專利名稱：機(jī)械與化學(xué)交互作用測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種機(jī)械與化學(xué)交互作用的測量裝置。
背景技術(shù)：
化學(xué)機(jī)械拋光(Chemical Mechanical Polishing, CMP)技術(shù)是利用化學(xué)腐蝕和機(jī)械磨削的協(xié)同效應(yīng)實(shí)現(xiàn)最佳拋光效果的一種拋光技術(shù)。它是一個(gè)微觀動(dòng)態(tài)并且隨機(jī)的過程，影響因素復(fù)雜多變，很難清楚地確定各因素在拋光過程中的單獨(dú)作用。迄今為止，CMP的材料去除機(jī)理沒有一個(gè)統(tǒng)一的定論，而且沒有一個(gè)完整描述CMP材料去除機(jī)理的模型，這與不能從大量拋光因素中準(zhǔn)確提煉出關(guān)聯(lián)機(jī)理的信息密切相關(guān)。因此，有必要首先對拋光過程中一些本質(zhì)問題(如CMP過程中機(jī)械作用和化學(xué)作用哪個(gè)占主導(dǎo)地位，它們的交互作用如何測量)進(jìn)行研究，然后在此基礎(chǔ)上展開對拋光機(jī)理的探索，故需要相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置?，F(xiàn)有技術(shù)中公開了研究金屬材料腐蝕和磨損同步測量的裝置，可以對流動(dòng)著的腐蝕性砂漿體系中金屬試樣的腐蝕和磨損速率同步測量，尤其適用于材料沖蝕磨損機(jī)理的研究，但是對研究CMP系統(tǒng)不合適?，F(xiàn)有技術(shù)中還有一種腐蝕與磨損交互作用動(dòng)態(tài)測量裝置， 其公開了一種對金屬材料腐蝕與磨損進(jìn)行同步測量的腐蝕與磨損交互作用動(dòng)態(tài)測量裝置， 可測出單純的腐蝕損失量、單純的磨損損失量以及腐蝕磨損交互作用的損失量，主要適用于測量材料在非浸泡腐蝕環(huán)境下的旋轉(zhuǎn)摩擦運(yùn)動(dòng)時(shí)的腐蝕磨損交互作用，但是無法在線測量摩擦磨損過程中的摩擦力；而且磨球連續(xù)摩擦試樣表面的同一點(diǎn)，這與CMP微觀過程相悖。

發(fā)明內(nèi)容
(一 )要解決的技術(shù)問題本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是實(shí)現(xiàn)化學(xué)機(jī)械拋光過程中的機(jī)械磨損和化學(xué)腐蝕交互作用的測量。( 二 )技術(shù)方案為達(dá)到上述技術(shù)方案，本發(fā)明提出了一種機(jī)械與化學(xué)交互作用測量裝置，包括機(jī)架、摩擦力測量部分、杠桿加載部分、往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的氮化硅小球和三電極部分，其中，摩擦力測量部分包括設(shè)置于機(jī)架上的氣浮導(dǎo)軌外殼和設(shè)置于所述氣浮導(dǎo)軌外殼內(nèi)的氣浮導(dǎo)軌，以及與所述氣浮導(dǎo)軌外殼和所述氣浮導(dǎo)軌連接的摩擦力傳感器，所述杠桿加載部分包括設(shè)置于所述氣浮導(dǎo)軌外殼上的平行調(diào)節(jié)座、設(shè)置于所述平行調(diào)節(jié)座頂部的銷軸、設(shè)置于所述銷軸上的加載杠桿，所述加載杠桿的一端設(shè)置有配重桿， 另一端為向下垂直延伸的平面，所述三電極部分包括，設(shè)置于機(jī)架上的電解池，作為工作電極的樣品、輔助電極、 參比電極、魯金毛細(xì)管和電化學(xué)工作站，所述電解池內(nèi)充有拋光液，所述工作電極設(shè)置在所述加載杠桿向下垂直延伸的平面上并且半浸在所述拋光液中，所述氮化硅小球加載至工作電極的表面，所述輔助電極設(shè)置于工作電極的正對面，所述參比電極的一端與所述魯金毛細(xì)管連接，魯金毛細(xì)管靠近所述工作電極，所述工作電極和輔助電極分別與所述電化學(xué)工作站的相應(yīng)端子連接，所述參比電極與所述電化學(xué)工作站的參比接口端子連接。其中，所述機(jī)架與所述氣浮導(dǎo)軌外殼之間設(shè)置有手動(dòng)平移臺。其中，所述銷軸的兩端通過調(diào)節(jié)螺釘與所述平行調(diào)節(jié)座連接。