第四章 實驗結果與討論
4.8 栓塞結構覆蓋銅金屬於電漿處理前後之性質分析
拴塞結構中製備奈米碳管，並於表層濺渡金屬銅，分別將電漿處 理前後之拴塞結構，覆蓋厚度 300nm 之金屬銅，以奈米壓痕量測系 統進行微結構之機械性質分析(Nano Indenter XP System)，力量控制模 式下施以負載10、30、50mN，負載卸負載次數一次，連續勁度量測
圖4-8(d)掃瞄尺寸為 1.5x1.5μm，由圖中量測得之表面粗糙度可發現，
栓塞結構中奈米碳管於電漿處理後披覆銅金屬層，在 3μm 之掃瞄尺 寸下，粗糙度從124.99nm 降為 102.01nm，而在 1.5μm 之掃瞄尺寸下，
粗糙度則從54.422nm 降至 47.159nm，其比較如表 4-6 所示。
4.8.3 力量控制模式下之負載-卸負載曲線之分析
圖 4-8(e)及 4-8(f)分別為電漿處理前後之栓塞結構於力量控制模 式下之負載-卸負載曲線圖，由圖中可觀察得，於相同之壓痕負載設 定，未經電漿處理結構之下壓深度約在 1200nm 到 1700nm 之間，而 電漿處理後結構下壓深度則為800nm 到 1000nm 之間。
表4-7 為電漿處理前後之栓塞結構披覆銅金屬層，經奈米壓痕儀 量測之硬度及楊氏係數比較，由表格之比較可發現，電漿處理後奈米 碳管與銅金屬層異質接合之楊氏係數及硬度，較未經電漿處理之結構 高出2.5 倍，且觀察表格 4-6 可發現，未經電漿處理之異質接合介面，
隨負載設定之增加，硬度值提升約1.5 倍、楊氏係數提升約 1.10 倍，
而經電漿處理後之異質接合介面則提升硬度 1.75 倍、楊氏係數 1.15 倍，其比較如圖4.8(g)。
4.8.4 連續勁度量測模式下之機械性質分析
中，試片如表面粗糙度較高，探針下壓時可能先碰觸到未與碳管緊密 附著之銅金屬，受壓之銅金屬沒有底部奈米碳管支撐，造成量測時位 移與變形量之誤差，如示意圖 4-8(i)所示，因此於電漿處理後，試片 表面之平坦化有助於提升奈米壓痕量測之準確性。
III. 於先前實驗中曾探討得知，奈米碳管於奈米壓痕量測實驗 時，隨探針下壓深度之增加，奈米碳管給予探針之側向阻力愈強，因 此隨探針下壓之深度增加，量測得之硬度愈高，此為壓印奈米碳管時 特有之現象，而在栓塞結構覆蓋銅金屬層之後發現，電漿處理後之結 構，增加負載時硬度提升約為 1.75 倍，而未經電漿處理之結構硬度 提升則為1.5 倍，此結果顯示同為披覆銅金屬層，經電漿處理之結構 在奈米壓痕提高負載下硬度之提升較為明顯，能夠較明確表現奈米碳 管之特性，因此推論於電漿處理後，栓塞結構中奈米碳管與銅金屬之 異質接合有較佳之接合強度。
(a)
(c) (d)
(b)
(h) (g)
(e) (f)
圖4-1 不同溫度前處理之觸媒島狀化顆粒及奈米碳管生長形貌 (a)(e)700°C ,(b)(f)600°C ,(c)(g)550°C ,(d)(h)500°C
(a)
(b)
(c)
圖4-2 通乙烯氣體時導入不同流量之氫氣 (a)50 (b)100 (c)200sccm
(a)
(b)
(c)
圖 4-3 通入乙烯氣體時設定不同之流量 (a)10 (b)20 (c)30 sccm
(a)
(b)
圖 4-4 於栓塞結構中製備奈米碳管(a)倍率 5K (b)倍率 10K
(a)
(b)
圖4-5 栓塞結構中奈米碳管之電漿後處理(a)倍率 5K (b)倍率 10K
圖 4-6 栓塞結構中奈米碳管於不同時間電漿處理後之 FTIR 光譜圖
800 1200 1600
0
Intensity(A.U.)
