(57)【要約】【課題】基盤表面上に形成した無機質膜の剥離力を測定する従来の方法は、いずれも接着面や接着界面の破壊、試験材の変形、破壊等を生じる問題があった。【解決手段】荷重付加装置により基盤表面上の無機質材料膜に球状圧子を押圧する負荷と、該負荷を除去する除荷を繰り返しつつ負荷を増大させ、各負荷の荷重と該各荷重に対応する球状圧子による無機材料膜の圧入深さを深さ計測装置により測定して該圧入深さと圧入荷重の関係曲線を求め、理論式により応力と歪みの関係曲線を算出し、前記応力と歪みの関係曲線により降伏圧力を求め、前記降伏圧力により前記無機材料膜の剥離力を求める演算を行う。【選択図】    図１
2004170160.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基盤表面上の無機質材料膜に球状圧子を押圧する負荷と、該負荷を除去する除荷を繰り返しつつ負荷を増大し、
各負荷の荷重と該各荷重に対応する球状圧子による無機材料膜の圧入深さを測定して該圧入深さと圧入荷重の関係曲線を求め、
理論式により応力と歪みの関係曲線を算出し、
前記応力と歪みの関係曲線により降伏圧力を求め、
前記降伏圧力により前記無機材料膜の剥離力を求めることを特徴とする無機質膜の剥離力測定方法。
【請求項２】
基盤表面上の無機質材料膜に球状圧子を押圧する負荷と、該負荷を除去する除荷を繰り返しつつ負荷を増大する荷重負荷・除荷装置と、
前記球状圧子を負荷した際に生じる無機質材料膜上の圧子圧入深さを計測する深さ計測装置と、
各負荷の荷重と該各荷重に対応する球状圧子による無機材料膜の圧入深さの測定値により該圧入深さと圧入荷重の関係曲線を求め、理論式により応力と歪みの関係曲線を算出し、前記応力と歪みの関係曲線により降伏圧力を求め、前記降伏圧力により前記無機材料膜の剥離力を求める演算手段とを備えたことを特徴とする無機質膜の剥離力測定装置。
【請求項３】
前記荷重負荷・除荷装置は、ＷＣ製の圧子を用い、該圧子に５０Ｎ以上５ＫＮ以下の荷重を負荷するものであることを特徴とする請求項２記載の無機質膜の剥離力測定装置。
【請求項４】
圧子の直径は２ｍｍ以上８ｍｍ未満であることを特徴とする請求項２記載の無機質膜の剥離力測定装置。
【請求項５】
前記荷重負荷装置は、５ＫＮまでの間において５Ｎ／秒以上２０Ｎ／秒以下で負荷と除荷を行うことを特徴とする請求項２記載の無機質膜の剥離力測定装置。
【請求項６】
前記深さ計測手段は、１ミクロン以下の精度を備えたレーザ変位計を用いることを特徴とする請求項２記載の無機質膜の剥離力測定装置。
【請求項７】
降伏接触圧が４ＧＰａ未満となることにより剥離を評価することを特徴とする請求項２記載の無機質膜の剥離力測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧膜無機材料を基板に設けてなる半導体素子上の絶縁コートや耐熱コーティング材料の剥離力を測定する方法及び装置に関し、特に、球状圧子による負荷を利用した無機質膜の剥離力測定方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の圧膜の接着強度の測定装置においてはコート材料にフィルムを接着し、上方に引き抜く試験（特許文献１）、積層材を直接持ち上げるピール試験（特許文献２）、接触ツールで導体を水平方向に押すことで押圧力を測定する試験（特許文献３）等が提案されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平５−２４９０２６号公報
【特許文献２】
ＷＯ９６／００８９１
【特許文献３】
特開２０００ー３２１１９６号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のピール試験、引っ張り試験、押圧力測定試験等の剥離強度測定装置における測定方法では、荷重を瞬時に負荷したり、また強制的に導体を剥ぎ取ったりするため、測定データは接着界面の剥離やフィルムの破壊、接着面の破壊、及びピール試験材の変形、破壊等を含んだ結果になってしまい正確な剥離強度を判定することが困難であった。
【０００５】
