專利名稱：利用電磁力測(cè)定金屬薄膜/基體結(jié)合強(qiáng)度的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬薄膜/基體結(jié)合強(qiáng)度的測(cè)試裝置，涉及對(duì)用于微電子等行業(yè)中膜/基界面結(jié)合強(qiáng)度評(píng)價(jià)的裝置，還涉及膜/基界面結(jié)合強(qiáng)度的測(cè)定方法。
背景技術(shù)：
薄膜材料應(yīng)用中，膜基之間結(jié)合強(qiáng)度的好壞是評(píng)價(jià)膜層質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)，是保證薄膜滿足力學(xué)、物理和化學(xué)等使用性能的基本前提，如何正確評(píng)價(jià)和表征膜基之間的結(jié)合強(qiáng)度，對(duì)于大量用于工業(yè)中的附著型薄膜材料具有極其重要的實(shí)際意義。
由于薄膜尺寸很小，因此在膜基結(jié)合強(qiáng)度的測(cè)試上存在很大的困難。目前較常用的定量或半定量的評(píng)定方法有劃痕法、壓入法等，但是這些方法主要適用于金屬表面的陶瓷薄膜，對(duì)于微電子領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的硅基體及其它半導(dǎo)體或絕緣體表面的各類金屬和合金薄膜，迄今尚無(wú)公認(rèn)通用的結(jié)合強(qiáng)度評(píng)測(cè)方法。此外，目前常用的測(cè)試方法均屬于一次性加載破壞，與實(shí)際工況也不相符。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服以上現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺點(diǎn)和不足，本發(fā)明的目的在于提供一種利用電磁力測(cè)定金屬薄膜/基體結(jié)合強(qiáng)度的裝置，本發(fā)明的另一目的是提供一種測(cè)定金屬薄膜/基體結(jié)合強(qiáng)度的方法，通過(guò)在薄膜中產(chǎn)生可控制的電磁力來(lái)造成從其附著基體上剝落，從而測(cè)試薄膜/基體的結(jié)合強(qiáng)度。
為了實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是，一種利用電磁力測(cè)定金屬薄膜/基體結(jié)合強(qiáng)度的裝置，包括一個(gè)密閉容器12，密閉容器殼體上分別開(kāi)有進(jìn)氣孔5、出氣孔2，還鑲嵌有用于連接外界聲發(fā)射信號(hào)采集設(shè)備的聲發(fā)射探頭1以及一個(gè)用于連接外接直流電源及電流控制系統(tǒng)的電流接線柱3，密閉容器12內(nèi)部放置有內(nèi)通循環(huán)冷卻水的冷卻臺(tái)架8，冷卻水通過(guò)管路連接密閉容器12上的進(jìn)水孔4及出水孔6，密閉容器12內(nèi)部的冷卻臺(tái)架上端面有一對(duì)用于固定待測(cè)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(nèi)部的冷卻臺(tái)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(nèi)螺紋孔，用于固定絕緣螺栓，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(cè)定金屬薄膜/基體結(jié)合強(qiáng)度的方法，該方法利用上述裝置，首先通過(guò)蒸鍍、磁控濺射等沉積手段于基體上均勻地沉積金屬薄膜，并采用掩膜、光刻技術(shù)在基體上形成“工”字形金屬薄膜圖形，將制備好的帶有“工”字形金屬薄膜的基體用絕緣螺栓固定在冷卻臺(tái)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，將密閉容器置于垂直的磁場(chǎng)中，通入保護(hù)氣，同時(shí)通入循環(huán)冷卻水冷卻基板，然后使金屬薄膜直流導(dǎo)通，調(diào)節(jié)電流或磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小，使金