CN1924548A - 一种测试电流载荷下金属薄膜屈服强度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测试电流载荷下金属薄膜屈服强度的方法，包括将金属薄膜沉积在聚酰亚胺等柔性基板上，其目的在于这种高弹性柔性基板材料的选择可以很容易地实现基板应力的扣除。在电流载荷与拉伸载荷耦合加载过程中，一定的拉伸载荷将使金属薄膜产生屈服，而与其界面结合良好的柔性基板则仍处于弹性变形阶段，此时，总应力减去相同形变下基板承载的应力即为金属薄膜内的应力，进而可以换算为其强度值。金属薄膜上电载荷的施加可以在薄膜两个自由端直接通电实现。在金属薄膜上施加电载荷后，由应力－应变曲线可确定不同电流密度下金属薄膜的屈服强度。
Description
技术领域
本发明涉及微电子等行业中的金属薄膜材料屈服强度的测试方法，特别涉及一种测试电流载荷下金属薄膜屈服强度的方法。
背景技术
金属化布线的金属薄膜材料(如Cu和Al)广泛应用于超大规模集成电路和微电子机械系统(MEMS)中。服役工况下，这些薄膜材料通常处在电载荷作用下，其力学性能将受电流影响，但是这些薄膜材料又必须保持足够的结构完整和形状不改变。因此，了解金属薄膜材料在电载荷下的屈服强度以及屈服变形行为成为保证微电子材料、器件与设备可靠性运行而亟待解决的实际问题。
一直以来，国内外对金属薄膜的屈服强度都予以了极大的关注，分别采用纳米压痕法、悬臂梁法、鼓膜法等多种方法对金属薄膜的屈服强度进行了测试，但是在这些测试方法中，由于同时施加电流存在困难，有关电载荷下金属薄膜的屈服强度却还从未曾见有报道，迄今为止有关电载荷下金属薄膜屈服强度的测试技术还没有得到解决，尽管电载荷是微电子等行业中金属薄膜材料真实的服役条件。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术不足，提供一种测试电流载荷下金属薄膜屈服强度的方法，该方法简单易操作，测量精确高。
通过电流源在金属薄膜两个自由端上直接施加电载荷，可以人为改变电流密度大小，从而可测得不同电载荷下金属薄膜材料的屈服强度。由于电流密度较小，其范围仅为1×103-1×104A/m2，这么小的电流密度可以避免金属薄膜发生氧化行为。由此提供了一种测试电载荷下金属薄膜屈服强度的新方法。
本发明的技术方案是这样实现的：按以下步骤进行：
(1)采用磁控溅射沉积方法将金属薄膜沉积在聚酰亚胺柔性基板上，其弹性应变≥5％；金属薄膜厚度200纳米-20微米；沉积工艺参数为：溅射功率120-180W；溅射偏压-60--80V；本底气压3.0×10-3-4.5×10-3Pa；工作气压(Ar)0.5-1.5Pa；
(2)金属薄膜上电载荷的施加由量程为12V的恒流源直接作用在金属薄膜两个自由端上实现，电流密度范围为1×103-1×104A/m2；
(3)采用量程为250N的微拉力机测定纯基板材料的拉伸应力-应变曲线，同时测定通电流下金属薄膜/基板系统的拉伸应力-应变曲线，在相同应变条件下将该两曲线应力相减，得到电载荷下金属薄膜的真实应力-应变曲线，进一步可确定出电载荷下金属薄膜的屈服强度。
采用本发明的方法可克服以前测量薄膜屈服强度时无法加电的难题，实现在薄膜上加电的同时测量屈服强度，定量测定电载荷服役情况金属薄膜的抵抗变形能力。
附图说明
图1(a)为本发明测试方法结构侧视图；
图1(b)为本发明测试方法结构俯视图。
下面结合实施例对本发明内容进行进一步详细说明：
具体实施方式
参照附图1(a)、(b)，沉积在聚酰亚胺基体上的金属薄膜1两端分别被微拉力机卡头2夹住，微拉力机卡头2往外在金属薄膜1两侧自由端分别接触电加载装置，以施加电流载荷。
