專利名稱：一種測試電流載荷下金屬薄膜屈服強度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微電子等行業(yè)中的金屬薄膜材料屈服強度的測試方法，特別涉及一種測試電流載荷下金屬薄膜屈服強度的方法。
背景技術(shù)：
金屬化布線的金屬薄膜材料(如Cu和Al)廣泛應(yīng)用于超大規(guī)模集成電路和微電子機械系統(tǒng)(MEMS)中。服役工況下，這些薄膜材料通常處在電載荷作用下，其力學(xué)性能將受電流影響，但是這些薄膜材料又必須保持足夠的結(jié)構(gòu)完整和形狀不改變。因此，了解金屬薄膜材料在電載荷下的屈服強度以及屈服變形行為成為保證微電子材料、器件與設(shè)備可靠性運行而亟待解決的實際問題。
一直以來，國內(nèi)外對金屬薄膜的屈服強度都予以了極大的關(guān)注，分別采用納米壓痕法、懸臂梁法、鼓膜法等多種方法對金屬薄膜的屈服強度進(jìn)行了測試，但是在這些測試方法中，由于同時施加電流存在困難，有關(guān)電載荷下金屬薄膜的屈服強度卻還從未曾見有報道，迄今為止有關(guān)電載荷下金屬薄膜屈服強度的測試技術(shù)還沒有得到解決，盡管電載荷是微電子等行業(yè)中金屬薄膜材料真實的服役條件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種測試電流載荷下金屬薄膜屈服強度的方法，該方法簡單易操作，測量精確高。
通過電流源在金屬薄膜兩個自由端上直接施加電載荷，可以人為改變電流密度大小，從而可測得不同電載荷下金屬薄膜材料的屈服強度。由于電流密度較小，其范圍僅為1×103-1×104A/m2，這么小的電流密度可以避免金屬薄膜發(fā)生氧化行為。由此提供了一種測試電載荷下金屬薄膜屈服強度的新方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的按以下步驟進(jìn)行(1)采用磁控濺射沉積方法將金屬薄膜沉積在聚酰亞胺柔性基板上，其彈性應(yīng)變≥5％；金屬薄膜厚度200納米-20微米；沉積工藝參數(shù)為濺射功率120-180W；濺射偏壓-60--80V；本底氣壓3.0×10-3-4.5×10-3Pa；工作氣壓(Ar)0.5-1.5Pa；(2)金屬薄膜上電載荷的施加由量程為12V的恒流源直接作用在金屬薄膜兩個自由端上實現(xiàn)，電流密度范圍為1×103-1×104A/m2；(3)采用量程為250N的微拉力機測定純基板材料的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，同時測定通電流下金屬薄膜/基板系統(tǒng)的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，在相同應(yīng)變條件下將該兩曲線應(yīng)力相減，得到電載荷下金屬薄膜的真實應(yīng)力-應(yīng)變曲線，進(jìn)一步可確定出電載荷下金屬薄膜的屈服強度。
采用本發(fā)明的方法可克服以前測量薄膜屈服強度時無法加電的難題，實現(xiàn)在薄膜上加電的同時測量屈服強度，定量測定電載荷服役情況金屬薄膜的抵抗變形能力。


圖1(a)為本發(fā)明測試方法結(jié)構(gòu)側(cè)視圖；圖1(b)為本發(fā)明測試方法結(jié)構(gòu)俯視圖。
下面結(jié)合實施例對本發(fā)明內(nèi)容進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明具體實施方式
參照附圖1(a)、(b)，沉積在聚酰亞胺基體上的金屬薄膜1兩端分別被微拉力機卡頭2夾住，微拉力機卡頭2往外在金屬薄膜1兩側(cè)自由端分別接觸電加載裝置，以施加電流載荷。
