏模量，讨论了SiOx薄膜过渡层的引入对SiNx薄膜杨氏模量的影响。

并对残余应力和杨氏模量进行了综合分析与评估，从内部结构方面分析了薄膜的力学性能变化，对今后制作满足器件设计要求的薄膜材料给出了的建议。

参考文献[1] C. A. Neugebauer ．Tensile properties of thin evaporated gold film. Appllied Physics [J]．31:1096-1101, 1960[2] L. Buchaillot, E. Farnault, M. Hoummady, et al ．Silicon nitride thin films Young's modulus determination by an optical nondestructive method [J]．Appllied Physics, 36: 794-797, 1997[3] L. Yung-Chun, J. O. Kim, J. D. Acheribach ．Measurement of elasticconstants and mass density of acoustic microscopy [J]．IEEE Proceedings of Ultrasonics Symposium, 1:607-612, 1993[4]钱劲,刘澄,张大成,等．微电子机械系统中的残余应力问题 [J]．.机械强度,23(4):393-401, 2001[5]宗登刚,王钻开,陆德仁,等．微桥法研究低应力氮化硅力学特性及误差分析 [J]．机械强度,25(4):395-400, 2003[6] O.Tabata, K.Kawahata, et al ．Mechanical property measurements of thin films using load-deflection of composite rectangular membranes [J]．Sensors and Actuators, 20:135-141, 1989[7] M. Martyniuk, J. Antoszewski, et al ．Determination of mechanical properties of silicon nitride thin films using nanoindentation [J]．Proc. of SPIE, 5798:216-225, 2005[8] Z..M..Zhou, Y. Zhou, et al ．The evaluation of Young’s modulus and residual stress of copper films by microbridge testing [J]．Sensors and Actuators A, 127:392-397, 2006[9] W.C. Oliver, G.M. Pharr ．An improved technique for determining hardness and elastic modulus using load and displacement sensing indentation experiments [J]．Journal of Materials Research, 7:1564-1583, 1992[10] 张静宜．铜、单晶硅与镍钛形状记忆合金的径向纳动研究[D] ．四川：西南交通大学. 2007[11] 张振宇．基于纳米压痕仪的薄膜力学性能纳米测试与表征研究[D] ．天津：天津大学. 2005[12] P. Walsh, A. Omeltchenko, R.K. Kalia, et al ．Nanoindentation of silicon nitride: A multimillion-atom molecular dynamics study[J] ．Applied physics letter, 28(1):118-120, 2003[13] D. Rats, D. Poitras, et al ．Mechanical properties of plasma-deposited silicon-based inhomogeneous optical coatings[J] ．Surface and Coatings Technology, 111:220-228, 1999Evaluation of the Mechanical Properties of Silicon Nitride Thin Films Using NanoindentationZhang Liangchang,Xu Xiangdong,Wu Zhiming,Jiang Yadong,Zhang Huile University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu(610054)AbstractNanoindentation has been widely used now to determine the mechanical properties of thin films materials. In this paper, nanoindentation is utilized to evaluate the mechanical properties of silicon nitride (SiNx) films prepared by PECVD. The Young’s modulus (E) of SiNx film are calculated to be 226GPa by analyzing the load-displacement curves. In contrast, silicon oxide (SiOx) film and SiNx/SiOx multilayers are also measured in the experiments. The Young’s modulus of SiNx films change as a result of the variation of the residual stress.Keywords：silicon nitride, Young’s modulus, nanoindentation, thin films。