利用電磁力測定金屬薄膜/基體結合強度的裝置及方法
2023-10-07 03:29:24 3
專利名稱：利用電磁力測定金屬薄膜/基體結合強度的裝置及方法
技術領域：
本發明涉及金屬薄膜/基體結合強度的測試裝置，涉及對用於微電子等行業中膜/基界面結合強度評價的裝置，還涉及膜/基界面結合強度的測定方法。
背景技術：
薄膜材料應用中，膜基之間結合強度的好壞是評價膜層質量的關鍵指標，是保證薄膜滿足力學、物理和化學等使用性能的基本前提，如何正確評價和表徵膜基之間的結合強度，對於大量用於工業中的附著型薄膜材料具有極其重要的實際意義。
由於薄膜尺寸很小，因此在膜基結合強度的測試上存在很大的困難。目前較常用的定量或半定量的評定方法有劃痕法、壓入法等，但是這些方法主要適用於金屬表面的陶瓷薄膜，對於微電子領域廣泛應用的矽基體及其它半導體或絕緣體表面的各類金屬和合金薄膜，迄今尚無公認通用的結合強度評測方法。此外，目前常用的測試方法均屬於一次性加載破壞，與實際工況也不相符。
發明內容
為了克服以上現有技術中存在的缺點和不足，本發明的目的在於提供一種利用電磁力測定金屬薄膜/基體結合強度的裝置，本發明的另一目的是提供一種測定金屬薄膜/基體結合強度的方法，通過在薄膜中產生可控制的電磁力來造成從其附著基體上剝落，從而測試薄膜/基體的結合強度。
為了實現以上目的，本發明的技術方案是，一種利用電磁力測定金屬薄膜/基體結合強度的裝置，包括一個密閉容器12，密閉容器殼體上分別開有進氣孔5、出氣孔2，還鑲嵌有用於連接外界聲發射信號採集設備的聲發射探頭1以及一個用於連接外接直流電源及電流控制系統的電流接線柱3，密閉容器12內部放置有內通循環冷卻水的冷卻臺架8，冷卻水通過管路連接密閉容器12上的進水孔4及出水孔6，密閉容器12內部的冷卻臺架上端面有一對用於固定待測基體的絕緣螺栓7，其上安裝有電極接線柱9和金屬壓頭10。
密閉容器內部的冷卻臺架上端面有可以放置絕緣螺栓的凹槽，或者有不同間距的內螺紋孔，用於固定絕緣螺栓，絕緣螺栓上安裝有電極接線柱和金屬壓頭。
一種利用電磁力測定金屬薄膜/基體結合強度的方法，該方法利用上述裝置，首先通過蒸鍍、磁控濺射等沉積手段於基體上均勻地沉積金屬薄膜，並採用掩膜、光刻技術在基體上形成「工」字形金屬薄膜圖形，將製備好的帶有「工」字形金屬薄膜的基體用絕緣螺栓固定在冷卻臺上端面，擰緊螺栓使得金屬壓頭壓緊「工」字形金屬薄膜的兩邊，將密閉容器置於垂直的磁場中，通入保護氣，同時通入循環冷卻水冷卻基板，然後使金屬薄膜直流導通，調節電流或磁感應強度的大小，使金屬薄膜受到逐漸增大的電磁力的作用，採用聲發射探頭對準「工」字形金屬薄膜，採集薄膜在不同電流或磁感應強度下金屬薄膜的聲音信號，當金屬薄膜所受的電磁力超過膜層對基體的附著力時，金屬薄膜從基體上剝落，此時聲發射設備獲得薄膜從基體上剝落時的臨界聲音信號，利用此時對應的電流強度，以及磁感應強度值，運用公式P=flb=IBb]]>計算得出金屬薄膜/基體結合強度，公式中，P為單位面積電磁力，I為電流強度、B為磁感應強度、b為薄膜寬度、∑f為電磁力，l為薄膜長度。
該發明採用的方法及裝置克服了目前常規評測膜基結合強度的方法及設備所存在的缺點和不足，並且通過模擬實際工況，更能測得與真實值相吻合的膜基界面結合強度，這對於正確評價和表徵工業中特別是微電子行業中膜基之間的結合強度提供了方法及裝置參考，且有望對於微電子領域廣泛應用的矽基體及其它半導體或絕緣體與其表面的各類金屬和合金薄膜之間結合強度的評價提供統一的行業測試標準。
圖1為本發明裝置的示意圖。
圖2是本發明裝置金屬薄膜電極接線柱和金屬壓頭部分的剖面圖。
