一种测试力/电耦合场下金属薄膜疲劳寿命的方法

摘要

本发明公开了一种测试力/电耦合场下金属薄膜疲劳寿命的方法，将金属薄膜沉积在聚酰亚胺等柔性基板上，其目的在于这种柔性基板材料的选择能够可以实现循环应力的加载。在加载过程中，极其微小的拉伸载荷将使金属薄膜产生屈服，而柔性基底则仍处于弹性变形阶段，当卸载时，已经屈服的金属薄膜内部将产生压缩应力，从而实现金属薄膜的拉－压疲劳循环加载。金属薄膜上电载荷的施加方法由滚筒式接触装置实现。在金属薄膜上同时施加循环应力和电载荷后，利用恒载荷幅或载荷幅控制下金属薄膜位移幅的突变来表征金属薄膜疲劳损伤的形成，并给出其疲劳寿命。本发明可以人为地模拟实际工况下金属薄膜的多场耦合服役情况，实现了多场疲劳寿命测试。

说明书

技术领域

本发明涉及到金属薄膜材料疲劳寿命的测试方法，适用于微电子等行业中关于金属薄膜材料在力场/电场耦合作用下疲劳寿命的评价。

背景技术

作为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，这些薄膜材料在多次微加工制备和在使用过程中，经常受到循环应力的作用。同时由于电脉冲信号的作用和伴随而来的温度循环以及金属薄膜与基体材料的热失配，使得金属薄膜材料承受循环力/电/热的多场耦合作用。金属薄膜材料在动态多场耦合下的服役行为及其疲劳寿命评价与预测问题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疲劳寿命问题都予以了极大的关注，但是有关力/电耦合场下金属薄膜疲劳寿命的评价却还未曾见有报道，尽管力/电耦合场才是微电子等行业中金属薄膜材料真实的服役条件。造成这一缺憾存在的一个很重要的原因在于，很难实现在金属薄膜上同时施加循环力场和电场。一方面，循环应力的施加会使得薄膜材料始终处在一种伸缩的动态运动变化过程中；另一方面，电场的加载要求薄膜与外电路接触处固定以保证电场的恒定连续施加，这种固定的接触将会对薄膜的动态伸缩运动产生约束作用。该约束作用的后果是，不但限制了薄膜的动态伸缩力学行为，而且还可能造成薄膜与外电路的接触不稳定从而影响了电场的恒定连续加载。

因此，如何在金属薄膜上实现有效的力/电场耦合作用，而又避免同时施加循环力场和施加电场时存在的实验上相互影响的现象，是决定能否测得金属薄膜疲劳寿命的关键。

发明内容

本发明的目的是提供一种测试力/电耦合场下金属薄膜疲劳寿命的方法，它能够模拟实际工况下金属薄膜的服役情况及测定其疲劳寿命，方法简单但是测量精确且具有先验性。

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柔性基板材料上形成试样，柔性基板材料弹性应变≥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Ar气压0.5-1.5Pa；

(2)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，将滚筒式接触装置紧紧地与金属薄膜相接触，两个滚筒分别与外电路的两极相连接，构成电流回路，同时施加电载荷和力载荷，其中电压量程为12V，而应力幅为0-250牛；

(3)由微拉力实验机直接测得不同循环周次n下的应变幅Δε，绘制n-Δε曲线，由应变幅Δε发生突变即为疲劳失效的判剧得到该循环力场/电场耦合作用下该金属薄膜的疲劳寿命。

金属薄膜材料可为任何导电金属，基板材料为任何高弹性非导电材料，若基板材料具有一定的导电性，可在金属薄膜和基板材料之间采用磁控溅射沉积方法先沉积0.2-2.0微米厚度的TiN过渡层。

本发明采用滚筒式接触装置在金属薄膜上施加电载荷，通过循环交变应力+恒稳电场、恒稳应力+循环交变电场以及单调应力+恒稳电场等多种复合形式加载实现有效的力/电场耦合作用，从而可测得力/电耦合场下金属薄膜的疲劳寿命。这种滚筒式接触装置一方面可以保证电载荷的连续不间断施加，另一方面由于这种滚动式的电接触还可以避免对金属薄膜材料产生应力约束作用，避免对金属薄膜的循环应力加载产生影响，由此提供了一种测试力/电耦合场下金属薄膜疲劳寿命的新方法。

本发明可以人为地模拟实际工况下金属薄膜的多场耦合服役情况，并定量测定疲劳寿命，实现了以前无法达到的多场疲劳寿命测试。

附图说明

图1为实现本发明测试方法所采用的装置的结构侧视图；

图2为实现本发明测试方法所采用的装置的结构俯视图。

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、2所示，金属薄膜1两端分别被微拉力机卡头2夹住，卡头2内侧在金属薄膜1上分别接触电流施加装置3，电流施加装置3与施加电载荷4连接。

