一种量化表征微观薄膜黏附性的装置和方法

技术领域

本发明涉及检测技术领域，尤其涉及对粘附性进行测试的技术。

背景技术

在半导体、面板显示及其他微纳加工领域，材料之间的粘附力对整个产品 的性能影响至关重要。即使在单层薄膜的性能良好的情况下，多层堆叠薄膜的 组合之中，收到表面能，杂质颗粒等其他外界环境因素的影响，往往会出现致 命不良，如膜层脱离，膜层碎裂，气泡，等。

为了规避上述提到的致命性不良，第一步需要做的，就是对膜层之间的黏 附力有一个量化的系统的表征，才可以根据表征数据监控膜层之间的粘附力， 在发生异常时精确的定位到问题点，制定相应的改善方案。

现有的粘附力测试方法大致分为：1.胶带法，即使用标准胶带对膜层进行 粘连；2.外力(剪切，划格)，即通过外力作用后，再进行对比计算，上述方法 存在3个问题：a.更偏向于宏观尺寸薄膜的测试(胶材，膜材，涂料等)，b.结 果收到操作手法的干扰较大，c.更加适合两种体系的横向对比，而不适合单种 体系的绝对值测量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是实现一种微观尺度薄膜之间量化粘附力的测 试装置。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种量化表征微观薄膜黏 附性的装置，装置设有用于放置待测试样品的样品台，所述样品图一侧固定有 立柱，所述立柱上设有横杆，所述横杆延伸至样品台上方的一端通过力学传感 器固定有向下延伸的探头，所述力学传感器通过信号线连接数据处理系统，并 将力信号输送至数据处理系统，所述立柱与横杆之间设有升降机构，所述升降 机构驱动横杆沿着立柱上下运动。

所述探头旁的横杆上固定有采集探头与待测试样品接触情况的光学传感 器，所述光学传感器通过信号线连接数据处理系统，并将图像信号输送至数据 处理系统。

所述升降机构与横杆之间设有平移机构，所述平移机构驱动横杆伸缩调整 探头与待测试样品的接触位置，所述数据处理系统连接升降机构和平移机构， 并输出驱动信号至升降机构和平移机构。

所述样品台上设有用于固定待测试样品的定位槽，所述样品台放置在防震 台上。

所述横杆为具有弹性的金属杆或橡胶杆。

所述探头设有多个，每个所述探头与待测样品接触的区域设有一层不同材 质的目标材料层。

所述探头的材质为聚四氟乙烯或Invar合金，所述目标材料层若选用的目 标材质为有机物时，则采用浸泡或喷涂构成目标材料层，所述目标材料层若选 用的目标材质为无机物时，则采用溅射、化学气相沉积或原子层沉积构成目标 材料层。

一种量化表征微观薄膜黏附性的方法，采用如权利要求1-7所述装置进行 以下操作：

步骤1、调整探头测试位置；

步骤2、下压横杆至探头与待测试样品接触；

步骤3、持续下压横杆至横杆弯曲；

步骤4、上提横杆至探头与待测试样品分离；

步骤5、记录分离时刻力传感器的受力，记录为粘附力。

通过调整探头测试位置，测试待测试样品多点粘附力，进行数据统计分析 获得该抬头目标材料层与待测试样品粘附力参数。

本发明通过设置点阵或者线阵的探头，探头由所需探测的目标材料A制备， 基底为所需探测的目标材料B制备，通过探头于基板的范德华力，计算得目标 材料A于目标材料B得粘附力大小，从而解决微观尺度薄膜之间量化粘附力测 试得技术问题。

附图说明

下面对本发明说明书中每幅附图表达的内容及图中的标记作简要说明：

图1为量化表征微观薄膜黏附性的装置结构示意图；

图2为探头运动过程示意图；

图3、4为粘附力测试原理示意图；

上述图中的标记均为：1、防震台；2、样品台；3、定位槽；4、横杆；5、立柱； 6、探头；7、力学传感器；8、光学传感器；9、数据处理系统。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，本发明的具体实施方式如所涉及的 各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工 作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技 术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