屬薄膜受到逐漸增大的電磁力的作用，采用聲發(fā)射探頭對(duì)準(zhǔn)“工”字形金屬薄膜，采集薄膜在不同電流或磁感應(yīng)強(qiáng)度下金屬薄膜的聲音信號(hào)，當(dāng)金屬薄膜所受的電磁力超過(guò)膜層對(duì)基體的附著力時(shí)，金屬薄膜從基體上剝落，此時(shí)聲發(fā)射設(shè)備獲得薄膜從基體上剝落時(shí)的臨界聲音信號(hào)，利用此時(shí)對(duì)應(yīng)的電流強(qiáng)度，以及磁感應(yīng)強(qiáng)度值，運(yùn)用公式P=Σfl×b=I×Bb]]>計(jì)算得出金屬薄膜/基體結(jié)合強(qiáng)度，公式中，P為單位面積電磁力，I為電流強(qiáng)度、B為磁感應(yīng)強(qiáng)度、b為薄膜寬度、∑f為電磁力，l為薄膜長(zhǎng)度。
該發(fā)明采用的方法及裝置克服了目前常規(guī)評(píng)測(cè)膜基結(jié)合強(qiáng)度的方法及設(shè)備所存在的缺點(diǎn)和不足，并且通過(guò)模擬實(shí)際工況，更能測(cè)得與真實(shí)值相吻合的膜基界面結(jié)合強(qiáng)度，這對(duì)于正確評(píng)價(jià)和表征工業(yè)中特別是微電子行業(yè)中膜基之間的結(jié)合強(qiáng)度提供了方法及裝置參考，且有望對(duì)于微電子領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的硅基體及其它半導(dǎo)體或絕緣體與其表面的各類金屬和合金薄膜之間結(jié)合強(qiáng)度的評(píng)價(jià)提供統(tǒng)一的行業(yè)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。


圖1為本發(fā)明裝置的示意圖。
圖2是本發(fā)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(fā)明工作原理圖。
圖4是本發(fā)明實(shí)施例的“工”字形金屬薄膜構(gòu)造及參數(shù)說(shuō)明圖。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖以及發(fā)明人所提供的實(shí)施例，具體說(shuō)明本發(fā)明的裝置及方法。
參見(jiàn)圖1，在密閉的不銹鋼容器12內(nèi)部放置有內(nèi)裝冷卻水的銅冷卻臺(tái)架8，不銹鋼容器12外殼上分別有進(jìn)氣孔5、出氣孔2、進(jìn)水孔4和出水孔6，進(jìn)水孔4和出水孔6分別通過(guò)管路接銅冷卻臺(tái)架8內(nèi)部的冷卻水，不銹鋼容器12頂部和側(cè)壁上還鑲嵌有用于外接聲發(fā)射信號(hào)采集設(shè)備的聲發(fā)射探頭1和用于外接直流電源及其控制系統(tǒng)的電流接線柱3，銅冷卻臺(tái)架8上端面有可以放置兩個(gè)絕緣螺栓7的凹槽，根據(jù)基體不同大小調(diào)整絕緣螺栓在凹槽內(nèi)的位置，擰緊螺栓使得基體得以固定，或設(shè)置不同間距的內(nèi)螺紋孔，根據(jù)基體不同大小調(diào)整絕緣螺栓在冷卻臺(tái)架上端面的位置，擰緊螺栓使基體得以固定。
參見(jiàn)圖2，絕緣螺栓7將待測(cè)基體固定在冷卻臺(tái)上時(shí)，其上安裝有電極接線柱(9)和金屬壓頭(10)為“T”字形結(jié)構(gòu)。金屬壓頭10壓在“工”字形金屬薄膜試樣的兩端部分，通過(guò)電極接線柱(9)和金屬壓頭(10)的“T”字形結(jié)構(gòu)使導(dǎo)電和固定的作用得以結(jié)合。
參見(jiàn)圖3本發(fā)明方法示意圖，基板11上的金屬薄膜接通直流電后在磁場(chǎng)中將受到電磁力的作用，產(chǎn)生垂直于金屬薄膜的力F，隨著電流I或磁感應(yīng)強(qiáng)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(shí)施例1，參見(jiàn)圖1、圖2和圖4，通過(guò)蒸鍍、磁控濺射等沉積手段于基體上均勻地沉積金屬薄膜，并采用掩模和光刻技術(shù)在基體上形成“工”字形圖形，兩邊長(zhǎng)為4mm，寬為3mm，線寬為1微米。