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。采用磁控溅射沉积方法将金属Cu薄膜沉积在有效工作区上，厚度为20微米，沉积工艺参数为：溅射功率150W；溅射偏压-80V；本底气压4.5×10^-3Pa；工作Ar气压1Pa。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，将滚筒式接触装置紧紧地与铜膜相接触，两个滚筒分别与电流施加装置的两极相连接，构成电流回路。同时施加电载荷和力载荷，其中电压为12V，而应力幅为2-250N。测得不同循环周次n下的应变幅Δε，绘制n-Δε曲线，由应变幅Δε发生突变(突增)即为疲劳失效的判剧可得到该循环力场/电场耦合作用下该Cu金属薄膜的疲劳寿命为780周次。

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。采用磁控溅射沉积方法将金属Al薄膜沉积在有效工作区上，厚度为200纳米，沉积工艺参数为：溅射功率200W；溅射偏压-70V；本底气压4.5×10^-3Pa；工作Ar气压1Pa。。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，将滚筒式接触装置紧紧地与铝膜相接触，两个滚筒分别与电流施加装置的两极相连接，构成电流回路。同时施加电载荷和力载荷，其中电压为6V，而应力幅为3-30N。测得不同循环周次n下的应变幅Δε，绘制n-Δε曲线，由应变幅Δε发生突变(突增)即为疲劳失效的判剧可得到该循环力场/电场耦合作用下该Al金属薄膜的疲劳寿命为6400周次。

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。采用磁控溅射沉积方法将金属Cu薄膜沉积在有效工作区上，厚度为2.5微米，沉积工艺参数为：溅射功率150W；溅射偏压-80V；本底气压4.5×10^-3Pa；工作Ar气压1Pa。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，将滚筒式接触装置紧紧地与铜膜相接触，两个滚筒分别与电流施加装置的两极相连接，构成电流回路。同时施加电载荷和力载荷，其中电压为8V，而应力幅为2-25N。测得不同循环周次n下的应变幅Δε，绘制n-Δε曲线，由Δε发生突变(突增)即为疲劳失效的判剧可得到该循环力场/电场耦合作用下该Cu金属薄膜的疲劳寿命为6000周次。

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。采用磁控溅射沉积方法将金属Cu薄膜沉积在有效工作区上，厚度为0.8微米，沉积工艺参数为：溅射功率150W；溅射偏压-80V；本底气压4.5×10^-3Pa；工作Ar气压1Pa。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，将滚筒式接触装置紧紧地与铜膜相接触，两个滚筒分别与电流施加装置的两极相连接，构成电流回路。同时施加电载荷和力载荷，其中电压幅为-8～8V，而恒应力为5N。测得不同循环周次n下的应变幅Δε，绘制n-Δε曲线，由应变幅Δε发生突变(突增)即为疲劳失效的判剧可得到该力场/循环电场耦合作用下该Cu金属薄膜的疲劳寿命为5700周次。

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。采用磁控溅射沉积方法将金属Al薄膜沉积在有效工作区上，厚度为1.2微米，沉积工艺参数为：溅射功率200W；溅射偏压-70V；本底气压4.5×10^-3Pa；工作Ar气压1Pa。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，将滚筒式接触装置紧紧地与铝膜相接触，两个滚筒分别与电流施加装置的两极相连接，构成电流回路。同时施加电载荷和力载荷，其中电压幅为-6～6V，而恒应力为10N。测得不同循环周次n下的应变幅Δε，绘制n-Δε曲线，由应变幅Δε发生突变(突增)即为疲劳失效的判剧可得到该力场/循环电场耦合作用下该Al金属薄膜的疲劳寿命为7100周次。

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。采用磁控溅射沉积方法将金属Al薄膜沉积在有效工作区上，厚度为1.2微米，沉积工艺参数为：溅射功率200W；溅射偏压-70V；本底气压4.5×10^-3Pa；工作Ar气压1Pa。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，将滚筒式接触装置紧紧地与铝膜相接触，两个滚筒分别与电流施加装置的两极相连接，构成电流回路。同时施加电载荷和力载荷，其中电压幅为-6～6V，而恒应力为100N。测得不同循环周次n下的应变幅Δε，绘制n-Δε曲线，由应变幅Δε发生突变(突增)即为疲劳失效的判剧可得到该力场/循环电场耦合作用下该Al金属薄膜的疲劳寿命为1900周次。

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。采用磁控溅射沉积方法将金属Cu薄膜沉积在有效工作区上，厚度为0.8微米，沉积工艺参数为：溅射功率150W；溅射偏压-80V；本底气压4.5×10^-3Pa；工作Ar气压1Pa。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，将滚筒式接触装置紧紧地与铜膜相接触，两个滚筒分别与电流施加装置的两极相连接，构成电流回路。同时施加电载荷和力载荷，其中电压幅为-8～8V，而恒应力为50N。测得不同循环周次n下的应变幅Δε，绘制n-Δε曲线，由应变幅Δε发生突变(突增)即为疲劳失效的判剧可得到该力场/循环电场耦合作用下该Cu金属薄膜的疲劳寿命为1570周次。

金属薄膜材料可为任何导电金属，基板材料为任何高弹性非导电材料，若基板材料具有一定的导电性，可在金属薄膜和基板材料之间采用磁控溅射沉积方法先沉积0.2-2.0微米厚度的TiN过渡层。