实施例1：
将聚酰亚胺柔性基板加工成传统的拉伸试样形状，中间窄长区(20×6mm)为试样有效工作区，而两端的宽大区为拉伸夹持区。采用磁控溅射技术将金属Cu薄膜沉积在有效工作区上，金属薄膜厚度200纳米。沉积工艺参数为：溅射功率120；溅射偏压-60V；本底气压3.0×10-3；工作气压(Ar)0.5Pa。将试样水平放置于微拉力实验机上，拉伸卡头分别夹持试样两端。将电加载夹头紧紧地与金属薄膜相接触，构成电流回路。同时施加电载荷和力载荷，其中电流密度为1×103A/m2。采用量程为250N的微拉力机测定纯基板材料的拉伸应力-应变曲线，同时测定通电流下金属薄膜/基板系统的拉伸应力-应变曲线，在相同应变条件下将该两曲线应力相减，得到电载荷下金属薄膜的真实应力-应变曲线，进一步可确定出1×103A/m2电流密度下200纳米金属薄膜的屈服强度为820MPa。
实施例2：
将聚酰亚胺柔性基板加工成传统的拉伸试样形状，中间窄长区(20×6mm)为试样有效工作区，而两端的宽大区为拉伸夹持区。采用磁控溅射技术将金属Cu薄膜沉积在有效工作区上，金属薄膜厚度20微米。沉积工艺参数为：溅射功率180；溅射偏压-80V；本底气压4.5×10-3；工作气压(Ar)1.5Pa。将试样水平放置于微拉力实验机上，拉伸卡头分别夹持试样两端。将电加载夹头紧紧地与金属薄膜相接触，构成电流回路。同时施加电载荷和力载荷，其中电流密度为1×103A/m2。采用量程为250N的微拉力机测定纯基板材料的拉伸应力-应变曲线，同时测定通电流下金属薄膜/基板系统的拉伸应力-应变曲线，在相同应变条件下将该两曲线应力相减，得到电载荷下金属薄膜的真实应力-应变曲线，进一步可确定出1×103A/m2电流密度下20微米金属薄膜的屈服强度为415MPa。
实施例3：
将聚酰亚胺柔性基板加工成传统的拉伸试样形状，中间窄长区(20×6mm)为试样有效工作区，而两端的宽大区为拉伸夹持区。采用磁控溅射技术将金属Cu薄膜沉积在有效工作区上，金属薄膜厚度200纳米。沉积工艺参数为：溅射功率180；溅射偏压-80V；本底气压4.5×10-3；工作气压(Ar)1.5Pa。将试样水平放置于微拉力实验机上，拉伸卡头分别夹持试样两端。将电加载夹头紧紧地与金属薄膜相接触，构成电流回路。同时施加电载荷和力载荷，其中电流密度为1×104A/m2。采用量程为250N的微拉力机测定纯基板材料的拉伸应力-应变曲线，同时测定通电流下金属薄膜/基板系统的拉伸应力-应变曲线，在相同应变条件下将该两曲线应力相减，得到电载荷下金属薄膜的真实应力-应变曲线，进一步可确定出1×103A/m2电流密度下20微米金属薄膜的屈服强度为667MPa。
实施例4：
将聚酰亚胺柔性基板加工成传统的拉伸试样形状，中间窄长区(20×6mm)为试样有效工作区，而两端的宽大区为拉伸夹持区。采用磁控溅射技术将金属Cu薄膜沉积在有效工作区上，金属薄膜厚度20微米。沉积工艺参数为：溅射功率180；溅射偏压-80V；本底气压4.5×10-3；工作气压(Ar)1.5Pa。将试样水平放置于微拉力实验机上，拉伸卡头分别夹持试样两端。将电加载夹头紧紧地与金属薄膜相接触，构成电流回路。同时施加电载荷和力载荷，其中电流密度为1×104A/m2。采用量程为250N的微拉力机测定纯基板材料的拉伸应力-应变曲线，同时测定通电流下金属薄膜/基板系统的拉伸应力-应变曲线，在相同应变条件下将该两曲线应力相减，得到电载荷下金属薄膜的真实应力-应变曲线，进一步可确定出1×103A/m2电流密度下20微米金属薄膜的屈服强度为241MPa。
实施例5：