其中，所述加載杠桿的一端上設(shè)置有砝碼，所述配重桿上設(shè)置有配重塊。其中，所述銷軸上固定有指針，所述加載杠桿上固定有表盤，使得當(dāng)所述加載杠桿平衡時(shí)所述指針指向所述表盤的中心。其中，所述氣浮導(dǎo)軌的兩端通過轉(zhuǎn)接板與所述平行調(diào)節(jié)座連接。其中，所述機(jī)架和所述電解池之間設(shè)置有升降臺。其中，所述工作電極為鍍銅硅片。其中，所述參比電極為飽和甘汞電極。(三)有益效果本發(fā)明的上述技術(shù)方案具有如下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明的裝置實(shí)現(xiàn)了定量研究化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)過程中機(jī)械磨損與化學(xué)腐蝕交互作用；通過實(shí)驗(yàn)可測量CMP過程中單純的化學(xué)腐蝕率、機(jī)械磨損率以及交互作用去除率，同時(shí)可在線測量機(jī)械參數(shù)摩擦系數(shù)；工作電極側(cè)立、半浸安裝，使接線簡單，且工作電極與輔助電極平行放置，保證電流均勻分布，便于精確測量電化學(xué)參數(shù)。在測量過程中，總的材料去除量和機(jī)械磨損導(dǎo)致的材料去除量可由稱重法或者形貌法測量得到，化學(xué)腐蝕導(dǎo)致的材料去除量可由浸泡法或者電化學(xué)方法測定，交互作用去除量可由實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算得到。


圖1是本發(fā)明的機(jī)械與化學(xué)交互作用測量裝置實(shí)施例的示意圖；圖2是圖1的A-A剖視圖；圖3是本發(fā)明的機(jī)械與化學(xué)交互作用測量裝置實(shí)施例的左側(cè)視圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。如圖1-3所示，為本發(fā)明的機(jī)械與化學(xué)交互作用測量裝置的示意圖(圖中還包括了一電化學(xué)工作站1)，包括機(jī)架6、摩擦力測量部分、杠桿加載部分、往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的氮化硅小球20和三電極部分。摩擦力測量部分包括手動(dòng)平移臺7、氣浮導(dǎo)軌外殼8、氣浮導(dǎo)軌9以及摩擦力傳感器M等。手動(dòng)平移臺7設(shè)置在機(jī)架6上，手動(dòng)平移臺7上設(shè)置有氣浮導(dǎo)軌外殼8，氣浮導(dǎo)軌 9設(shè)置在氣浮導(dǎo)軌外殼8內(nèi)，氣浮導(dǎo)軌外殼8和氣浮導(dǎo)軌9與摩擦力傳感器M螺紋連接，氣浮導(dǎo)軌9的兩端通過轉(zhuǎn)接板22和25與平行調(diào)節(jié)座10連接，如圖3所示。摩擦力傳感器為拉壓力傳感器。在氣浮導(dǎo)軌9通氣時(shí)，導(dǎo)軌9處于浮動(dòng)狀態(tài)，工作電極18也就是待測試樣品表面的摩擦力通過導(dǎo)軌9傳遞到摩擦力傳感器M上，實(shí)現(xiàn)在線測量摩擦系數(shù)；手動(dòng)平移臺7與氣浮導(dǎo)軌的外殼8連接，通過左側(cè)的旋鈕可調(diào)節(jié)工作電極18與氮化硅小球20的距離。杠桿加載部分包括平行調(diào)節(jié)座10、銷軸11、加載杠桿15 (由聚四氟乙烯制成)等。 平行調(diào)節(jié)座10設(shè)置于氣浮導(dǎo)軌外殼8上，銷軸11設(shè)置于平行調(diào)節(jié)座10的頂部，加載杠桿 15可以繞銷軸11自由旋轉(zhuǎn)一定角度，銷軸11的兩端通過調(diào)節(jié)螺釘21和沈與平行調(diào)節(jié)座 10連接，調(diào)節(jié)螺釘21和沈伸在銷軸11兩端的兩個(gè)小凹坑內(nèi)，如圖2所示，以固定銷軸11 的軸向位置，防止銷軸11軸向移動(dòng)和徑向移動(dòng)，改變調(diào)節(jié)螺釘?shù)臄Q緊程度可微調(diào)工作電極 18與氮化硅小球20運(yùn)動(dòng)直線的平行度。加載杠桿15設(shè)置于銷軸11上，加載杠桿15的一端設(shè)置有配重桿13并且設(shè)置有砝碼14，另一端為向下垂直延伸的平面，配重桿13上設(shè)置有配重塊12。