整个装置如图1所示，底部为防震台1，用于对整个系统的稳定，减小外界 震动对测量结果的影响，防震台1上固定有样品台2，样品台2用于放置待测试 样品，为了方便固定样品，在样品台2上设有定位槽3，样品图一侧固定有立柱5，立柱5采用竖直固定方式，立柱5上部水平固定有横杆4，横杆4延伸至样 品台2上方的一端通过力学传感器7固定有向下延伸的探头6，探头6用于与接 触待测试样品，探头6的位于横杆4下方，当横杆4向下移动时会首先接触到 待测试样品，通过力学传感器7能够获取到探头6与待测试样品直接接触时所受的力度。

探头6旁的横杆4上固定有采集探头6与待测试样品接触情况的光学传感 器8，例如可以采样摄像头，光学传感器8通过信号线连接数据处理系统9，并 将图像信号输送至数据处理系统9，力学传感器7通过信号线连接数据处理系统 9，并将力信号输送至数据处理系统9，则能够利用数据处理系统9对数据进行 处理，数据处理系统9可以采用计算。

为了方便自动进行测试，并且能够方便调整测试位置，立柱5与横杆4之 间设有升降机构，升降机构驱动横杆4沿着立柱5上下运动。升降机构与横杆4 之间设有平移机构，平移机构驱动横杆4伸缩调整探头6与待测试样品的接触 位置，数据处理系统9连接升降机构和平移机构，并输出驱动信号至升降机构 和平移机构。通过数据处理系统9对升降机构和平移机构的控制，能够实现探 头6的上下移动，以及调整测试位置的平移，升降机构和平移机构的结构可以 根据需要设计实现，例如将横杆4和立柱5制作成电动伸缩杆，电动伸缩杆内 的电动机构即为升降机构和平移机构，或者立柱5上固定有齿条，齿条两侧的 立柱5上设有导槽，每个导槽内设有滑块，沿着齿条设有齿轮，齿轮通过连接 机构固定在滑块上，连接机构上固定有驱动齿轮转动的电机，则构成了升降机 构，同样的结构也可以固定在横杆4上构成平移机构。

由于测试时需要通过横杆4的弯曲来获得精准的粘附力，因此横杆4为具 有弹性的金属杆或橡胶杆，同时探头6设有多个，每个探头6与待测样品接触 的区域设有一层不同材质的目标材料层，以适应不同产品的测试需求，为了方 便更换，可以在力传感器的下表面设有内螺纹安装座，探头6顶端为与安装座 配合的外螺纹结构，下表面整体整球状、针状、或平面结构，在抬头的下表面 设置不同的目标材料层。

探头6由理化性质稳定的材料包含单不限于聚四氟乙烯,Invar合金材质的 内核，通过恰当的工艺方法制备目标材料A的外层，当目标材料A为有机物时， 可选但不限于浸泡，喷涂等方式，当目标材料B为无机物时，可选但不限于溅 射，化学气相沉积，原子层沉积。

基于上述量化表征微观薄膜黏附性的装置，具体的测试方法如下：

探头6逐渐向待测试样品靠近，如图2(a),当探头6接触到待测试样品表 面后，逐渐进行加载图2(b)-(c),可以通过力传感器信号来判断是否到达图 2(b)，接触一段时间后，这个时间控制可以通过加载时间，也可以通过下行行 程来约束，待接触时间到则逐渐进行卸载，如图2(d)，当探头6即将要脱离待 测试样品时，由于粘附力得作用，不能立即断开，而受到一个反向得力,直到上 升得力大于粘附力后，探头6才能于待测试样品分离，如图2(e),此时力学传 感器7记录下反向力，即为该接触点，目标材料A与目标材料B得粘附力。通 过取多个点后，进行数据统计分析，即刻获得材料A与材料B之间量化的粘附 力大小。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上 述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性 的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在 本发明的保护范围之内。