實施例1將聚酰亞胺柔性基板加工成傳統(tǒng)的拉伸試樣形狀，中間窄長區(qū)(20×6mm)為試樣有效工作區(qū)，而兩端的寬大區(qū)為拉伸夾持區(qū)。采用磁控濺射技術(shù)將金屬Cu薄膜沉積在有效工作區(qū)上，金屬薄膜厚度200納米。沉積工藝參數(shù)為濺射功率120；濺射偏壓-60V；本底氣壓3.0×10-3；工作氣壓(Ar)0.5Pa。將試樣水平放置于微拉力實驗機上，拉伸卡頭分別夾持試樣兩端。將電加載夾頭緊緊地與金屬薄膜相接觸，構(gòu)成電流回路。同時施加電載荷和力載荷，其中電流密度為1×103A/m2。采用量程為250N的微拉力機測定純基板材料的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，同時測定通電流下金屬薄膜/基板系統(tǒng)的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，在相同應(yīng)變條件下將該兩曲線應(yīng)力相減，得到電載荷下金屬薄膜的真實應(yīng)力-應(yīng)變曲線，進(jìn)一步可確定出1×103A/m2電流密度下200納米金屬薄膜的屈服強度為820MPa。
實施例2將聚酰亞胺柔性基板加工成傳統(tǒng)的拉伸試樣形狀，中間窄長區(qū)(20×6mm)為試樣有效工作區(qū)，而兩端的寬大區(qū)為拉伸夾持區(qū)。采用磁控濺射技術(shù)將金屬Cu薄膜沉積在有效工作區(qū)上，金屬薄膜厚度20微米。沉積工藝參數(shù)為濺射功率180；濺射偏壓-80V；本底氣壓4.5×10-3；工作氣壓(Ar)1.5Pa。將試樣水平放置于微拉力實驗機上，拉伸卡頭分別夾持試樣兩端。將電加載夾頭緊緊地與金屬薄膜相接觸，構(gòu)成電流回路。同時施加電載荷和力載荷，其中電流密度為1×103A/m2。采用量程為250N的微拉力機測定純基板材料的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，同時測定通電流下金屬薄膜/基板系統(tǒng)的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，在相同應(yīng)變條件下將該兩曲線應(yīng)力相減，得到電載荷下金屬薄膜的真實應(yīng)力-應(yīng)變曲線，進(jìn)一步可確定出1×103A/m2電流密度下20微米金屬薄膜的屈服強度為415MPa。
實施例3將聚酰亞胺柔性基板加工成傳統(tǒng)的拉伸試樣形狀，中間窄長區(qū)(20×6mm)為試樣有效工作區(qū)，而兩端的寬大區(qū)為拉伸夾持區(qū)。采用磁控濺射技術(shù)將金屬Cu薄膜沉積在有效工作區(qū)上，金屬薄膜厚度200納米。沉積工藝參數(shù)為濺射功率180；濺射偏壓-80V；本底氣壓4.5×10-3；工作氣壓(Ar)1.5Pa。將試樣水平放置于微拉力實驗機上，拉伸卡頭分別夾持試樣兩端。將電加載夾頭緊緊地與金屬薄膜相接觸，構(gòu)成電流回路。同時施加電載荷和力載荷，其中電流密度為1×104A/m2。采用量程為250N的微拉力機測定純基板材料的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，同時測定通電流下金屬薄膜/基板系統(tǒng)的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，在相同應(yīng)變條件下將該兩曲線應(yīng)力相減，得到電載荷下金屬薄膜的真實應(yīng)力-應(yīng)變曲線，進(jìn)一步可確定出1×103A/m2電流密度下20微米金屬薄膜的屈服強度為667MPa。