銷軸11上固定有指針17，并且指針17可隨加載杠桿15繞銷軸11轉(zhuǎn)動(dòng)，加載杠桿15上固定有表盤16，使得當(dāng)加載杠桿15平衡時(shí)指針17指向表盤16的中心。通過調(diào)節(jié)配重塊12在配重桿13上的位置可以調(diào)整杠桿15的平衡度。三電極部分包括電解池4、升降臺5、工作電極18、輔助電極2、參比電極、魯金毛細(xì)管19以及電化學(xué)工作站1等。升降臺5設(shè)置在機(jī)架6上，電解池設(shè)置在升降臺5上，電解池4內(nèi)充有拋光液，升降臺5用于調(diào)節(jié)電解池4的高度。工作電極1(鍍銅的硅片，除了密封區(qū)外都被密封)側(cè)放在加載杠桿15向下垂直延伸的平面上并且半浸在拋光液中，氮化硅小球20加載至工作電極18的表面，采用鉬片的輔助電極2設(shè)置于工作電極18的正對面， 采用飽和甘汞電極的參比電極的一端與魯金毛細(xì)管19連接，魯金毛細(xì)管19靠近工作電極 18，減小歐姆電勢降，以保證測量準(zhǔn)確性。工作電極18和輔助電極2分別與電化學(xué)工作站 1的相應(yīng)端子連接，參比電極與電化學(xué)工作站1的參比接口端子連接。氮化硅小球20沿垂直于加載杠桿15的方向作水平往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)行程控制在5毫米左右?？刂频栊∏?0作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)未示出。在本實(shí)施例中，采用美國阿美特克有限公司生產(chǎn)的I^rinceton 273A型作為電化學(xué)工作站。在使用本發(fā)明的裝置進(jìn)行測量時(shí)，將密封好的工作電極18置于工作位置，調(diào)節(jié)配重塊12的位置保持杠桿15平衡；通過手動(dòng)平移臺6調(diào)節(jié)工作電極18與氮化硅小球20的距離后，將手動(dòng)平移臺6鎖死；加載杠桿15作用使工作電極(樣品)18與氮化硅小球20接觸，三電極之間通過拋光液介質(zhì)構(gòu)成閉合的電流回路。通過三電極部分和摩擦力測量部分， 可測定腐蝕磨損過程中的交互作用。腐蝕磨損過程中的材料總?cè)コ?_] Mee = rwc+rcc ；rwc = rw+rc_w rcc = rc+rw_c ；rs = rc_w+rw_c。其中rw。為機(jī)械磨損導(dǎo)致的材料去除量；rcc為化學(xué)腐蝕導(dǎo)致的材料去除量；rw為純機(jī)械磨損導(dǎo)致的材料去除量；rc為純化學(xué)腐蝕導(dǎo)致的材料去除量；rs為交互作用導(dǎo)致的材料去除量；r。_w為化學(xué)腐蝕促進(jìn)機(jī)械磨損加速部分材料去除量；rw_c為機(jī)械磨損促進(jìn)化學(xué)腐蝕加速部分材料去除量；
在三電極部分中進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，Mkk和rw可通過測量工作電極上的劃痕深度獲得，其中rw在陰極保護(hù)下測定，Mkk在腐蝕磨損條件下測量；同時(shí)分別記錄腐蝕磨損和純腐蝕條件下的電化學(xué)參數(shù)，按照法拉第定律計(jì)算得到rw_。和r。；則r。。和r。_w可由上述公式計(jì)算獲得。本發(fā)明的特點(diǎn)是本發(fā)明的裝置可以模擬腐蝕情況下的磨粒磨損，同時(shí)在線測量電化學(xué)參數(shù)和機(jī)械參數(shù)；通過實(shí)驗(yàn)可測量單純的機(jī)械磨損(磨粒磨損)量、單純的化學(xué)腐蝕量以及機(jī)械化學(xué)的交互作用量，從而對化學(xué)機(jī)械拋光過程中的材料去除機(jī)理進(jìn)行研究。