CN1828265A - 利用电磁力测定金属薄膜/基体结合强度的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用电磁力测定金属薄膜/基体结合强度的装置及方法，该装置包括一个密闭容器，其内部放置有装有冷却水的冷却台架，密闭容器上分别有进气孔、出气孔，冷却水通过管路连接密闭容器上的进水孔及出水孔，在密闭容器上还有一个用于外界声发射信号采集设备的发声发射探头以及一个用于外接直流电源及电流控制系统的电流接线柱，将待测金属薄膜/基体置于密闭容器内，通过外加磁场使导电的金属薄膜受力而从基板上剥落，记录金属薄膜剥落使对因的电流及磁感应强度，即可计算得出金属薄膜/基体结合强度。该方法适合对于微电子领域广泛应用的硅基体及其它半导体或绝缘体表面的各类金属和合金薄膜结合强度的测定，成本低、简单方便且更适合实际工况。

Description

利用电磁力测定金属薄膜/基体结合强度的装置及方法

技术领域

本发明涉及金属薄膜/基体结合强度的测试装置，涉及对用于微电子等行业中膜/基界面结合强度评价的装置，还涉及膜/基界面结合强度的测定方法。

背景技术

薄膜材料应用中，膜基之间结合强度的好坏是评价膜层质量的关键指标，是保证薄膜满足力学、物理和化学等使用性能的基本前提，如何正确评价和表征膜基之间的结合强度，对于大量用于工业中的附着型薄膜材料具有极其重要的实际意义。

由于薄膜尺寸很小，因此在膜基结合强度的测试上存在很大的困难。目前较常用的定量或半定量的评定方法有划痕法、压入法等，但是这些方法主要适用于金属表面的陶瓷薄膜，对于微电子领域广泛应用的硅基体及其它半导体或绝缘体表面的各类金属和合金薄膜，迄今尚无公认通用的结合强度评测方法。此外，目前常用的测试方法均属于一次性加载破坏，与实际工况也不相符。

发明内容

为了克服以上现有技术中存在的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种利用电磁力测定金属薄膜/基体结合强度的装置，本发明的另一目的是提供一种测定金属薄膜/基体结合强度的方法，通过在薄膜中产生可控制的电磁力来造成从其附着基体上剥落，从而测试薄膜/基体的结合强度。

为了实现以上目的，本发明的技术方案是，一种利用电磁力测定金属薄膜/基体结合强度的装置，包括一个密闭容器12，密闭容器壳体上分别开有进气孔5、出气孔2，还镶嵌有用于连接外界声发射信号采集设备的声发射探头1以及一个用于连接外接直流电源及电流控制系统的电流接线柱3，密闭容器12内部放置有内通循环冷却水的冷却台架8，冷却水通过管路连接密闭容器12上的进水孔4及出水孔6，密闭容器12内部的冷却台架上端面有一对用于固定待测基体的绝缘螺栓7，其上安装有电极接线柱9和金属压头10。

密闭容器内部的冷却台架上端面有可以放置绝缘螺栓的凹槽，或者有不同间距的内螺纹孔，用于固定绝缘螺栓，绝缘螺栓上安装有电极接线柱和金属压头。

一种利用电磁力测定金属薄膜/基体结合强度的方法，该方法利用上述装置，首先通过蒸镀、磁控溅射等沉积手段于基体上均匀地沉积金属薄膜，并采用掩膜、光刻技术在基体上形成“工”字形金属薄膜图形，将制备好的带有“工”字形金属薄膜的基体用绝缘螺栓固定在冷却台上端面，拧紧螺栓使得金属压头压紧“工”字形金属薄膜的两边，将密闭容器置于垂直的磁场中，通入保护气，同时通入循环冷却水冷却基板，然后使金属薄膜直流导通，调节电流或磁感应强度的大小，使金属薄膜受到逐渐增大的电磁力的作用，采用声发射探头对准“工”字形金属薄膜，采集薄膜在不同电流或磁感应强度下金属薄膜的声音信号，当金属薄膜所受的电磁力超过膜层对基体的附着力时，金属薄膜从基体上剥落，此时声发射设备获得薄膜从基体上剥落时的临界声音信号，利用此时对应的电流强度，以及磁感应强度值，运用公式 $P=\frac{\mathrm{\Σf}}{l\×b}=\frac{I\×B}{b}$ 计算得出金属薄膜/基体结合强度，公式中，P为单位面积电磁力，I为电流强度、B为磁感应强度、b为薄膜宽度、∑f为电磁力，l为薄膜长度。