将聚酰亚胺柔性基板加工成传统的拉伸试样形状，中间窄长区(20×6mm)为试样有效工作区，而两端的宽大区为拉伸夹持区。采用磁控溅射技术将金属Cu薄膜沉积在有效工作区上，金属薄膜厚度10微米。沉积工艺参数为：溅射功率180；溅射偏压-80V；本底气压4.5×10-3；工作气压(Ar)1.5Pa。将试样水平放置于微拉力实验机上，拉伸卡头分别夹持试样两端。将电加载夹头紧紧地与金属薄膜相接触，构成电流回路。同时施加电载荷和力载荷，其中电流密度为1×103A/m2。采用量程为250N的微拉力机测定纯基板材料的拉伸应力-应变曲线，同时测定通电流下金属薄膜/基板系统的拉伸应力-应变曲线，在相同应变条件下将该两曲线应力相减，得到电载荷下金属薄膜的真实应力-应变曲线，进一步可确定出1×103A/m2电流密度下20微米金属薄膜的屈服强度为673MPa。
实施例6：
将聚酰亚胺柔性基板加工成传统的拉伸试样形状，中间窄长区(20×6mm)为试样有效工作区，而两端的宽大区为拉伸夹持区。采用磁控溅射技术将金属Cu薄膜沉积在有效工作区上，金属薄膜厚度5微米。沉积工艺参数为：溅射功率150；溅射偏压-70V；本底气压3.5×10-3；工作气压(Ar)1.0Pa。将试样水平放置于微拉力实验机上，拉伸卡头分别夹持试样两端。将电加载夹头紧紧地与金属薄膜相接触，构成电流回路。同时施加电载荷和力载荷，其中电流密度为5×103A/m2。采用量程为250N的微拉力机测定纯基板材料的拉伸应力-应变曲线，同时测定通电流下金属薄膜/基板系统的拉伸应力-应变曲线，在相同应变条件下将该两曲线应力相减，得到电载荷下金属薄膜的真实应力-应变曲线，进一步可确定出1×103A/m2电流密度下20微米金属薄膜的屈服强度为644MPa。
实施例7：
将聚酰亚胺柔性基板加工成传统的拉伸试样形状，中间窄长区(20×6mm)为试样有效工作区，而两端的宽大区为拉伸夹持区。采用磁控溅射技术将金属Cu薄膜沉积在有效工作区上，金属薄膜厚度400纳米。沉积工艺参数为：溅射功率130；溅射偏压-75V；本底气压3.5×10-3；工作气压(Ar)1.0Pa。将试样水平放置于微拉力实验机上，拉伸卡头分别夹持试样两端。将电加载夹头紧紧地与金属薄膜相接触，构成电流回路。同时施加电载荷和力载荷，其中电流密度为7×103A/m2。采用量程为250N的微拉力机测定纯基板材料的拉伸应力-应变曲线，同时测定通电流下金属薄膜/基板系统的拉伸应力-应变曲线，在相同应变条件下将该两曲线应力相减，得到电载荷下金属薄膜的真实应力-应变曲线，进一步可确定出1×103A/m2电流密度下20微米金属薄膜的屈服强度为623MPa。
实施例8：
将聚酰亚胺柔性基板加工成传统的拉伸试样形状，中间窄长区(20×6mm)为试样有效工作区，而两端的宽大区为拉伸夹持区。采用磁控溅射技术将金属Cu薄膜沉积在有效工作区上，金属薄膜厚度15微米。沉积工艺参数为：溅射功率150；溅射偏压-70V；本底气压3.5×10-3；工作气压(Ar)1.0Pa。将试样水平放置于微拉力实验机上，拉伸卡头分别夹持试样两端。将电加载夹头紧紧地与金属薄膜相接触，构成电流回路。同时施加电载荷和力载荷，其中电流密度为9×103A/m2。采用量程为250N的微拉力机测定纯基板材料的拉伸应力-应变曲线，同时测定通电流下金属薄膜/基板系统的拉伸应力-应变曲线，在相同应变条件下将该两曲线应力相减，得到电载荷下金属薄膜的真实应力-应变曲线，进一步可确定出1×103A/m2电流密度下20微米金属薄膜的屈服强度为315MPa。
实施例9：
