專利名稱：薄膜材料電/熱/力耦合作用下性能測試系統的制作方法
技術領域：
薄腆材料電/熱/力耦合作用下性能瀾試系統駄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。背紫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—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1~5 pm，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6 nm，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己知的方法制備的薄 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1 Hz~1000 Hz;本實用 新型對薄膜材料所施加的交、直流電流密度為1 MA/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。本實用新型可對具有微/納米尺度的薄膜材料、集成電路用金屬化， 體薄膜及導線在電/熱/力耦合作用下進行可靠性能原位測試與評價的系統 進行搭建，該系統提供了可原位加工各種形狀的微/納米尺度薄膜材料、利 用交、直流電測試材料在電/力/熱耦合作用下力學性能和物理性能、以及進 行原位實時三維表征等功能。該系統可直接對經過傳統微加工手段制備的 微小薄膜線形結構進行測試，也可先利用FIB對薄膜材料進行微加工，測 試加工后各種形狀和寬度的微/納米尺度線形結構的薄膜材料。對于搭載到 金屬薄膜上的一維納米線、纖維等材料也可進行測試。利用交流電所引起 的金屬線中的焦耳熱及薄膜/基體的熱膨脹系數的差異形成的熱循環應力對金屬薄膜施加熱疲勞載荷，結合原位的微觀觀察及隨后的FIB三維表征對 具有微/納米尺度的薄膜材料和各種低維導線進行可靠性測試與評價。本實用新型的特點在于1 、材料力學性能測試的傳統方法是將待測試樣品夾持在力學性能試驗 機上，為保證測試精度，對夾持樣品的夾具要求較高。傳統的塊體樣品的 夾具設計比較容易解決其精度要求和夾持方法等問題，而對于二維薄膜材 料和集成電路互連體布線等，由于其厚度或寬度在微米甚至納米尺度范圍， 能夠夾持此類樣品并能保證其測試精度要求的夾具就很難設計了 。與傳統 的力學性能測試系統完全不同，本實用新型無霈考慮樣品的夾掙方法，不 使用任何夾具，對于制備在一定基體上的二維薄膜材料可直接測試其電/熱/力耦合作用下的熱機械疲勞等力學性能指標；搭建的系統集原位微加工、 性能測試及表征于一體，既可通過交流電誘發薄膜材料產生熱疲勞行為， 從而測試材料的力學性能，又可以對材料施加直流電，測試材料的電遷移 等物理性能。2、 無需考慮傳統方法中必須考慮的樣品夾持方法和力學性能測試精度。3、 本實用新型所搭建的薄膜材料力學性能測試系統在整個測試過程中 可以通過FIB的掃描電鏡CCD探頭對樣品進行實時觀測與分析。4、 本系統兼有對樣品施加交流、直流、交/直流混合和任意波形載荷電 流的功能；可對薄膜材料的諸多物理性能進行測試與評價。5、 本系統可用來對微電子器件的電遷移可靠性能進行測試。6、 本系統可對薄膜材料的樣品進行FIB三維表征與分析。7、 本系統可拓展至對搭載在薄膜材料上的一維納米線、纖維等材料進 行力學性能及物理性能測試。附面說明
圖1為薄膜材料電/熱/力耦合作用下性能測試系統的電路原理示意圖。 圖2為樣品在該測試系統上加電前后薄膜的掃描電鏡照片。(a)圖為加電前200 nm厚的金薄膜;(b)圖為通過探針針尖對樣品施加50 Hz的交流電；(c)圖為交流電誘發的熱疲勞損傷后的金薄膜。圖3為本實用新型"與樣品連接部分"的機械結構示意圖。圖中，l樣品加電部分；2與樣品連接部分；3測試與分析部分；4樣品；5機械手；6金屬探針。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例詳述本實用新型。如圖1~3所示，本系統在FIB工作站上進行搭建。FIB工作站配備了 —個微操作系統，它有四只可精確控制三維位移的微動機械手，其位移精 度為6nm，整個測試系統由三部分組成(1)樣品加電部分；(2)與樣品連接部分；(3)測試與分析部分。(1) 樣品加電部分l包括電源、信號發生器和功率放大器，電源通過 由信號發生器控制的功率放大器與樣品4相連，負責給樣品施加電流。信 號發生器的作用是輸出具有不同波形和頻率的電信號，該電信號通過功率 放大器放大成施加于樣品上具有一定功率的電流，以保證在樣品上產生足 夠高的電流密度。該部分可以對薄膜材料施以交流電、直流電或交/直流混 合電流。(2) 與樣品連接部分2由四個微動機械手5和四個極細的金屬探針6 組成，金屬探針的直徑為1 5 nm。金屬探針6被固定在微動機械手5上， 通過控制機械手5的位移，使金屬探針6的針尖接觸到待測樣品4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3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。為了能夠測量樣品屮實際施加的電流和樣品的溫升，需要測出樣 品的電流和電壓值，以便計算出由于施加電流而在樣品中引起的熱循環應 變的大小。