實施例4將聚酰亞胺柔性基板加工成傳統(tǒng)的拉伸試樣形狀，中間窄長區(qū)(20×6mm)為試樣有效工作區(qū)，而兩端的寬大區(qū)為拉伸夾持區(qū)。采用磁控濺射技術(shù)將金屬Cu薄膜沉積在有效工作區(qū)上，金屬薄膜厚度20微米。沉積工藝參數(shù)為濺射功率180；濺射偏壓-80V；本底氣壓4.5×10-3；工作氣壓(Ar)1.5Pa。將試樣水平放置于微拉力實驗機上，拉伸卡頭分別夾持試樣兩端。將電加載夾頭緊緊地與金屬薄膜相接觸，構(gòu)成電流回路。同時施加電載荷和力載荷，其中電流密度為1×104A/m2。采用量程為250N的微拉力機測定純基板材料的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，同時測定通電流下金屬薄膜/基板系統(tǒng)的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，在相同應(yīng)變條件下將該兩曲線應(yīng)力相減，得到電載荷下金屬薄膜的真實應(yīng)力-應(yīng)變曲線，進(jìn)一步可確定出1×103A/m2電流密度下20微米金屬薄膜的屈服強度為241MPa。
實施例5將聚酰亞胺柔性基板加工成傳統(tǒng)的拉伸試樣形狀，中間窄長區(qū)(20×6mm)為試樣有效工作區(qū)，而兩端的寬大區(qū)為拉伸夾持區(qū)。采用磁控濺射技術(shù)將金屬Cu薄膜沉積在有效工作區(qū)上，金屬薄膜厚度10微米。沉積工藝參數(shù)為濺射功率180；濺射偏壓-80V；本底氣壓4.5×10-3；工作氣壓(Ar)1.5Pa。將試樣水平放置于微拉力實驗機上，拉伸卡頭分別夾持試樣兩端。將電加載夾頭緊緊地與金屬薄膜相接觸，構(gòu)成電流回路。同時施加電載荷和力載荷，其中電流密度為1×103A/m2。采用量程為250N的微拉力機測定純基板材料的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，同時測定通電流下金屬薄膜/基板系統(tǒng)的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，在相同應(yīng)變條件下將該兩曲線應(yīng)力相減，得到電載荷下金屬薄膜的真實應(yīng)力-應(yīng)變曲線，進(jìn)一步可確定出1×103A/m2電流密度下20微米金屬薄膜的屈服強度為673MPa。
實施例6
將聚酰亞胺柔性基板加工成傳統(tǒng)的拉伸試樣形狀，中間窄長區(qū)(20×6mm)為試樣有效工作區(qū)，而兩端的寬大區(qū)為拉伸夾持區(qū)。采用磁控濺射技術(shù)將金屬Cu薄膜沉積在有效工作區(qū)上，金屬薄膜厚度5微米。沉積工藝參數(shù)為濺射功率150；濺射偏壓-70V；本底氣壓3.5×10-3；工作氣壓(Ar)1.0Pa。將試樣水平放置于微拉力實驗機上，拉伸卡頭分別夾持試樣兩端。將電加載夾頭緊緊地與金屬薄膜相接觸，構(gòu)成電流回路。同時施加電載荷和力載荷，其中電流密度為5×103A/m2。采用量程為250N的微拉力機測定純基板材料的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，同時測定通電流下金屬薄膜/基板系統(tǒng)的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，在相同應(yīng)變條件下將該兩曲線應(yīng)力相減，得到電載荷下金屬薄膜的真實應(yīng)力-應(yīng)變曲線，進(jìn)一步可確定出1×103A/m2電流密度下20微米金屬薄膜的屈服強度為644MPa。
實施例7將聚酰亞胺柔性基板加工成傳統(tǒng)的拉伸試樣形狀，中間窄長區(qū)(20×6mm)為試樣有效工作區(qū)，而兩端的寬大區(qū)為拉伸夾持區(qū)。采用磁控濺射技術(shù)將金屬Cu薄膜沉積在有效工作區(qū)上，金屬薄膜厚度400納米。沉積工藝參數(shù)為濺射功率130；濺射偏壓-75V；本底氣壓3.5×10-3；工作氣壓(Ar)1.0Pa。將試樣水平放置于微拉力實驗機上，拉伸卡頭分別夾持試樣兩端。將電加載夾頭緊緊地與金屬薄膜相接觸，構(gòu)成電流回路。同時施加電載荷和力載荷，其中電流密度為7×103A/m2。采用量程為250N的微拉力機測定純基板材料的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，同時測定通電流下金屬薄膜/基板系統(tǒng)的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，在相同應(yīng)變條件下將該兩曲線應(yīng)力相減，得到電載荷下金屬薄膜的真實應(yīng)力-應(yīng)變曲線，進(jìn)一步可確定出1×103A/m2電流密度下20微米金屬薄膜的屈服強度為623MPa。