圖3是本發明工作原理圖。
圖4是本發明實施例的「工」字形金屬薄膜構造及參數說明圖。
具體實施例方式
以下結合附圖以及發明人所提供的實施例，具體說明本發明的裝置及方法。
參見圖1，在密閉的不鏽鋼容器12內部放置有內裝冷卻水的銅冷卻臺架8，不鏽鋼容器12外殼上分別有進氣孔5、出氣孔2、進水孔4和出水孔6，進水孔4和出水孔6分別通過管路接銅冷卻臺架8內部的冷卻水，不鏽鋼容器12頂部和側壁上還鑲嵌有用於外接聲發射信號採集設備的聲發射探頭1和用於外接直流電源及其控制系統的電流接線柱3，銅冷卻臺架8上端面有可以放置兩個絕緣螺栓7的凹槽，根據基體不同大小調整絕緣螺栓在凹槽內的位置，擰緊螺栓使得基體得以固定，或設置不同間距的內螺紋孔，根據基體不同大小調整絕緣螺栓在冷卻臺架上端面的位置，擰緊螺栓使基體得以固定。
參見圖2，絕緣螺栓7將待測基體固定在冷卻臺上時，其上安裝有電極接線柱(9)和金屬壓頭(10)為「T」字形結構。金屬壓頭10壓在「工」字形金屬薄膜試樣的兩端部分，通過電極接線柱(9)和金屬壓頭(10)的「T」字形結構使導電和固定的作用得以結合。
參見圖3本發明方法示意圖，基板11上的金屬薄膜接通直流電後在磁場中將受到電磁力的作用，產生垂直於金屬薄膜的力F，隨著電流I或磁感應強度B的增大，力F也不斷增大，最終使金屬薄膜從基板上剝落。
實施例1，參見圖1、圖2和圖4，通過蒸鍍、磁控濺射等沉積手段於基體上均勻地沉積金屬薄膜，並採用掩模和光刻技術在基體上形成「工」字形圖形，兩邊長為4mm，寬為3mm，線寬為1微米。通過調節絕緣螺栓7的位置，將基板固定在冷卻臺8頂部，擰緊絕緣螺栓7使得金屬壓頭10緊貼「工」字形金屬薄膜材料的兩邊，連接直流電源電流接線柱3和電極接線柱9，將不鏽鋼密閉容器置於垂直的磁場下，為了防止通電時金屬薄膜的氧化，因此通過進氣孔5通入保護氣氬氣，同時通過進水孔4和出水孔6將循環冷卻水通入到冷卻臺8內冷卻基板，這樣一方面可以降低通電時試樣溫度，另一方面也提高了試樣溫度的均勻性。接通直流電，使金屬薄膜中通電流強度為6A的恆定直流電，測試選用的磁感應強度大小分別為6.0T，7.0T，8.0T，9.0T，10.0T和11.0T，用聲發射探頭採集金屬薄膜在不同磁感應強度下的聲音參數，檢測時最好將聲發射探頭對準「工」字形金屬薄膜的「|」字部分，這樣採集的聲音信號更加清晰，獲得薄膜從基體上剝落時的臨屆聲音信號參數，利用此時的電流強度6A和對應的磁感應強度8.0T，以及薄膜「|」字部分的寬度1微米，利用公式P=flb=IBb,]]>其中P為單位面積電磁力，I為電流強度、B為磁感應強度、b為薄膜寬度、∑f為電磁力，l為薄膜長度，計算得出金屬薄膜/基體結合強度為48Mpa。
實施例2，與實施例1其他步驟相同，改變薄膜線寬為3微米，並將不鏽鋼密閉容器置於15T垂直的外加穩態磁場，通過外接的電流控制設備改變電流強度大小，測試電流強度分別為7.0A，8.0A，9.0A，10.0A，11.0A和12.0A，利用此時的磁感應強度15T和對應的電流強度10.0A，以及薄膜「|」字部分的寬度3微米，利用公式P=flb=IBb,]]>計算得出金屬薄膜/基體結合強度為50Mpa。
本發明的裝置及方法不限定僅測量金屬銅薄膜和矽基體間的結合強度，還可以用於測定不同金屬薄膜和其它半導體或絕緣體之間的結合強度。
權利要求
