[发明专利]测量硅基体与膜基结合强度的方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种测量技术领域的方法，特别是一种测量硅基体与膜基结合强度的方法。

背景技术

硅被广泛应用于计算机芯片制造及微电子机械系统中。而基于硅的薄膜技术及薄膜性能也直接决定了芯片与微电子机械系统的稳定性与工作寿命。因此，对于硅与薄膜的结合强度需要一个统一的评价标准与精确的测量方法。已有技术中包括四点弯曲法，划痕法，压痕法等。其中，四点弯曲法在工业应用中已较为普遍，它需要制作标准试样，依靠样品发生弯曲时薄膜和基体脱离，薄膜与基体间产生裂纹来计算膜基结合强度的，是对膜基结合强度定性及定量分析的较理想方法。但是，这一方法对样品的准备要求比较高，不适合有复杂几何形状的样品。划痕法也是常用的方法之一。它是用半球型压头在薄膜表面划动，当载荷增大到临界值时，薄膜破裂剥落。划痕过程较为复杂，临界载荷值受到膜厚、膜与基体的硬度以及膜基结合强度等因素的综合影响，因此临界载荷是一个综合指标，它无法直接代表界面结合强度。压痕法也是较常用的结合强度测试方法。在不同的载荷下进行表面压入试验，达到一定载荷时，薄膜与基体协调的条件被破坏，出现周向裂纹及薄膜环状剥落，载荷和裂纹长度可用来表征结合强度。但是压入过程中薄膜的破坏方式还不确定，难以从实验上控制裂纹首先从界面处萌生；压入过程中界面的受力和破坏过程还不清楚，膜基结构因素对临界载荷的影响也难以分析。由上述方法可见，硅基体膜基结合强度的测量尚没有统一的、适合不同几何尺寸的、试验结果可以相互转换的实验手段。因此，建立一套便捷、有效、准确的，适合复杂几何形状硅基体的膜基结合力测量方法对定量检测硅基体成膜质量有十分重要的意义。

经对现有技术的文献检索发现，中国专利号200310108307.5，名称为“内涨鼓泡法检测金刚石涂层附着强度的测试方法”，提出使用油压加载，在自制的控制系统下进行鼓泡法检测膜基结合强度的方法。由于样品的制备方法以及测试设备的构建较为复杂而不便于推广及应用，测量精度亦会受到自制设备限制，且油压方式加载无法顾及液体压缩带来的误差影响，故而有改进的余地和空间。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种测量硅基体与膜基结合强度的方法。本发明能克服已有检测设备定性测量或样品尺寸要求高的不足，可以依靠现有设备及成熟的制样工艺，利用接触式背面穿透法较快速地定量检测复杂形状下膜基结合强度的方法。

本发明是通过如下的技术方案实现的：在硅基底背面使用刻蚀法制作带窗口的图案，在窗口中预留部分基体作为加载的平台。基底正面的薄膜暴露在背面的窗口中，当预留下的基体受压穿透基体并带动薄膜脱离基体时，记录发生的最大法向位移，由已有的公式得出自由能释放率，以此即可表征膜基体系的结合强度。

本发明具体包括如下步骤：

(1)待测部件的前处理：在镀膜硅基体的背面进行刻蚀制作图案，经腐蚀直到正面的薄膜暴露，且不损伤薄膜。

(2)准备加载支架，固定待测部件的位置，将纳米压痕硬度仪压头置于基体的凸出楔形块顶部，随着压头压入，薄膜受压离开基体，至薄膜与基体完全脱离。

(3)纳米压痕仪实时记录压头的位移和载荷，由位移载荷曲线得到薄膜脱离基体后的法向位移以及此时受到的载荷大小。

(4)通过板壳理论相应公式，获得薄膜与基体结合强度。

步骤(1)中，所述的刻蚀制作图案，其图案周围设有镂空的窗口空腔，此窗口空腔为后续的凸出楔形块预留空间。

所述的刻蚀，是指：光刻腐蚀，或湿法腐蚀，或反应离子刻蚀。

所述的步骤(2)，包括步骤如下：

①加载支架的准备：在平板上预制圆形缺口，为纳米压痕仪压头压入保留伸展空间。

②制作两张同尺寸，相同位置设有缺口的定位用薄纸。

③将待测部件薄膜的正面向下放置于加载支架上，基体窗口空腔中的凸出楔形块顶部处于定位薄纸缺口中心，保证薄膜凸起部分完全处于自由伸展状态。

④固定待测部件的位置后，去除定位薄纸，将纳米压痕仪压头对准凸出楔形块顶部。

⑤启动纳米压痕仪，使用位移载荷加载，将基体空腔中的凸出楔形块顶出，带动薄膜剥离和薄膜凸起。

所述的凸出楔形块，为半金字塔形或圆柱体形。