實施例8將聚酰亞胺柔性基板加工成傳統(tǒng)的拉伸試樣形狀，中間窄長區(qū)(20×6mm)為試樣有效工作區(qū)，而兩端的寬大區(qū)為拉伸夾持區(qū)。采用磁控濺射技術(shù)將金屬Cu薄膜沉積在有效工作區(qū)上，金屬薄膜厚度15微米。沉積工藝參數(shù)為濺射功率150；濺射偏壓-70V；本底氣壓3.5×10-3；工作氣壓(Ar)1.0Pa。將試樣水平放置于微拉力實驗機上，拉伸卡頭分別夾持試樣兩端。將電加載夾頭緊緊地與金屬薄膜相接觸，構(gòu)成電流回路。同時施加電載荷和力載荷，其中電流密度為9×103A/m2。采用量程為250N的微拉力機測定純基板材料的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，同時測定通電流下金屬薄膜/基板系統(tǒng)的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，在相同應(yīng)變條件下將該兩曲線應(yīng)力相減，得到電載荷下金屬薄膜的真實應(yīng)力-應(yīng)變曲線，進(jìn)一步可確定出1×103A/m2電流密度下20微米金屬薄膜的屈服強度為315MPa。
實施例9將聚酰亞胺柔性基板加工成傳統(tǒng)的拉伸試樣形狀，中間窄長區(qū)(20×6mm)為試樣有效工作區(qū)，而兩端的寬大區(qū)為拉伸夾持區(qū)。采用磁控濺射技術(shù)將金屬Al薄膜沉積在有效工作區(qū)上，金屬薄膜厚度15微米。沉積工藝參數(shù)為濺射功率150；濺射偏壓-70V；本底氣壓3.5×10-3；工作氣壓(Ar)1.0Pa。將試樣水平放置于微拉力實驗機上，拉伸卡頭分別夾持試樣兩端。將電加載夾頭緊緊地與金屬薄膜相接觸，構(gòu)成電流回路。同時施加電載荷和力載荷，其中電流密度為9×103A/m2。采用量程為250N的微拉力機測定純基板材料的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，同時測定通電流下金屬薄膜/基板系統(tǒng)的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，在相同應(yīng)變條件下將該兩曲線應(yīng)力相減，得到電載荷下金屬薄膜的真實應(yīng)力-應(yīng)變曲線，進(jìn)一步可確定出1×103A/m2電流密度下20微米金屬薄膜的屈服強度為364MPa。
實施例10將聚酰亞胺柔性基板加工成傳統(tǒng)的拉伸試樣形狀，中間窄長區(qū)(20×6mm)為試樣有效工作區(qū)，而兩端的寬大區(qū)為拉伸夾持區(qū)。采用磁控濺射技術(shù)將金屬Ag薄膜沉積在有效工作區(qū)上，金屬薄膜厚度15微米。沉積工藝參數(shù)為濺射功率150；濺射偏壓-70V；本底氣壓3.5×10-3；工作氣壓(Ar)1.0Pa。將試樣水平放置于微拉力實驗機上，拉伸卡頭分別夾持試樣兩端。將電加載夾頭緊緊地與金屬薄膜相接觸，構(gòu)成電流回路。同時施加電載荷和力載荷，其中電流密度為9×103A/m2。采用量程為250N的微拉力機測定純基板材料的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，同時測定通電流下金屬薄膜/基板系統(tǒng)的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，在相同應(yīng)變條件下將該兩曲線應(yīng)力相減，得到電載荷下金屬薄膜的真實應(yīng)力-應(yīng)變曲線，進(jìn)一步可確定出1×103A/m2電流密度下20微米金屬薄膜的屈服強度為298MPa。
