[發(fā)明專利]一種用于TEM/SEM電鏡的原位多參數(shù)測(cè)試芯片結(jié)構(gòu)及制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110526897.1
• 申請(qǐng)日: 2021-05-14
• 公開（公告）號(hào): CN113203758B
• 公開（公告）日: 2022-12-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 聶萌;黃語(yǔ)恒;尹奎波;陳姝寧
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 東南大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N23/04
• 分類號(hào): G01N23/04;G01N23/2251;G01N3/02;G01R27/08
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32249
• 代理人: 任志艷

本發(fā)明公開了一種用于TEM/SEM電鏡的原位多參數(shù)測(cè)試芯片結(jié)構(gòu)及制備方法，該芯片功能區(qū)包括質(zhì)量塊、熱沉梁、熱執(zhí)行器、靜電執(zhí)行器、支撐梁和引線梁、樣品臺(tái)、絕緣層、電極引線壓焊塊和襯底；器件整體呈對(duì)稱結(jié)構(gòu)，其中熱執(zhí)行器、靜電執(zhí)行器、熱沉梁、質(zhì)量塊、支撐梁、引線梁、樣品臺(tái)都是沿質(zhì)量塊為中心軸線對(duì)稱分布。器件為雙驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)分別是熱執(zhí)行器和靜電執(zhí)行器，可以進(jìn)行靜?動(dòng)態(tài)測(cè)試結(jié)合，由此測(cè)試芯片現(xiàn)實(shí)如下功能：待測(cè)樣品電學(xué)參數(shù)、力學(xué)參數(shù)的準(zhǔn)靜態(tài)單參數(shù)或多參數(shù)測(cè)試；待測(cè)樣品平面拉伸下的蠕變、疲勞特性分析；待測(cè)樣品的疲勞特性與電學(xué)參數(shù)力學(xué)參數(shù)之間的耦合關(guān)系規(guī)律分析，待測(cè)樣品的可靠性失效分析。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及原位測(cè)試芯片技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于TEM/SEM電鏡的原位多參數(shù)測(cè)試芯片及其制備方法。

背景技術(shù)

過(guò)去的幾十年，人們對(duì)低維材料(尤其是一維和二維納米材料)的機(jī)械力學(xué)性能產(chǎn)生了極大的興趣，納米線，碳納米管和石墨烯等低維材料是重要的基礎(chǔ)研究方向，這是由于它們有異于體塊材料的特殊性能以及擁有獨(dú)特且可定制的物理性能的潛力，包括能量收集和存儲(chǔ)、納米機(jī)電系統(tǒng)(NEMS)、柔性電子學(xué)和可拉伸電子學(xué)在內(nèi)的各種納米技術(shù)應(yīng)用。此外，當(dāng)材料特征尺寸降至微納米量級(jí)時(shí)，其力學(xué)性能與宏觀體材料具有顯著不同，并且納米材料的力學(xué)性能與其微納米尺度的變形機(jī)制密切相關(guān)。因此，發(fā)展一種可以實(shí)現(xiàn)TEM/SEM電鏡下，能夠原位觀察在亞埃、原子或納米尺度下研究材料的顯微結(jié)構(gòu)隨靜、動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)變化，同時(shí)能夠提取材料的力-電學(xué)性能的方法，對(duì)于提高微納電子器件的可靠性，促進(jìn)相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展具有十分重要的意義。

多重靜、動(dòng)態(tài)應(yīng)力載荷下的力-電耦合特性與材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的形成和演化緊密相關(guān)，但目前相關(guān)研究結(jié)果主要還是建立在大量靜、動(dòng)態(tài)載荷的獨(dú)立測(cè)試上，無(wú)法全面理解多重應(yīng)力載荷下的機(jī)械特性。隨著納米材料表征測(cè)試和微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的飛速發(fā)展，在透射電鏡中對(duì)納米材料進(jìn)行原位力學(xué)加載成為可能。但是，目前針對(duì)可用于透射電子顯微鏡下的原位靜、動(dòng)態(tài)多重應(yīng)力載荷機(jī)械測(cè)試技術(shù)還很少，并且已報(bào)道的技術(shù)一般僅限于單次加載，或者小應(yīng)力動(dòng)態(tài)加載。當(dāng)前還沒(méi)有能提供可用于原位TEM/SEM電鏡同時(shí)實(shí)現(xiàn)大應(yīng)力單軸拉伸和高頻率動(dòng)態(tài)加載的實(shí)時(shí)力-電耦合測(cè)試技術(shù)。

市面上已有的商業(yè)化樣品桿有Hysitron公司的PI型納米壓痕儀，可實(shí)現(xiàn)材料樣品的單軸拉伸及機(jī)械性能的測(cè)試，但是該實(shí)驗(yàn)儀價(jià)格昂貴，須定制特定的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，且無(wú)法實(shí)現(xiàn)多物理場(chǎng)的集成。

北京工業(yè)大學(xué)韓曉東教授課題組開發(fā)出的一種基于熱執(zhí)行器和加熱電阻絲的力-熱耦合測(cè)試芯片，該芯片可以實(shí)現(xiàn)材料樣品在高溫下的原位力學(xué)單軸拉伸，但是該芯片由于結(jié)構(gòu)整體剛度較大，使其影響拉伸過(guò)程中對(duì)材料樣品力學(xué)性能的精確測(cè)量，造成對(duì)微納材料進(jìn)行楊氏模量等機(jī)械性能測(cè)試誤差較大，并且無(wú)法測(cè)量樣品的電學(xué)特性。

中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所王躍林研究員課題組開發(fā)出的動(dòng)態(tài)機(jī)械加載材料樣品的原位表征裝置，該裝置可實(shí)現(xiàn)材料樣品的靜、動(dòng)態(tài)應(yīng)力加載測(cè)試，但是該芯片制備工藝復(fù)雜，且其電學(xué)測(cè)試技術(shù)為兩探針測(cè)試，無(wú)法消除測(cè)試材料與樣品臺(tái)之間接觸電阻的影響，嚴(yán)重影響了拉伸過(guò)程中對(duì)材料樣品電學(xué)特征的精確測(cè)量。

美國(guó)西北大學(xué)Horacio D.Espinosa教授開發(fā)出雙傾透射電鏡MEMS樣品桿，該樣品桿可以實(shí)現(xiàn)靜態(tài)力學(xué)拉伸及測(cè)量，并且能通過(guò)雙軸傾轉(zhuǎn)得到材料的高分辨成像，并配備電容傳感器自動(dòng)檢測(cè)材料所受應(yīng)力，但是該樣品桿設(shè)計(jì)復(fù)雜，且無(wú)法進(jìn)行動(dòng)態(tài)力學(xué)測(cè)量。

因此發(fā)展一種可以原位靜-動(dòng)態(tài)測(cè)試材料樣品的力電多參數(shù)耦合特性，且可以大批量生產(chǎn)應(yīng)用的基于TEM/SEM電鏡的原位測(cè)試芯片件仍是本領(lǐng)域亟待解決的問(wèn)題之一。

發(fā)明內(nèi)容