Способ испытания диэлектрических пленок и устройство для его осуществления

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК.SU»1270 (59 4 G 01 N 3/42

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ASTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3807966/25-28 (22) 30.10.84 (46) 15.11.86. Бюл. Ф 42 (72) В.И.Анисимов, А.В.Кислецов, В.В.Колокольчиков, А.С.Подкопаев и В.С.Труфанов (53) 620.178(088.8) (56) Микротвердомер IIMT-3, ЛОМО. Инструкция по эксплуатации. Л., 1974, с. 3-38.

Рафалович А.Дж. Определение твердости тонких диэлектрических пленок, — Приборы для научных исследований, 1966, У 3, с. 121. (54) СПОСОБ HCIIblTAHHSI ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЛЕНОК И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к измерительной технике, а именно к определению свойств диэлектрических пленок. Целью изобретения является повышение информативности путем определения диэлектрической проницаемости, пористости, прочностных и вязкоупругих свойств пленки ° Поставленная цель достигается тем, что устройство для испытания пленок, содержащее электропроводную подложку 1 для размещения пленки 2, индентор 3 с электропроводной поверхностью и узел 4 нагружения с силоиэмерителем 5, снабжено диэлектрической перемычкой 8, закрепленной на ней электропроводной пластиной 9; разме,щенной напротив подложки 1 с воэможностью регулировки воздушного зазора, и измерительно-информационной системой 10. Индентор 3 с пленкой 2 и подложкой 1 образуют емкостной датчик 6, а пластина 9 с воздушным зазором и подложкой 1 — емкостной датчик 7, При вдавливании индентора

3 в пленку 2 изменяется величина — ) 77

12 70638

Юч+ 1 ч 1 емкости датчика 6 и связанного с ним датчика 7. Эти емкости измеряют, сравнивают, определяют глубину внедрения индентора и с ее учетом, а также с учетом измерения силы вдавлиИзобретение относится к измерительной технике, а именно к определению свойств диэлектрических пленок.

Цель изобретения — повышение информативности путем определения. диэлектрической проницаемости, пористости, прочностных и вязкоупругих свойств пленки.

На чертеже представлено устройство для испытания диэлектрических пленок.

Устройство содержит электропроводную подложку 1 с размещенной на ней диэлектрической пленкой 2, индентор 3 с электропроводной поверхностью, узел 4 нагружения с силоизмерителем 5, выполненным, например, в виде электромеханического датчика силы, а также два емкостных датчика

6 и 7, общей обкладкой которых является подложка 1, а двумя другими обкладками — индентор 3 и жестко соединенная с ним диэлектрической перемычкой 8 электропроводная пластина 9, расположенная над подложкой 1 в зоне вне пленки 2, измерительноинформационную систему l0, включающую блок 11 регистрации нагрузки, связанный с силоизмерителем 5, блоки 12 и 13 регистрации емкостей, связанные с датчиками 6 и 7, блок ,14 сравнения емкостей, блок 15 регистрации временной зависимости изменения относительной диэлектрической проницаемости, блок 16 регистрации глубины внедрения индентора и-., программное устройство 17, включающее блок 18 опорных напряжений и уси-, литель преобразователя 19„, которое соединено с узлом 4 нагружения„ включающим, кроме того, узел 20 для закручивайия индентора 3 вокруг оси.

Устройство работает следующим образом. вания определяют твердость, диэлектрическую проницаемость, пористость, пластические, прочностные и вязко— упругие свойства диэлектрических пленок. 2 с.к. 7 з.п, ф лы, 1 ил.

Диэлектрическую пленку 2 помещают на электропроводную подложку 1, нагружают индентор 3 с помощью узла 4 нагружения по заданному программным

5 устройством 17 закону, например с постоянной скоростью деформации. Силоизмерителем 5 в каждый момент времени измеряют силу нагружения. Сигнал с силоизмерителя 5 подают в блок !1 регистрации нагрузки измерительноинформационной системы 10. Одновременно при нагружении индентора 3 в блоки 12 и 13 регистрации емкостей измерительно-информационной системы

10 подают сигналы с емкостных датчиков 6 и 7, а. блок 14 сравнения измерительно-информационной системы 10 регистрирует и сравнивает эти сиг. налы.

Сигнал управления c4(t) узлом 4 нагружения формируется блоком 18 опорных напряжений программного устройства 17 и через усилительпреобразователь 19 задает закон нагружения.

Способ испытания диэлектрических пленок реализуется следующим образом.

При вдавливании индентора в плен- ку измеряют силу вдавливания Р(t);

Зб а также электрические емкости между индентором и подложкой с пленкой и воздушного зазора, зависящего от пе-. ремещения индентора, сравнивают эти емкости, по результатам сравнения определяют глубину внедрения индентора 6 (с) и диэлектрическую проницаемость Ь(с) и по полученным данным определяют пористость, твердостЬ и другие механические характеристик ки пленки.

Пористость пленки определяют по формуле

12706

6= 2Лж.(1+ЕЛИ- — (4-Й)) п — Ü И жЬ1 где С вЂ” изменение емкости между индентором и подложкой;

R — радиус индентора, м;

h — толщина пленки, м; б — глубина внедрения индентора, м;

Ь. — электрическая постоянная

8,854 10 Ф/м.