したがって本発明は、上記従来の剥離強度測定装置の問題点を解決するため、無機質膜表面に大領域の変形等を生じることなく、無機質膜の剥離力を測定することができるようにした無機質膜の剥離力測定装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は次に述べるような基本的技術思想により上記課題を解決するものである。即ち、基板上に設けられた無機質の薄膜に球状の圧子にて所定の荷重まで負荷し、その負荷を除荷する。このときに負荷と圧子の厚入距離を測定し、降伏接触圧が弾性反発の推進力となり膜の剥離をもたらす力となりうることに着目して、剥離推進力として剥離に係る降伏接触圧を求めるものである。特にこの方法は、金属基板の上に設けられた脆性のある無機質の材料の接着力を測定する際に有効である。
【０００７】
本発明は上記の思想に基づき、基盤表面上の無機質材料膜に球状圧子を押圧する負荷と、該負荷を除去する除荷を繰り返しつつ負荷を増大し、各負荷の荷重と該各荷重に対応する球状圧子による無機材料膜の圧入深さを測定して該圧入深さと圧入荷重の関係曲線を求め、理論式により応力と歪みの関係曲線を算出し、前記応力と歪みの関係曲線により降伏圧力を求め、前記降伏圧力により前記無機材料膜の剥離力を求める無機質膜の剥離力測定方法としたものである。
【０００８】
また、基盤表面上の無機質材料膜に球状圧子を押圧する負荷と、該負荷を除去する除荷を繰り返しつつ負荷を増大する荷重負荷・除荷装置と、前記球状圧子を負荷した際に生じる無機質材料膜上の圧子圧入深さを計測する深さ計測装置と、各負荷の荷重と該各荷重に対応する球状圧子による無機材料膜の圧入深さの測定値により該圧入深さと圧入荷重の関係曲線を求め、理論式により応力と歪みの関係曲線を算出し、前記応力と歪みの関係曲線により降伏圧力を求め、前記降伏圧力により前記無機材料膜の剥離力を求める演算手段とを備えた無機質膜の剥離力測定装置としたものである。
【０００９】
更に前記無機質膜の剥離力測定装置において、前記荷重負荷・除荷装置はＷＣ製の圧子を用い、該圧子に５０Ｎ以上５ＫＮ以下の荷重を負荷するものであり、また、圧子の直径は２ｍｍ以上８ｍｍ未満とし、また、前記荷重負荷装置は５ＫＮまでの間において５Ｎ／秒以上２０Ｎ／秒以下で負荷と除荷を行うものであり、また、前記深さ計測手段は１ミクロン以下の精度を備えたレーザ変位計を用い、また、降伏接触圧が４ＧＰａ未満となることにより剥離を評価するようにしたものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明による無機質膜の剥離力の測定に際しては、例えば図１に示す装置により測定することができる。この測定装置においては、固定フレーム７に上下動自在に支持された可動フレーム８に圧子固定部材５を設け、この圧子固定部材５の下端部に圧子１を固定しており、この圧子１の下方の支持台９上には試験片４を固定している。それにより、可動フレーム８を図中下方に移動させると、圧子固定部材５を介して圧子１が下方に移動し、試験片４の表面１１に圧子１を押圧することができるようにしている。
【００１１】
圧子１はタングステンカーバイト（ＷＣ）製の球体であり、その圧子１に対して荷重負荷・除荷試験装置２により５０Ｎから５ＫＮまでの加重を負荷できる。図示の例では支持台９に変位計３を固定し、圧子固定部材５に固定したアーム６の下面に光学式変位計の光を照射し、可動フレーム８の降下量、即ち圧子１の降下量を計測することができるようにし、特に試験片４の表面１１に圧子１が接触してから、試験片４内に圧子１が圧入した深さを正確に計測することができるようにしている。
【００１２】
ＷＣ製の球状圧子の直径は２ｍｍから８ｍｍ程度のものを使用し、荷重負荷・除荷装置２は５０Ｎから２ＫＮまでの荷重を３０分以上加えて除荷できるものを使用する。このときの圧入深さを計測する変位計３は、精度１ミクロン以下のレーザ変位計を使用する。
【００１３】
上記のような装置を使用し、金属基盤７に無機質膜８としてのセラミック薄膜を設けた試験片４の表面１１にＷＣ製圧子１を荷重負荷・除荷装置２にて押しつけ、進入深さと荷重を計算し、以下の式で最大圧入荷重を計算する。なお、このときの演算は、基盤表面上の無機質膜８に球状圧子１を押圧する負荷と、この負荷を除去する除荷を繰り返しながら次第に負荷を増大させ、各負荷の荷重と該各荷重に対応する球状圧子１による無機質膜の圧入深さｈを測定して、図２（ａ）に示すような圧入深さｈと圧入荷重Ｐの関係曲線を求め、下記の理論式により応力と歪みの関係曲線を算出し、図２（ｂ）に示すような前記応力と歪みの関係曲線により降伏圧力を求め、前記降伏圧力により前記無機材料膜の剥離力を求める演算を行うものである。
【００１４】
実際に無機質材料膜の剥離力を求めるに際しては、降伏接触圧や初期の傾きから、縦軸に圧入荷重、横軸に圧入深さｈの１．５乗を取ったグラフから傾き（ｋｅ）と降伏点（降伏荷重：Ｐｙ）を求める。なお、これらの演算は演算装置１０に各データを直接入力し、或いは別途入力することにより容易に行うことができる。
