Mechanical and Interfacial Properties Characterization of Physical Vapor Deposited Metallic Films after Rapid Thermal Annealing

आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स की अदृश्य दुनिया में, जिन उपकरणों पर हम प्रतिदिन निर्भर रहते हैं, वे ऐसी सामग्रियों की परतों से बने होते हैं जो इतनी पतली होती हैं कि उन्हें अरबवें मीटर में मापा जाता है। हमारे फोन और कंप्यूटर को शक्ति देने वाले सर्किट बनाने के लिए, इंजीनियर फिजिकल वेपर डिपोजिशन नामक प्रक्रिया का उपयोग करके सिलिकॉन वेफर्स पर एल्युमीनियम और कॉपर जैसी धातुओं को जमा करते हैं। यह तकनीक सतह पर परमाणुओं को एक फिल्म बनाने के लिए छिड़कती है, ठीक वैसे ही जैसे खिड़की पर पाला जम जाता है, लेकिन इसमें मोटाई और गति पर सटीक नियंत्रण होता है। एक बार जब ये फिल्में बिछा दी जाती हैं, तो उन्हें अक्सर रैपिड थर्मल एनीलिंग नामक एक त्वरित, तीव्र हीटिंग प्रक्रिया से गुजारा जाता है। यह चरण विद्युत समस्याओं को ठीक करने और सामग्री को उसके अंतिम कार्य के लिए तैयार करने के लिए डिज़ाइन किया गया है, लेकिन यह धातु की भौतिक प्रकृति को भी बदल देता है। जिस तरह मिट्टी के एक टुकड़े को गर्म करने से उसकी कठोरता और बर्तन से चिपकने की क्षमता बदल जाती है, उसी तरह इन सूक्ष्म धातु फिल्मों को गर्म करने से उनकी मजबूती, उनकी आंतरिक संरचना और सिलिकॉन के साथ उनके जुड़ाव की दृढ़ता बदल जाती है। यह समझना महत्वपूर्ण है क्योंकि यदि धातु की परत टूटती है, निकलती है, या बहुत नरम हो जाती है, तो पूरा इलेक्ट्रॉनिक उपकरण विफल हो सकता है।

नेशनल चेंग कुंग यूनिवर्सिटी, ताइवान के शोधकर्ताओं ने यह मानचित्रण करने का प्रयास किया कि यह हीटिंग प्रक्रिया ठीक कैसे एल्युमीनियम और कॉपर फिल्मों के यांत्रिक स्वास्थ्य को प्रभावित करती है। उन्होंने सिलिकॉन वेफर्स पर इन धातुओं के नमूने बनाए, जिसमें धातु जमा करने की गति और परत की अंतिम मोटाई में भिन्नता रखी गई। फिल्मों को जमा करने के बाद, उन्होंने उन्हें 200 से 500 डिग्री सेल्सियस के तापमान सीमा में रैपिड थर्मल एनीलिंग के अधीन किया। यह देखने के लिए कि क्या हुआ, उन्होंने उपकरणों के एक समूह का उपयोग किया। उन्होंने फिल्मों में एक छोटा हीरा टिप दबाया ताकि उनकी कठोरता और जकड़न को मापा जा सके, सतह को खरोंचकर देखा कि वे घिसावट का कितना विरोध करती हैं, और फिल्मों को खींचकर यह परीक्षण किया कि वे सिलिकॉन से कितनी मजबूती से चिपकी हुई हैं। उन्होंने धातु के दानों (ग्रेन्स) की सूक्ष्म संरचना को भी देखा और सामग्री के भीतर बनने वाले आंतरिक तनाव को मापा।

परिणामों ने एक स्पष्ट 'ट्रेड-ऑफ' (समझौता) का खुलासा किया जिससे इंजीनियरों को तालमेल बिठाना होगा। जैसे-जैसे हीट ट्रीटमेंट का तापमान बढ़ा, धातु की फिल्में नरम और कम सख्त होती गईं। एल्युमीनियम फिल्मों के लिए, तापमान को 500 डिग्री सेल्सियस तक बढ़ाने से सामग्री की जकड़न (स्टिफनेस) लगभग 20 प्रतिशत गिर गई और इसकी कठोरता (हार्डनेस) लगभग आधी रह गई। कॉपर फिल्मों ने एक समान, हालांकि थोड़ा कम नाटकीय रुझान दिखाया, जो लगभग 9 प्रतिशत कम सख्त और 13 प्रतिशत नरम हो गईं। यह कोमलता धातु के आंतरिक परिदृश्य में बदलाव से जुड़ी है; हीटिंग धातु के भीतर छोटे क्रिस्टल दानों को बढ़ने और पुनर्गठन करने की अनुमति देती है, जो सामग्री को शिथिल (रिलैक्स) करती है लेकिन विरूपण के प्रति इसके प्रतिरोध को कम कर देती है।