1.一種利用電磁力測定金屬薄膜/基體結合強度的裝置，包括一個密閉容器(12)，其特徵在於，所述的密閉容器殼體上分別開有進氣孔(5)、出氣孔(2)，還鑲嵌有用於連接外界聲發射信號採集設備的聲發射探頭(1)以及一個用於連接外接直流電源及電流控制系統的電流接線柱(3)，密閉容器(12)內部放置有內通循環冷卻水的冷卻臺架(8)，冷卻水通過管路連接密閉容器(12)上的進水孔(4)及出水孔(6)，密閉容器(12)內部的冷卻臺架上端面有一對用於固定待測基體的絕緣螺栓(7)，其上安裝有電極接線柱(9)和金屬壓頭(10)。
2.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述的密閉容器(12)為不鏽鋼密閉容器。
3.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述的絕緣螺栓為聚四氟螺栓。
4.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述的密閉容器(12)內部的冷卻臺架(8)上端面開有可使絕緣螺栓(7)在其內移動的凹槽。
5.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述的密閉容器(12)內部的冷卻臺架上端面有不同間距的用於固定絕緣螺栓(7)的內螺紋孔。
6.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述的金屬薄膜電極接線柱(9)和金屬壓頭(10)為「T」字形結構。
7.一種利用電磁力測定金屬薄膜/基體結合強度的方法，其特徵在於，利用如權利要求所述的裝置，首先通過蒸鍍、磁控濺射等沉積手段於基體上均勻地沉積金屬薄膜，並採用掩膜、光刻技術在基體上形成「工」字形金屬薄膜圖形，將製備好的帶有「工」字形金屬薄膜的基體用絕緣螺栓固定在冷卻臺上端面，擰緊螺栓使得金屬壓頭壓緊「工」字形金屬薄膜的兩邊，將密閉容器置於垂直的磁場中，通入保護氣，同時通入循環冷卻水冷卻基板，然後使金屬薄膜直流導通，調節電流或磁感應強度的大小，使金屬薄膜受到逐漸增大的電磁力的作用，採用聲發射探頭對準「工」字形金屬薄膜，採集薄膜在不同電流或磁感應強度下金屬薄膜的聲音信號，當金屬薄膜所受的電磁力超過膜層對基體的附著力時，金屬薄膜從基體上剝落，此時聲發射設備獲得薄膜從基體上剝落時的臨界聲音信號，利用此時對應的電流強度，以及磁感應強度值，運用公式P=flb=IBb]]>計算得出金屬薄膜/基體結合強度，公式中，P為單位面積電磁力，I為電流強度、B為磁感應強度、b為薄膜寬度、∑f為電磁力，l為薄膜長度。
8.如權利要求7所述的方法，其特徵在於，所述的保護氣體為氬氣。
9.如權利要求7所述的方法，其特徵在於，所述的聲發射探頭與「工」字形圖形的「丨」 字部分金屬薄膜對準。
全文摘要
本發明公開了一種利用電磁力測定金屬薄膜/基體結合強度的裝置及方法，該裝置包括一個密閉容器，其內部放置有裝有冷卻水的冷卻臺架，密閉容器上分別有進氣孔、出氣孔，冷卻水通過管路連接密閉容器上的進水孔及出水孔，在密閉容器上還有一個用於外界聲發射信號採集設備的發聲發射探頭以及一個用於外接直流電源及電流控制系統的電流接線柱，將待測金屬薄膜/基體置於密閉容器內，通過外加磁場使導電的金屬薄膜受力而從基板上剝落，記錄金屬薄膜剝落使對因的電流及磁感應強度，即可計算得出金屬薄膜/基體結合強度。該方法適合對於微電子領域廣泛應用的矽基體及其它半導體或絕緣體表面的各類金屬和合金薄膜結合強度的測定，成本低、簡單方便且更適合實際工況。
文檔編號G06F19/00GK1828265SQ20061004179
公開日2006年9月6日 申請日期2006年2月16日 優先權日2006年2月16日
發明者徐可為, 王劍鋒, 宋忠孝, 孫軍 申請人:西安交通大學