【数１】
2004170160.tif 000003
：弾性体の圧子圧入の関係式
【数２】
2004170160.tif 000004
：ヘルツの弾性解の定数部
【数３】
2004170160.tif 000005
【数４】
2004170160.tif 000006
Ｐ：圧入荷重
ｈ：圧入深さ
Ｅ：試料（セラミックス膜）の弾性率
Ｅｉ：圧子の弾性率（ＷＣ：５３４ＧＰａ）
ν：試料（セラミックス膜）のポアソン比
νｉ：圧子のポアソン比（ＷＣで０．２８）
Ｒ：圧子径
Ｐｍ：弾性反発力（降伏接触圧）
【００１５】
Ｐｍと（ｈ／Ｒ）０．５の図表から最大Ｐｙを求めることができる。この降伏接触圧が圧子除荷時の弾性反発力となり剥離を起こさせる原動力となるため、Ｐｍはできるだけ大きな値であることが望ましい。
【００１６】
本装置で圧子圧入時の最大弾性反発力を測定することにより剥離の原動力がわかる。この値は球と素材の弾性率やポアソン比、圧子の径、膜の厚さを考慮しており、圧縮された素材が除荷時に元に戻ろうとする動きをするためその力が界面剥離を生み出すことになる。そのため最大弾性反発力はできるだけ大きな材料になっていることが望ましい。
【００１７】
ＷＣ製の球状圧子を使う理由は金属・非金属系材料では最も剛性が高く実用に耐えうる材料であるためである。ＷＣ製の球状圧子の直径は２ｍｍから８ｍｍとすることが好ましく、２ｍｍ未満では薄膜及び基材の塑性変形を起こしやすくなり反発力が生じない。また８ｍｍ以上では素材の凹凸の影響を受けやすくなることと過度な荷重を必要とし薄膜を破壊してしまう。
【００１８】
荷重付加装置では５ＫＮまでの間において５Ｎ／秒以上、２０Ｎ／秒以下で加圧／除荷することが好ましいく、この範囲に設定することにより基材と薄膜に適度な残留応力を付与することができ、早すぎると衝撃的な応力が伝わり破壊を起こし、遅すぎると塑性変形を起こすためである。どちらでも残留応力による歪みエネルギーを消費するため剥離力にならない。圧入深さを計測する装置は精度１ミクロン以下のレーザー変位計を用いることが好ましく、試験される薄膜の厚みは通常０．２から数ミクロンであるため、渦電流式では圧子に渦電流を起こさせる過大な金属板を取り付けねばならず精度も下がり現実的ではないためである。
【００１９】
（実施例）
薄膜プロセスとしては耐熱コーティング用に活用されている溶射法を用い、試料は基材として５０ｍｍ×５０ｍｍ×３ｍｍのインコネル６００、溶射材料として８ｗｔ％安定化ジルコニア（ＭＥＴＣＯ２０４ＮＳ−Ｇ）、中間ボンドコートとしてＮｉＣｏＣｒＡｌＹ材（ＡＭＤＲＹ３６５−１）を選択した。溶射方法については大気と２００ｋＰａのＡｒ加圧方法を用い、厚さ２００ミクロンのジルコニア膜を形成した。
【００２０】
圧入試験片は１０ｍｍ×１０ｍｍに切断し表面を研磨後、室温で圧入試験を行った。直径４ｍｍの球形圧子を一定速度で圧入及び除荷したときの荷重（Ｐ）と圧入深さ（ｈ）を測定した後、インデンテーション法による、圧入深さと荷重曲線を測定後、理論式を用いて応力−歪み曲線を算出し、Ｐｙを求めた。
【００２１】
圧入試験後は圧痕中央で切断し断面をコロイダルシリカで研磨し基材の塑性変形と剥離を確認した。実施例記載の１から６では剥離が観測できＰｙは４ＧＰａ以上であったが、比較例１−２ではＰｙは４ＧＰａ超であり、剥離は観測できなかった。
【００２２】
【発明の効果】
上記のような本発明により、無機質膜表面に大領域の変形、破壊等を生じることなく、特に脆性材料である無機質膜の剥離力を正確に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による無機質膜の剥離力測定方法を実施する測定装置の概要図である。
【図２】本発明における無機質膜の剥離力測定方法及び測定装置で得られる圧入深さ−荷重曲線、及び応力−歪み曲線である。
【図３】本発明の実施例及び比較例を示す表である。
【符号の説明】
１  圧子
２  荷重負荷試験装置
３  変位計
４  試験片
５  圧子固定部材
６  アーム
７  固定フレーム
８  可動フレーム
９  支持台
１０  演算装置
１１  表面
【図１】
2004170160.tif 000007
【図２】
2004170160.tif 000008
【図３】
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