该发明采用的方法及装置克服了目前常规评测膜基结合强度的方法及设备所存在的缺点和不足，并且通过模拟实际工况，更能测得与真实值相吻合的膜基界面结合强度，这对于正确评价和表征工业中特别是微电子行业中膜基之间的结合强度提供了方法及装置参考，且有望对于微电子领域广泛应用的硅基体及其它半导体或绝缘体与其表面的各类金属和合金薄膜之间结合强度的评价提供统一的行业测试标准。

附图说明

图1为本发明装置的示意图。

图2是本发明装置金属薄膜电极接线柱和金属压头部分的剖面图。

图3是本发明工作原理图。

图4是本发明实施例的“工”字形金属薄膜构造及参数说明图。

具体实施方式

以下结合附图以及发明人所提供的实施例，具体说明本发明的装置及方法。

参见图1，在密闭的不锈钢容器12内部放置有内装冷却水的铜冷却台架8，不锈钢容器12外壳上分别有进气孔5、出气孔2、进水孔4和出水孔6，进水孔4和出水孔6分别通过管路接铜冷却台架8内部的冷却水，不锈钢容器12顶部和侧壁上还镶嵌有用于外接声发射信号采集设备的声发射探头1和用于外接直流电源及其控制系统的电流接线柱3，铜冷却台架8上端面有可以放置两个绝缘螺栓7的凹槽，根据基体不同大小调整绝缘螺栓在凹槽内的位置，拧紧螺栓使得基体得以固定，或设置不同间距的内螺纹孔，根据基体不同大小调整绝缘螺栓在冷却台架上端面的位置，拧紧螺栓使基体得以固定。

参见图2，绝缘螺栓7将待测基体固定在冷却台上时，其上安装有电极接线柱(9)和金属压头(10)为“T”字形结构。金属压头10压在“工”字形金属薄膜试样的两端部分，通过电极接线柱(9)和金属压头(10)的“T”字形结构使导电和固定的作用得以结合。

参见图3本发明方法示意图，基板11上的金属薄膜接通直流电后在磁场中将受到电磁力的作用，产生垂直于金属薄膜的力F，随着电流I或磁感应强度B的增大，力F也不断增大，最终使金属薄膜从基板上剥落。

实施例1，参见图1、图2和图4，通过蒸镀、磁控溅射等沉积手段于基体上均匀地沉积金属薄膜，并采用掩模和光刻技术在基体上形成“工”字形图形，两边长为4mm，宽为3mm，线宽为1微米。通过调节绝缘螺栓7的位置，将基板固定在冷却台8顶部，拧紧绝缘螺栓7使得金属压头10紧贴“工”字形金属薄膜材料的两边，连接直流电源电流接线柱3和电极接线柱9，将不锈钢密闭容器置于垂直的磁场下，为了防止通电时金属薄膜的氧化，因此通过进气孔5通入保护气氩气，同时通过进水孔4和出水孔6将循环冷却水通入到冷却台8内冷却基板，这样一方面可以降低通电时试样温度，另一方面也提高了试样温度的均匀性。接通直流电，使金属薄膜中通电流强度为6A的恒定直流电，测试选用的磁感应强度大小分别为6.0T，7.0T，8.0T，9.0T，10.0T和11.0T，用声发射探头采集金属薄膜在不同磁感应强度下的声音参数，检测时最好将声发射探头对准“工”字形金属薄膜的“|”字部分，这样采集的声音信号更加清晰，获得薄膜从基体上剥落时的临届声音信号参数，利用此时的电流强度6A和对应的磁感应强度8.0T，以及薄膜“|”字部分的宽度1微米，利用公式 $P=\frac{\mathrm{\Σf}}{l\×b}=\frac{I\×B}{b},$ 其中P为单位面积电磁力，I为电流强度、B为磁感应强度、b为薄膜宽度、∑f为电磁力，l为薄膜长度，计算得出金属薄膜/基体结合强度为48Mpa。