實施例11將聚酰亞胺柔性基板加工成傳統(tǒng)的拉伸試樣形狀，中間窄長區(qū)(20×6mm)為試樣有效工作區(qū)，而兩端的寬大區(qū)為拉伸夾持區(qū)。采用磁控濺射技術(shù)將金屬Fe薄膜沉積在有效工作區(qū)上，金屬薄膜厚度15微米。沉積工藝參數(shù)為濺射功率150；濺射偏壓-70V；本底氣壓3.5×10-3；工作氣壓(Ar)1.0Pa。將試樣水平放置于微拉力實驗機上，拉伸卡頭分別夾持試樣兩端。將電加載夾頭緊緊地與金屬薄膜相接觸，構(gòu)成電流回路。同時施加電載荷和力載荷，其中電流密度為9×103A/m2。采用量程為250N的微拉力機測定純基板材料的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，同時測定通電流下金屬薄膜/基板系統(tǒng)的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，在相同應(yīng)變條件下將該兩曲線應(yīng)力相減，得到電載荷下金屬薄膜的真實應(yīng)力-應(yīng)變曲線，進(jìn)一步可確定出1×103A/m2電流密度下20微米金屬薄膜的屈服強度為377MPa。
權(quán)利要求
1.一種測試電載荷下金屬薄膜屈服強度的方法，其特征在于，包括以下步驟(1)采用磁控濺射沉積方法將金屬薄膜沉積在聚酰亞胺柔性基板上，其彈性應(yīng)變≥5％；金屬薄膜厚度200納米-20微米；沉積工藝參數(shù)為濺射功率120-180W；濺射偏壓-60--80V；本底氣壓3.0×10-3-4.5×10-3Pa；工作氣壓Ar 0.5-1.5Pa；(2)金屬薄膜上電載荷的施加由量程為12V的恒流源直接作用在金屬薄膜兩個自由端上，電流密度范圍為1×103-1×104A/m2；(3)采用量程為250N的微拉力機測定純基板材料的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，同時測定通電流下金屬薄膜/基板系統(tǒng)的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，在相同應(yīng)變條件下將該兩曲線應(yīng)力相減，得到電載荷下金屬薄膜的真實應(yīng)力-應(yīng)變曲線，進(jìn)一步可通過常規(guī)0.2％補償?shù)姆椒ù_定出電載荷下金屬薄膜的屈服強度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種測試電流載荷下金屬薄膜屈服強度的方法，包括將金屬薄膜沉積在聚酰亞胺等柔性基板上，其目的在于這種高彈性柔性基板材料的選擇可以很容易地實現(xiàn)基板應(yīng)力的扣除。在電流載荷與拉伸載荷耦合加載過程中，一定的拉伸載荷將使金屬薄膜產(chǎn)生屈服，而與其界面結(jié)合良好的柔性基板則仍處于彈性變形階段，此時，總應(yīng)力減去相同形變下基板承載的應(yīng)力即為金屬薄膜內(nèi)的應(yīng)力，進(jìn)而可以換算為其強度值。金屬薄膜上電載荷的施加可以在薄膜兩個自由端直接通電實現(xiàn)。在金屬薄膜上施加電載荷后，由應(yīng)力－應(yīng)變曲線可確定不同電流密度下金屬薄膜的屈服強度。
文檔編號G01N1/28GK1924548SQ200610104578
公開日2007年3月7日 申請日期2006年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月15日
發(fā)明者孫軍, 劉剛, 牛榮梅, 江峰, 丁向東, 宋忠孝, 徐可為 申請人:西安交通大學(xué)