以上所述僅是本發(fā)明的實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變型，這些改進(jìn)和變型也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種機(jī)械與化學(xué)交互作用測量裝置，其特征在于，包括機(jī)架(6)、摩擦力測量部分、 杠桿加載部分、往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的氮化硅小球00)和三電極部分，其中，摩擦力測量部分包括設(shè)置于機(jī)架(6)上的氣浮導(dǎo)軌外殼(8)和設(shè)置于所述氣浮導(dǎo)軌外殼(8)內(nèi)的氣浮導(dǎo)軌(9)，以及與所述氣浮導(dǎo)軌外殼(8)和所述氣浮導(dǎo)軌(9)連接的摩擦力傳感器(24)，所述杠桿加載部分包括設(shè)置于所述氣浮導(dǎo)軌外殼(8)上的平行調(diào)節(jié)座(10)、設(shè)置于所述平行調(diào)節(jié)座(10)頂部的銷軸(11)、設(shè)置于所述銷軸(11)上的加載杠桿(15)，所述加載杠桿(1 的一端設(shè)置有配重桿(13)，另一端為向下垂直延伸的平面，所述三電極部分包括，設(shè)置于機(jī)架(6)上的電解池G)，作為工作電極(18)的樣品、輔助電極O)、參比電極、魯金毛細(xì)管(19)和電化學(xué)工作站(1)，所述電解池⑷內(nèi)充有拋光液，所述工作電極(18)設(shè)置在所述加載杠桿(1 向下垂直延伸的平面上并且半浸在所述拋光液中，所述氮化硅小球00)加載至工作電極(18)的表面，所述輔助電極(2)設(shè)置于工作電極(18)的正對面，所述參比電極的一端與所述魯金毛細(xì)管(19)連接，魯金毛細(xì)管(19) 靠近所述工作電極(18)，所述工作電極(18)和輔助電極(2)分別與所述電化學(xué)工作站的相應(yīng)端子連接，所述參比電極與所述電化學(xué)工作站的參比接口端子連接。
2.如權(quán)利要求1所述的機(jī)械與化學(xué)交互作用測量裝置，其特征在于，所述機(jī)架(6)與所述氣浮導(dǎo)軌外殼(8)之間設(shè)置有手動(dòng)平移臺(7)。
3.如權(quán)利要求2所述的機(jī)械與化學(xué)交互作用測量裝置，其特征在于，所述銷軸(11)的兩端通過調(diào)節(jié)螺釘(21，26)與所述平行調(diào)節(jié)座(10)連接。
4.如權(quán)利要求3所述的機(jī)械與化學(xué)交互作用測量裝置，其特征在于，所述加載杠桿 (15)的一端上設(shè)置有砝碼(14)，所述配重桿(1 上設(shè)置有配重塊(12)。
5.如權(quán)利要求4所述的機(jī)械與化學(xué)交互作用測量裝置，其特征在于，所述銷軸(11)上固定有指針(17)，所述加載杠桿(1 上固定有表盤(16)，使得當(dāng)所述加載杠桿(1 平衡時(shí)所述指針(17)指向所述表盤(16)的中心。
6.如權(quán)利要求5所述的機(jī)械與化學(xué)交互作用測量裝置，其特征在于，所述氣浮導(dǎo)軌(9) 的兩端通過轉(zhuǎn)接板(22,2 與所述平行調(diào)節(jié)座(10)連接。
7.如權(quán)利要求6所述的機(jī)械與化學(xué)交互作用測量裝置，其特征在于，所述機(jī)架(6)和所述電解池(4)之間設(shè)置有升降臺(5)。
8.如權(quán)利要求7所述的機(jī)械與化學(xué)交互作用測量裝置，其特征在于，所述工作電極 (18)為鍍銅硅片。
9.如權(quán)利要求8所述的機(jī)械與化學(xué)交互作用測量裝置，其特征在于，所述參比電極為飽和甘汞電極。
全文摘要
本發(fā)明涉及化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種機(jī)械與化學(xué)交互作用測量裝置，包括機(jī)架、摩擦力測量部分、杠桿加載部分、往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的氮化硅小球和三電極部分。本發(fā)明的裝置可以模擬腐蝕條件下的磨粒磨損性能，實(shí)現(xiàn)了同時(shí)在線測量電化學(xué)參數(shù)和機(jī)械參數(shù)；可以測量化學(xué)機(jī)械拋光過程中單純的化學(xué)腐蝕量、機(jī)械磨損量以及交互作用去除量，從而對化學(xué)機(jī)械拋光過程中的材料去除機(jī)理進(jìn)行研究。
文檔編號G01N3/56GK102252928SQ20111008067
公開日2011年11月23日 申請日期2011年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月31日
發(fā)明者何永勇, 李靜, 王同慶, 趙德文, 路新春, 雒建斌 申請人:清華大學(xué)