实施例2，与实施例1其他步骤相同，改变薄膜线宽为3微米，并将不锈钢密闭容器置于15T垂直的外加稳态磁场，通过外接的电流控制设备改变电流强度大小，测试电流强度分别为7.0A，8.0A，9.0A，10.0A，11.0A和12.0A，利用此时的磁感应强度15T和对应的电流强度10.0A，以及薄膜“|”字部分的宽度3微米，利用公式 $P=\frac{\mathrm{\Σf}}{l\×b}=\frac{I\×B}{b},$ 计算得出金属薄膜/基体结合强度为50Mpa。

本发明的装置及方法不限定仅测量金属铜薄膜和硅基体间的结合强度，还可以用于测定不同金属薄膜和其它半导体或绝缘体之间的结合强度。

Claims (9)

1、一种利用电磁力测定金属薄膜/基体结合强度的装置，包括一个密闭容器(12)，其特征在于，所述的密闭容器壳体上分别开有进气孔(5)、出气孔(2)，还镶嵌有用于连接外界声发射信号采集设备的声发射探头(1)以及一个用于连接外接直流电源及电流控制系统的电流接线柱(3)，密闭容器(12)内部放置有内通循环冷却水的冷却台架(8)，冷却水通过管路连接密闭容器(12)上的进水孔(4)及出水孔(6)，密闭容器(12)内部的冷却台架上端面有一对用于固定待测基体的绝缘螺栓(7)，其上安装有电极接线柱(9)和金属压头(10)。

2、如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的密闭容器(12)为不锈钢密闭容器。

3、如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的绝缘螺栓为聚四氟螺栓。

4、如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的密闭容器(12)内部的冷却台架(8)上端面开有可使绝缘螺栓(7)在其内移动的凹槽。

5、如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的密闭容器(12)内部的冷却台架上端面有不同间距的用于固定绝缘螺栓(7)的内螺纹孔。

6、如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的金属薄膜电极接线柱(9)和金属压头(10)为“T”字形结构。

7、一种利用电磁力测定金属薄膜/基体结合强度的方法，其特征在于，利用如权利要求所述的装置，首先通过蒸镀、磁控溅射等沉积手段于基体上均匀地沉积金属薄膜，并采用掩膜、光刻技术在基体上形成“工”字形金属薄膜图形，将制备好的带有“工”字形金属薄膜的基体用绝缘螺栓固定在冷却台上端面，拧紧螺栓使得金属压头压紧“工”字形金属薄膜的两边，将密闭容器置于垂直的磁场中，通入保护气，同时通入循环冷却水冷却基板，然后使金属薄膜直流导通，调节电流或磁感应强度的大小，使金属薄膜受到逐渐增大的电磁力的作用，采用声发射探头对准“工”字形金属薄膜，采集薄膜在不同电流或磁感应强度下金属薄膜的声音信号，当金属薄膜所受的电磁力超过膜层对基体的附着力时，金属薄膜从基体上剥落，此时声发射设备获得薄膜从基体上剥落时的临界声音信号，利用此时对应的电流强度，以及磁感应强度值，运用公式 $P=\frac{\mathrm{\Σf}}{l\×b}=\frac{I\×B}{b}$ 计算得出金属薄膜/基体结合强度，公式中，P为单位面积电磁力，I为电流强度、B为磁感应强度、b为薄膜宽度、∑f为电磁力，l为薄膜长度。

8、如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述的保护气体为氩气。

9、如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述的声发射探头与“工”字形图形的“丨” 字部分金属薄膜对准。

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