計算機通過常規數據采集卡對測得的電流與電壓信號進行分析 比較，通過示波器將分析結果反饋給信號發生器，再由信號發生器發出指 令給功率放大器，通過功率放大器對電源施加的電流進行修正，從而對樣品施加修正后的電流。薄膜材料電/熱/力耦合作用下性能的測試方法，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；對樣品施加直流電，測試與觀察樣品的電遷移等物理現象的發生 與演化過程。其中，(1) 樣品的加工利用Fffi的離子束轟擊薄膜材料表面的刻蝕功能，將薄膜材料加工成 實驗所需要的圖案，圖2(a)所示的是加工成骨形的樣品。(2) 連通電路將一對直徑為幾個微米的極細金屬探針固定在FIB工作站中的一對微 動機械手上，通過對微動機械手的微動位移控制，使一對探針針尖分別接 觸到骨狀樣品的兩端，然后連通電路。實際搭載如圖2(b)所示。整個測試 系統的電路原理圖如圖1所示。本實用新型測試所用的薄膜材料是采用各種已知方法制備的具有微米 至納米厚度的薄膜材料，將薄膜材料經過FIB等微加工手段制備成具有線 形結構的樣品(如圖2(a)所示)。采用FIB加工成的骨狀樣品的尺寸可根據 具體要求改變，只要在同一組實驗中樣品尺寸一致即可。實施例1本實用新型測試系統原理圖如圖1所示。采用磁控濺射方法在石英基體上制備具有200 nm厚度的金薄膜，利用 FIB對金薄膜進行微加工，切割成線寬為8闊、長為50 nm的金薄膜骨狀
線形結構，具體如圖2(a)所示。將一對針尖直徑為2 jim的金屬探針固定在 FIB工作站腔體內的微動機械手上，控制微動機械手的位移，使得一對針尖 置于骨狀樣品的兩端，然后對樣品施加50 Hz的交流電，電流密度為45 MA/cm2，實際搭建如圖2(b)所示。由于交流電在金線中產生的焦耳熱以及 金線與基體石英材料熱膨脹系數的不匹配，造成金線中產生交變的熱應力。 樣品經過1.26><104秒后產生了孔洞和丘起等損傷，如圖2(c)所示。進一步施 加交流電可以控制這根金線的疲勞損傷，直至產生熱疲勞失效破壞。在整個測試過程中FIB的掃描電鏡CCD探頭對樣品進行了實時錄像， 錄像幫助分析樣品出現熱疲勞損傷的演化過程與行為，計算機記錄了樣品 出現疲勞損傷以及最后完全斷路的時間，從而可以獲得樣品的熱疲勞壽命。實施例2采用磁控濺射方法在石英基體上制備具有200 nm厚度的金薄膜，利用 FIB對金薄膜進行微加工，切割成線寬為8Kim、長為50nm的金薄膜骨狀 線形結構，具體如圖2(a)所示。將--對金屬探針固定在FIB工作站腔體內 的微動機械手上，控制微動機械手的位移，使得一對針尖置于骨狀樣品的 兩端，然后對樣品施加電流密度為40 MA/cn^的直流電。在整個測試過程 中FIB的掃描電鏡CCD探頭對樣品進行了實時錄像，錄像記錄了樣品發生 電遷移現象的全過程。由于直流電流的作用，金線中發生電遷移現象，樣 品先在一端形成丘起，同時樣品另外一端形成孔洞。隨著實驗的進行，丘 起數目不斷增多，孔洞面積增大，直至貫穿整個樣品造成斷路，導致金線 最終失效破壞。實驗表明，對薄膜材料所施加的交、直流電流密度在1 MA/cm2~100 MA/cn^范圍內，所施交流電頻率在l Hz-lOOO Hz范圍內，均可采用本實 用新型測試系統對薄膜材料電/熱/力耦合作用下性能進行測試。
權利要求1、一種薄膜材料電/熱/力耦合作用下性能的測試系統，其特征在于整個電/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指揮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的兩個端口相連；(3)測試與分析部分，包括示波器以及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的兩個端口分別相連，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。
2、 按照權利要求1臓的薄膜材料^/掛力耦合作用下性能的測縣統，其 特征在于還包括實時觀察部分，包括對樣品進行實B寸觀察與攝錄像用的掃描電 鏡或高倍光學顯微鏡。
3、 按照權利要求1臓的薄鵬料^/掛力耦合作用下性能的測試系統，其 特征在于金屬探針的直徑為1~5拜。
專利摘要本實用新型涉及對具有微/納米尺度的薄膜材料、集成電路用金屬化互連體薄膜及導線在電/熱/力耦合作用下進行可靠性能原位測試與評價的系統。該系統提供了可原位加工各種形狀的微/納米尺度薄膜材料，利用交、直流電測試材料在電/力/熱耦合作用下力學性能和物理性能、以及進行原位的實時三維表征等功能。本實用新型樣品加電部分的電源通過由信號發生器指揮的功率放大器與樣品相連，與樣品連接部分的金屬探針被固定在微動機械手上，微動機械手與功率放大器相連，測試與分析部分包括示波器以及與示波器相連的計算機，微動機械手與示波器相連。本實用新型搭建的系統集原位微加工、性能測試及表征于一體，測試材料的力學性能以及電遷移等物理性能。
文檔編號G01N3/60GK201034898SQ20062016883
公開日2008年3月12日 申請日期2006年12月31日 優先權日2006年12月31日
發明者于慶源, 濱 張, 張廣平 申請人:中國科學院金屬研究所