[實用新型]薄膜材料電/熱/力耦合作用下性能測試系統

無效

• 申請號: 200620168832.5
• 申請日: 2006-12-31
• 公開（公告）號: CN201034898Y
• 公開（公告）日: 2008-03-12
• 發明（設計）人: 張廣平;張濱;于慶源
• 申請（專利權）人: 中國科學院金屬研究所
• 主分類號: G01N3/60
• 分類號: G01N3/60;G01N33/00
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司
• 代理人: 張志偉

技術領域

本實用新型涉及給二維薄膜材料加電系統的建立，具體為一種對具有微/納米尺度的薄膜材料、集成電路用金屬化互連體薄膜等二維薄膜材料在電/力/熱耦合作用下的性能測試系統。

背景技術

薄膜材料廣泛應用于大規模集成電路互連體布線及微/納電子機械系統等領域，由于其長期工作在電、熱的交互作用條件下，而薄膜材料與基體往往是由不同材料制成的，材料熱膨脹系數的差異勢必導致在薄膜材料內部產生熱應力，于是，薄膜材料在實際工作中受到電/熱/力耦合作用，而影響其力學可靠性能。因此，測試薄膜材料在通入電流后的實際工作情況，能實時地觀察、測試薄膜材料的性能，并能對其力學、電學可靠性能進行正確評價具有非常重要的理論研究意義和實際應用價值。

然而，由于二維薄膜材料的厚度及集成電路互連體布線的寬度在微米甚至納米尺度范圍，給其性能測試帶來諸多困難，人們設計各種精巧的實驗都無法解決樣品夾持不當及測試精度低的問題，更談不到進行實時觀測了。這使得對薄膜材料力學、電學性能指標的測試無法進行。

實用新型內容

本實用新型的目的在于提供一種與傳統測試系統完全不同的薄膜材料電/熱/力耦合作用下性能的測試系統。該系統具有利用交、直流電測試材料在電/力/熱耦合作用下的力學性能、物理性能以及進行原位實時三維表征等功能。

本實用新型的技術方案是：

一種薄膜材料電/熱/力耦合作用下性能的測試系統，整個電/熱/力耦合性能測試系統由三部分組成：

(1)樣品加電部分，由電源、信號發生器和功率放大器組成，電源通過由信號發生器控制的功率放大器與樣品相連，負責給樣品施加電流；

(2)與樣品連接部分，由四個微動機械手和四個金屬探針組成，金屬探針的直徑為1～5μm，金屬探針被固定在微動機械手上，通過控制機械手的移動，使金屬探針的針尖接觸到待測樣品的兩端，兩個微動機械手通過導線與功率放大器輸出端口相連；

(3)測試與分析部分，包括示波器和與示波器相連的計算機，兩個微動機械手通過導線與示波器輸入端口相連，負責進行數據分析與反饋控制，計算機將分析結果通過示波器傳遞給信號發生器，然后給樣品施加修正后的電流。

本實用新型薄膜材料電/熱/力耦合作用下性能的測試方法，利用上述測試系統，具體步驟如下：(1)利用交流電在具有基體的薄膜材料上產生的焦耳熱形成溫度循環，使得具有不同熱膨脹系數的薄膜與基體間產生熱循環應力，從而導致薄膜材料的熱疲勞破壞或電/力/熱耦合破壞；(2)對樣品(薄膜材料)施加直流電，測試與觀察樣品的電遷移等物理現象的發生與演化過程。

本實用新型測試系統可以在聚焦離子束(FIB)工作站內部進行搭建，利用該工作站配備的微操作系統的四只可精確控制三維位移的微動機械手搭接在樣品上，微動機械手的位移精度為6nm，利用聚焦離子束工作站的掃描電鏡CCD探頭進行實時觀察和錄像。

除了可以在FIB工作站內部搭建外，還可以在其外部進行搭建。將預先經過微加工好的樣品按上述各部分搭建好后，置于掃描電鏡或高倍光學顯微鏡下進行測試并進行實時觀察和錄像。

本實用新型所測試的薄膜材料為通過各種目前已知的方法制備的薄膜，經過傳統微加工手段制備成具有微/納米尺度的薄膜線形結構，或經過FIB微加工成各種形狀的低維結構等。

本實用新型對薄膜材料所施加的交流電頻率為1Hz～1000Hz；本實用新型對薄膜材料所施加的交、直流電流密度為1MA/cm²～100MA/cm²。

本實用新型所述的薄膜材料為金屬材料或其他能夠導電的材料。

本實用新型基本原理是當對薄膜材料施加交流電時，利用交流電在薄膜材料上產生的焦耳熱形成溫度循環，使得具有不同熱膨脹系數的薄膜與基體間產生熱循環應力，從而導致薄膜的熱疲勞破壞；當給薄膜材料施加直流電流或者帶有直流分量的交流電流時，可以實時地觀察與測試薄膜材料發生電遷移損傷行為。