将聚酰亚胺柔性基板加工成传统的拉伸试样形状，中间窄长区(20×6mm)为试样有效工作区，而两端的宽大区为拉伸夹持区。采用磁控溅射技术将金属Al薄膜沉积在有效工作区上，金属薄膜厚度15微米。沉积工艺参数为：溅射功率150；溅射偏压-70V；本底气压3.5×10-3；工作气压(Ar)1.0Pa。将试样水平放置于微拉力实验机上，拉伸卡头分别夹持试样两端。将电加载夹头紧紧地与金属薄膜相接触，构成电流回路。同时施加电载荷和力载荷，其中电流密度为9×103A/m2。采用量程为250N的微拉力机测定纯基板材料的拉伸应力-应变曲线，同时测定通电流下金属薄膜/基板系统的拉伸应力-应变曲线，在相同应变条件下将该两曲线应力相减，得到电载荷下金属薄膜的真实应力-应变曲线，进一步可确定出1×103A/m2电流密度下20微米金属薄膜的屈服强度为364MPa。
实施例10：
将聚酰亚胺柔性基板加工成传统的拉伸试样形状，中间窄长区(20×6mm)为试样有效工作区，而两端的宽大区为拉伸夹持区。采用磁控溅射技术将金属Ag薄膜沉积在有效工作区上，金属薄膜厚度15微米。沉积工艺参数为：溅射功率150；溅射偏压-70V；本底气压3.5×10-3；工作气压(Ar)1.0Pa。将试样水平放置于微拉力实验机上，拉伸卡头分别夹持试样两端。将电加载夹头紧紧地与金属薄膜相接触，构成电流回路。同时施加电载荷和力载荷，其中电流密度为9×103A/m2。采用量程为250N的微拉力机测定纯基板材料的拉伸应力-应变曲线，同时测定通电流下金属薄膜/基板系统的拉伸应力-应变曲线，在相同应变条件下将该两曲线应力相减，得到电载荷下金属薄膜的真实应力-应变曲线，进一步可确定出1×103A/m2电流密度下20微米金属薄膜的屈服强度为298MPa。
实施例11：
将聚酰亚胺柔性基板加工成传统的拉伸试样形状，中间窄长区(20×6mm)为试样有效工作区，而两端的宽大区为拉伸夹持区。采用磁控溅射技术将金属Fe薄膜沉积在有效工作区上，金属薄膜厚度15微米。沉积工艺参数为：溅射功率150；溅射偏压-70V；本底气压3.5×10-3；工作气压(Ar)1.0Pa。将试样水平放置于微拉力实验机上，拉伸卡头分别夹持试样两端。将电加载夹头紧紧地与金属薄膜相接触，构成电流回路。同时施加电载荷和力载荷，其中电流密度为9×103A/m2。采用量程为250N的微拉力机测定纯基板材料的拉伸应力-应变曲线，同时测定通电流下金属薄膜/基板系统的拉伸应力-应变曲线，在相同应变条件下将该两曲线应力相减，得到电载荷下金属薄膜的真实应力-应变曲线，进一步可确定出1×103A/m2电流密度下20微米金属薄膜的屈服强度为377MPa。
Claims (1)
1、一种测试电载荷下金属薄膜屈服强度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)采用磁控溅射沉积方法将金属薄膜沉积在聚酰亚胺柔性基板上，其弹性应变≥5％；金属薄膜厚度200纳米-20微米；沉积工艺参数为：溅射功率120-180W；溅射偏压-60--80V；本底气压3.0×10-3-4.5×10-3Pa；工作气压Ar 0.5-1.5Pa；
(2)金属薄膜上电载荷的施加由量程为12V的恒流源直接作用在金属薄膜两个自由端上，电流密度范围为1×103-1×104A/m2；
(3)采用量程为250N的微拉力机测定纯基板材料的拉伸应力-应变曲线，同时测定通电流下金属薄膜/基板系统的拉伸应力-应变曲线，在相同应变条件下将该两曲线应力相减，得到电载荷下金属薄膜的真实应力-应变曲线，进一步可通过常规0.2％补偿的方法确定出电载荷下金属薄膜的屈服强度。
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