В некоторых случаях требуется управлять нагружением по сложному закону, зависящему от изменения одной из регистрируемых величин P(t), 40

< ()., 6(с). Для этого нагружение индентора проводят по крайней мере дважды, причем при первом тестовом нагружении, например при монотонновозврастающей нагрузке, определяет-. ся характер изменения регистрируемых величин, а затем проводятся последующие нагружения по закону 4(t) в зависимости от изменения одной из этих величин, например в испытаниях на ползучесть при определенном уровне нагрузки P(t) = const.

При испытаниях представляет интерес определение механических свойств пленки (предела упругости, текучести, 55 прочности) при деформировании ее по сложному закону нагружения. Для это" го индентор при вдавливании его в

30 з где К вЂ” относительная объемная концентрация пор в пленке, относительная диэлектрическая проницаемость компактного материала. 5

Твердость пленки определяют по отношению нагрузки Р() к остаточной глубине внедрения индентора a (t) после снятия нагрузки либо по отношению нагрузки P(t) к площади пластического отпечатка, определяемой по глубине внедрения индентора.

Пластические и прочностные свойства определяют из диаграмм зависимостей Р(Ю), 15

Вязкоу свойства определяют из диаграмм зависимостей P(t) и

+(t) где t --время нагружения и внедрения индентора.

Диэлектрическую проницаемость при 2р вдавливании плоского индентора определяют по формуле для плоского конденсатора, а при вдавливании сфери,ческого индентора по формуле

38 4 пленку одновременно закручивают вокруг оси.

Для определения предела выносливости пленки, а также площади петли гистерезиса нагрузка-деформация при чередующейся нагрузке и разгруке нагружение индентора проводят циклически, изменяя нагрузку по периодическому закону, Диэлектрические пленки в общем случае материалы пористые, и концентрация пор в зоне вдавливания индентора изменяется. Однако при эксплуа1 тации пленок необходимо знать законы нагружения, при которых пористость их остается постоянной. Для этого процесс вдавливания плоского индентора в пленку проводят при постоянной величине отношения измеряемых емкостей. В этом случае сохраняется постоянным значение диэлектрической проницаемости пленки 6(t) под индентором и, как следует из формулы для К, концентрация пор тоже будет постоянной.

При испытаниях очень твердых диэлектрических пленок индентор в процессе испытаний деформируется вдоль оси приложения нагрузки, причем величина деформации становится сравнимой с толщиной пленки и ее необходимо учитывать при исследованиях свойств пленки. Для этого предварительно устанавливают величину возДушного зазора емкостного датчика 7 равной толщине пленки, нагружают индентор 3 до исчезновения воздушноf o зазора, т.е; до касания электро-. проводной пластиной 9 подложки 1, и по величине емкости датчика 6 судят о величине деформации индентора 3.

Формула изобретения

1. Способ испытания диэлектрических пленок, заключающийся в том, что пленку помещают на электропроводную подложку, нагружают индентор, вдавливают его в пленку, определяют силу вдавливания, по величине которой определяют твердость, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью повышения информативности, измеряют дополнительно электрические емкости между индентором и подложкой с пленкой и воздушного зазора, зависящего

70638 где С изменение емкости между индентором и подложкой, радиус индентора, м; толщина пленки, м, глубина внедрения индентора, м; электрическая постоянная

8, 854 10 Ф/м.

Составитель С.Барабанов

Техред Л.Олейник Корр ект ор С . Чер ни

Редактор М.Дылын

Заказ 6235/45 Тираж 778

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Подписное

Производственно-полиграфическое предприятие, r.Óèãoðoä, ул.Проектная, 4

S 12 от перемещения индентора, сравнивают их, определяют глубину внедрения индентора и с ее учетом определяют твердость, диэлектрическую проницаемость, пористость, пластические, прочностные и вязкоупругие свойства пленки, 2. Способ по п. 1, о т л и ч аю шийся тем, что нагружение проводят по крайней мере дважды и по результатам первого нагружения осуществляют последующие нагружения в зависимости от измеряемых величин, 3. Способ по п. 1 о т л и ч аю шийся тем, что при нагружении индентора одновременно его закручивают вокруг оси.

4. Способ по п. 1, о т л и ч аю шийся тем, что, с целью определения усталостных свойств пленки, нагружение проводят циклически.

5, Способ по п. 1, о т л и ч аю шийся тем, что нагружение проводят при постоянной величине отношения измеренных емкостей.

6. Способ по п. 1, о т л и ч аю шийся тем, что, с целью повышения точности за счет учета деформа.ции индентора, устанавливают воздушный зазор равным толщине пленки, нагружение проводят до его исчезновения, определяют деформацию инден— тора и с ее учетом определяют характеристики пленки.

7. Способ по п. 1, о т л и ч аю шийся тем, что при определении диэлектрической проницаемости при нагружении сферическим индентором ее определяют по формуле б

8. Устройство для испытания ди15 электрических пленок, содержащее электропроводную подложку для размещения пленки, установленный напротив нее индентор с электропроводной по— верхностью, узел нагружения инденто20 ра и силоизмеритель, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения информативности, оно снабжено диэлектрической перемычкой, жестко соединенной посредством нее с инден25 тором электропроводной пластиной, размещенной напротив подложки с возможностью регулировки воздушного зазора и образующей с ней емкостный датчик, измерительно †информационн

30 системой, соединенной с силоизмерителем, первым и вторым образованным индентором и подложкой с пленкой, емкостными датчиками и программным устройством, связанным с узлом нагру35

9. Устройство по п. 8, о т л ич а ю щ е е с я тем, что узел нагружения включает узел для закручивания индентора вокруг оси.