हालाвँकि, कहानी केवल धातु के कमजोर होने के बारे में नहीं है। वही हीटिंग प्रक्रिया जो धातु को नरम करती है, उसने सिलिकॉन आधार के साथ इसके जुड़ाव को भी बेहतर बनाया। शोधकर्ताओं ने पाया कि उचित एनीलिंग कॉपर फिल्मों की आसंजन शक्ति (एडहेसन स्ट्रेंथ) को लगभग 1 मेगापास्कल से बढ़ाकर 5 मेगापास्कल तक बढ़ा सकती है। यह सुधार सतह में होने वाले परिवर्तनों से प्रेरित प्रतीत होता है। अध्ययन में देखा गया कि जिन नमूनों में अधिक 'सरफेस हिलॉक्स' (सतही उभार) थे, उनमें इंटरफेशियल स्ट्रेंथ कम थी, संभवतः इसलिए क्योंकि इन उभारों ने धातु और सिलिकॉन के बीच प्रभावी संपर्क क्षेत्र को कम कर दिया। जबकि पेपर यह उल्लेख करता है कि रैपिड थर्मल एनीलिंग सतह की आकृति विज्ञान (मॉर्फोलॉजी) को बदल देती है और इन शक्ति विविधताओं के साथ सह-संबंधित है, यह सुझाव देता है कि इन सतह विशेषताओं का प्रबंधन करना एक मजबूत बंधन प्राप्त करने की कुंजी है, बजाय इसके कि केवल यह कहा जाए कि गर्मी इन हिलॉक्स को हटा देती है।

अध्ययन ने यह भी उजागर किया कि तनाव के तहत धातु कैसे व्यवहार करती है। जब शोधकर्ताओं ने एल्युमीनियम फिल्मों को खरोंचा, तो बिना गर्म किए गए नमूने लचीले तरीके से मुड़ गए और विकृत हो गए, ठीक वैसे ही जैसे नरम मिट्टी फैल जाती है। लेकिन जब फिल्मों को 400 डिग्री सेल्सियस से ऊपर के तापमान पर गर्म किया गया, तो उनका व्यवहार नाटकीय रूप से बदल गया। मुड़ने के बजाय, वे भंगुर तरीके से टूटने और छिलने लगे, तेज और नुकीले किनारों के साथ अलग होने लगे। यह बताता है कि जबकि गर्मी धातु को बेहतर तरीके से चिपकाने में मदद करती है, यह सामग्री को तनाव के तहत अचानक दरारें पड़ने के प्रति भी अधिक संवेदनशील बनाती है। फिल्मों के भीतर का आंतरिक तनाव भी गर्मी के साथ बदल गया; आम तौर पर, उच्च तापमान से उच्च अवशिष्ट तनाव (रेसिडुअल स्ट्रेस) उत्पन्न हुआ, हालांकि यह तनाव तब तक शिथिल हो जाएगा जब तक कि तापमान बहुत अधिक न हो जाए।

शोधकर्ताओं ने देखा कि फिल्म की मोटाई और उसे जमा करने की गति ने भी अंतिम परिणाम में भूमिका निभाई। मोटी फिल्मों में बड़े क्रिस्टल ग्रेन होने की प्रवृत्ति थी, संभवतः इसलिए क्योंकि उन्होंने जमाव प्रक्रिया के दौरान ही गर्मी में अधिक समय बिताया था। वाष्पीकरण (इवेपोरेशन) का उपयोग करके बनाई गई एल्युमीनियम फिल्मों ने कॉपर फिल्मों की तुलना में इन प्रसंस्करण परिवर्तनों के प्रति बहुत अधिक संवेदनशीलता दिखाई, जिन्हें स्पटरिंग द्वारा बनाया गया था। यह अंतर परमाणुओं को सतह पर पहुँचाने के तरीके के कारण है; स्पटरिंग विधि, जिसमें लक्ष्य (टारगेट) से गैस परमाणुओं द्वारा बमबारी की जाती है, एक अधिक स्थिर संरचना बनाती है जो बाद की हीटिंग से आसानी से परिवर्तित नहीं होती है।

अंततः, यह कार्य अगली पीढ़ी के माइक्रोचिप्स डिजाइन करने वाले इंजीनियरों के लिए एक व्यावहारिक मार्गदर्शिका प्रदान करता है। यह दिखाता है कि हीट ट्रीटमेंट के लिए कोई एक आदर्श सेटिंग नहीं है; इसके बजाय, एक संतुलन बनाना आवश्यक है। इंजीनियरों को एक ऐसा तापमान चुनना होगा जो इतना पर्याप्त हो कि धातु की फिल्म सिलिकॉन से मजबूती से चिपके और सतह की आकृति को प्रबंधित करे, लेकिन इतना अधिक भी न हो कि धातु विनिर्माण और उपयोग के यांत्रिक तनावों से बचने के लिए बहुत नरम या भंगुर हो जाए। ताप, संरचना और शक्ति के बीच इन विशिष्ट संबंधों को समझकर, डिजाइनर बेहतर भविष्यवाणी कर सकते हैं कि किसी उपकरण का जीवनकाल कितना होगा और यह सुनिश्चित कर सकते हैं कि हमारी डिजिटल दुनिया को थामे रखने वाली सूक्ष्म परतें सुरक्षित रहें।