Wave number cm-1
0 min C-N
1045c
1 min 5 min 10 min
m-1
10mN
30mN
50mN
圖 4-7(a) 電漿處理前栓塞結構之奈米壓痕表面形貌
10mN
30mN
50mN
圖4-7(b) 電漿處理後栓塞結構之奈米壓痕表面形貌
0 200 400 600 800 1000
Load On Sample (mN)
Displacement Into Surface (nm) 10 mN
Load On Sample (mN)
Displacement Into Surface (nm) 10 mN
30 mN 50 mN
圖 4-7(d) 電漿處理後之栓塞結構負載-卸負載曲線圖
SiO
2Resistance
SiO
2Resistance
圖 4-7(e) 探針下壓阻力隨負載增加示意圖
10mN
30mN
50mN
圖4-8(a) 電漿處理前內連線結構之奈米壓痕表面形貌
10mN
30mN
50mN
圖 4-8(b) 電漿處理後內連線結構之奈米壓痕表面形貌
圖 4-8(c) 掃瞄尺寸 3 x 3μm 之電漿處理前(上圖)後(下圖)栓塞結構原 子力顯微鏡觀察圖
圖4-8(d) 掃瞄尺寸 1.5 x 1.5μm 之電漿處理前(上圖)後(下圖)栓塞結構 原子力顯微鏡觀察圖
0 400 800 1200 1600 2000
Load On Sample (mN)
Displacement Into Surface (nm) 10 mN
30 mN 50 mN
圖 4-8(e) 電漿處理前之內連線結構負載-卸負載曲線圖
0 200 400 600 800 1000 1200
0
Load On Sample (mN)
Displacement Into Surface (nm) 10 mN
30 mN 50 mN
圖4-8(f) 電漿處理後之內連線結構負載-卸負載曲線圖
0 20 40 6
0 150 300 450 600
Displacement Into Surface (nm) non-treated
plasma treated
0 150 300 450 600
Displacement Into Surface (nm) non-treated
plasma-treated
圖4-8(h) 電漿處理後內連線結構之連續勁度量測圖
圖4-8(i) 電漿處理前(上圖)後(下圖)之銅金屬覆蓋奈米碳管示意圖
SiO
2Si
SiO
2Si
表 4-1 使用 Thermal CVD 製備奈米碳管之參數，溫度欄之 X = 700、600、550、500
Step Temp.(°C) H2 (sccm) C2H4 (sccm) N2 (sccm)
Ramp X 0 0 1000 Soak X 300 0 1000 Soak X 0 50 1000 Cool X 0 0 1000
表 4-2 使用 Thermal CVD 製備奈米碳管之參數，欄中之氫氣流量為 X = 50、100、200
Step Temp. (°C) H2 (sccm) C2H4 (sccm) N2 (sccm) Ramp 600 0 0 1000 Soak 600 300 0 1000 Soak 600 X 50 1000 Cool 600 0 0 1000
表 4-3 使用 Thermal CVD 製備奈米碳管之參數，欄中之氫氣流量為 X = 10、20、30
Step Temp. (°C) H2 (sccm) C2H4 (sccm) N2 (sccm)
Ramp 600 0 0 1000 Soak 600 300 0 1000 Soak 600 100 X 1000 Cool 600 0 0 1000
表 4-4 使用 PE-CVD 於栓塞結構電漿後處理之 SEM 觀察圖 Parameter Set
Gases NH3：700sccm Process Temp 300°C
Aux Temp 250°C Chamb Pressure 300 mTorr
RF Power 400W
表 4-5 栓塞結構於電漿處理前後之硬度及楊氏係數比較 Sample Load Hardness(GPa) Modulus(GPa)
CNT 10 mN 1.03 ±0.13 46.2 ± 4.7 CNT 30 mN 2.12 ±0.34 67.1 ± 4.9 CNT 50 mN 2.79 ±0.54 77.9 ± 6.6 CNT-plasma 10 mN 2.79 ±0.54 62.9 ± 12 CNT-plasma 30 mN 4.37 ±0.78 94.4 ± 9.0 CNT-plasma 50 mN 5.97 ±1.44 109.1 ± 12
表 4-6 電漿處理前後栓塞結構粗糙度之比較 Sample 1.5μm 3μm Plasma treated 47.159 nm 101.01 nm
None treated 54.522 nm 124.99 nm
表 4-7 內連線結構於電漿處理前後之硬度及楊氏係數比較 Sample Load Hardness(GPa) Modulus(GPa) Via-plasma 10 mN 0.64 ±0.20 69.9 ± 8.1 Via-plasma 30 mN 1.14 ±0.42 79.1 ± 16 Via-plasma 50 mN 2.01 ±0.73 91.6 ± 16 Via 10mN 0.25 ±0.04 39.8 ± 4.5 Via 30 mN 0.44 ±0.06 43.2 ± 4.4 Via 50 mN 0.61 ±0.11 48.3 ± 4.6