通過(guò)調(diào)節(jié)絕緣螺栓7的位置，將基板固定在冷卻臺(tái)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，將不銹鋼密閉容器置于垂直的磁場(chǎng)下，為了防止通電時(shí)金屬薄膜的氧化，因此通過(guò)進(jìn)氣孔5通入保護(hù)氣氬氣，同時(shí)通過(guò)進(jìn)水孔4和出水孔6將循環(huán)冷卻水通入到冷卻臺(tái)8內(nèi)冷卻基板，這樣一方面可以降低通電時(shí)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(qiáng)度為6A的恒定直流電，測(cè)試選用的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小分別為6.0T，7.0T，8.0T，9.0T，10.0T和11.0T，用聲發(fā)射探頭采集金屬薄膜在不同磁感應(yīng)強(qiáng)度下的聲音參數(shù)，檢測(cè)時(shí)最好將聲發(fā)射探頭對(duì)準(zhǔn)“工”字形金屬薄膜的“|”字部分，這樣采集的聲音信號(hào)更加清晰，獲得薄膜從基體上剝落時(shí)的臨屆聲音信號(hào)參數(shù)，利用此時(shí)的電流強(qiáng)度6A和對(duì)應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度8.0T，以及薄膜“|”字部分的寬度1微米，利用公式P=Σfl×b=I×Bb,]]>其中P為單位面積電磁力，I為電流強(qiáng)度、B為磁感應(yīng)強(qiáng)度、b為薄膜寬度、∑f為電磁力，l為薄膜長(zhǎng)度，計(jì)算得出金屬薄膜/基體結(jié)合強(qiáng)度為48Mpa。
實(shí)施例2，與實(shí)施例1其他步驟相同，改變薄膜線寬為3微米，并將不銹鋼密閉容器置于15T垂直的外加穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)，通過(guò)外接的電流控制設(shè)備改變電流強(qiáng)度大小，測(cè)試電流強(qiáng)度分別為7.0A，8.0A，9.0A，10.0A，11.0A和12.0A，利用此時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度15T和對(duì)應(yīng)的電流強(qiáng)度10.0A，以及薄膜“|”字部分的寬度3微米，利用公式P=Σfl×b=I×Bb,]]>計(jì)算得出金屬薄膜/基體結(jié)合強(qiáng)度為50Mpa。
本發(fā)明的裝置及方法不限定僅測(cè)量金屬銅薄膜和硅基體間的結(jié)合強(qiáng)度，還可以用于測(cè)定不同金屬薄膜和其它半導(dǎo)體或絕緣體之間的結(jié)合強(qiáng)度。
權(quán)利要求
1.一種利用電磁力測(cè)定金屬薄膜/基體結(jié)合強(qiáng)度的裝置，包括一個(gè)密閉容器(12)，其特征在于，所述的密閉容器殼體上分別開(kāi)有進(jìn)氣孔(5)、出氣孔(2)，還鑲嵌有用于連接外界聲發(fā)射信號(hào)采集設(shè)備的聲發(fā)射探頭(1)以及一個(gè)用于連接外接直流電源及電流控制系統(tǒng)的電流接線柱(3)，密閉容器(12)內(nèi)部放置有內(nèi)通循環(huán)冷卻水的冷卻臺(tái)架(8)，冷卻水通過(guò)管路連接密閉容器(12)上的進(jìn)水孔(4)及出水孔(6)，密閉容器(12)內(nèi)部的冷卻臺(tái)架上端面有一對(duì)用于固定待測(cè)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(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述的密閉容器(12)為不銹鋼密閉容器。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述的絕緣螺栓為聚四氟螺栓。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述的密閉容器(12)內(nèi)部的冷卻臺(tái)架(8)上端面開(kāi)有可使絕緣螺栓(7)在其內(nèi)移動(dòng)的凹槽。
