[实用新型]薄膜材料电/热/力耦合作用下性能测试系统

说明书

技术领域

本实用新型涉及给二维薄膜材料加电系统的建立，具体为一种对具有微/纳米尺度的薄膜材料、集成电路用金属化互连体薄膜等二维薄膜材料在电/力/热耦合作用下的性能测试系统。

背景技术

薄膜材料广泛应用于大规模集成电路互连体布线及微/纳电子机械系统等领域，由于其长期工作在电、热的交互作用条件下，而薄膜材料与基体往往是由不同材料制成的，材料热膨胀系数的差异势必导致在薄膜材料内部产生热应力，于是，薄膜材料在实际工作中受到电/热/力耦合作用，而影响其力学可靠性能。因此，测试薄膜材料在通入电流后的实际工作情况，能实时地观察、测试薄膜材料的性能，并能对其力学、电学可靠性能进行正确评价具有非常重要的理论研究意义和实际应用价值。

然而，由于二维薄膜材料的厚度及集成电路互连体布线的宽度在微米甚至纳米尺度范围，给其性能测试带来诸多困难，人们设计各种精巧的实验都无法解决样品夹持不当及测试精度低的问题，更谈不到进行实时观测了。这使得对薄膜材料力学、电学性能指标的测试无法进行。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种与传统测试系统完全不同的薄膜材料电/热/力耦合作用下性能的测试系统。该系统具有利用交、直流电测试材料在电/力/热耦合作用下的力学性能、物理性能以及进行原位实时三维表征等功能。

本实用新型的技术方案是：

一种薄膜材料电/热/力耦合作用下性能的测试系统，整个电/热/力耦合性能测试系统由三部分组成：

(1)样品加电部分，由电源、信号发生器和功率放大器组成，电源通过由信号发生器控制的功率放大器与样品相连，负责给样品施加电流；

(2)与样品连接部分，由四个微动机械手和四个金属探针组成，金属探针的直径为1～5μm，金属探针被固定在微动机械手上，通过控制机械手的移动，使金属探针的针尖接触到待测样品的两端，两个微动机械手通过导线与功率放大器输出端口相连；

(3)测试与分析部分，包括示波器和与示波器相连的计算机，两个微动机械手通过导线与示波器输入端口相连，负责进行数据分析与反馈控制，计算机将分析结果通过示波器传递给信号发生器，然后给样品施加修正后的电流。

本实用新型薄膜材料电/热/力耦合作用下性能的测试方法，利用上述测试系统，具体步骤如下：(1)利用交流电在具有基体的薄膜材料上产生的焦耳热形成温度循环，使得具有不同热膨胀系数的薄膜与基体间产生热循环应力，从而导致薄膜材料的热疲劳破坏或电/力/热耦合破坏；(2)对样品(薄膜材料)施加直流电，测试与观察样品的电迁移等物理现象的发生与演化过程。

本实用新型测试系统可以在聚焦离子束(FIB)工作站内部进行搭建，利用该工作站配备的微操作系统的四只可精确控制三维位移的微动机械手搭接在样品上，微动机械手的位移精度为6nm，利用聚焦离子束工作站的扫描电镜CCD探头进行实时观察和录像。

除了可以在FIB工作站内部搭建外，还可以在其外部进行搭建。将预先经过微加工好的样品按上述各部分搭建好后，置于扫描电镜或高倍光学显微镜下进行测试并进行实时观察和录像。

本实用新型所测试的薄膜材料为通过各种目前已知的方法制备的薄膜，经过传统微加工手段制备成具有微/纳米尺度的薄膜线形结构，或经过FIB微加工成各种形状的低维结构等。

本实用新型对薄膜材料所施加的交流电频率为1Hz～1000Hz；本实用新型对薄膜材料所施加的交、直流电流密度为1MA/cm²～100MA/cm²。

本实用新型所述的薄膜材料为金属材料或其他能够导电的材料。

本实用新型基本原理是当对薄膜材料施加交流电时，利用交流电在薄膜材料上产生的焦耳热形成温度循环，使得具有不同热膨胀系数的薄膜与基体间产生热循环应力，从而导致薄膜的热疲劳破坏；当给薄膜材料施加直流电流或者带有直流分量的交流电流时，可以实时地观察与测试薄膜材料发生电迁移损伤行为。