5.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述的密閉容器(12)內(nèi)部的冷卻臺(tái)架上端面有不同間距的用于固定絕緣螺栓(7)的內(nèi)螺紋孔。
6.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述的金屬薄膜電極接線柱(9)和金屬壓頭(10)為“T”字形結(jié)構(gòu)。
7.一種利用電磁力測(cè)定金屬薄膜/基體結(jié)合強(qiáng)度的方法，其特征在于，利用如權(quán)利要求所述的裝置，首先通過(guò)蒸鍍、磁控濺射等沉積手段于基體上均勻地沉積金屬薄膜，并采用掩膜、光刻技術(shù)在基體上形成“工”字形金屬薄膜圖形，將制備好的帶有“工”字形金屬薄膜的基體用絕緣螺栓固定在冷卻臺(tái)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，將密閉容器置于垂直的磁場(chǎng)中，通入保護(hù)氣，同時(shí)通入循環(huán)冷卻水冷卻基板，然后使金屬薄膜直流導(dǎo)通，調(diào)節(jié)電流或磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小，使金屬薄膜受到逐漸增大的電磁力的作用，采用聲發(fā)射探頭對(duì)準(zhǔn)“工”字形金屬薄膜，采集薄膜在不同電流或磁感應(yīng)強(qiáng)度下金屬薄膜的聲音信號(hào)，當(dāng)金屬薄膜所受的電磁力超過(guò)膜層對(duì)基體的附著力時(shí)，金屬薄膜從基體上剝落，此時(shí)聲發(fā)射設(shè)備獲得薄膜從基體上剝落時(shí)的臨界聲音信號(hào)，利用此時(shí)對(duì)應(yīng)的電流強(qiáng)度，以及磁感應(yīng)強(qiáng)度值，運(yùn)用公式P=Σfl×b=I×Bb]]>計(jì)算得出金屬薄膜/基體結(jié)合強(qiáng)度，公式中，P為單位面積電磁力，I為電流強(qiáng)度、B為磁感應(yīng)強(qiáng)度、b為薄膜寬度、∑f為電磁力，l為薄膜長(zhǎng)度。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述的保護(hù)氣體為氬氣。
9.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述的聲發(fā)射探頭與“工”字形圖形的“丨” 字部分金屬薄膜對(duì)準(zhǔn)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種利用電磁力測(cè)定金屬薄膜/基體結(jié)合強(qiáng)度的裝置及方法，該裝置包括一個(gè)密閉容器，其內(nèi)部放置有裝有冷卻水的冷卻臺(tái)架，密閉容器上分別有進(jìn)氣孔、出氣孔，冷卻水通過(guò)管路連接密閉容器上的進(jìn)水孔及出水孔，在密閉容器上還有一個(gè)用于外界聲發(fā)射信號(hào)采集設(shè)備的發(fā)聲發(fā)射探頭以及一個(gè)用于外接直流電源及電流控制系統(tǒng)的電流接線柱，將待測(cè)金屬薄膜/基體置于密閉容器內(nèi)，通過(guò)外加磁場(chǎng)使導(dǎo)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(duì)因的電流及磁感應(yīng)強(qiáng)度，即可計(jì)算得出金屬薄膜/基體結(jié)合強(qiáng)度。該方法適合對(duì)于微電子領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的硅基體及其它半導(dǎo)體或絕緣體表面的各類金屬和合金薄膜結(jié)合強(qiáng)度的測(cè)定，成本低、簡(jiǎn)單方便且更適合實(shí)際工況。
文檔編號(hào)G06F19/00GK1828265SQ20061004179
公開(kāi)日2006年9月6日 申請(qǐng)日期2006年2月16日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月16日
發(fā)明者徐可為, 王劍鋒, 宋忠孝, 孫軍 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)