[发明专利]力/热/电/磁多场耦合下测试金属薄膜失效行为的装置

说明书

技术领域

本发明涉及到微机电系统(MEMS)和纳机电系统(NEMS)用金属薄膜近实际服役条件下的失效机理测试，特别涉及力/热/电/磁多场耦合下测试金属薄膜失效行为的装置。

背景技术

集成电路失效的重要原因在于未处理好力学、热学和电学的耦合效应。研究与多场耦合相关的多层微电子元器件及封装的热失配、蠕变、变形、损伤、细观断裂和焊点破坏及内导线的电迁移等，对于高可靠性的器件及封装的失效防范是十分必要的。在中国微电子产业的跨世纪发展中，将形成微电子机械系统的新领域。微细加工工艺、微致动技术、微机电系统的设计、微机械的应用等分支提出了涉及材料、微机构、微传感、微制动、微加工工艺等细观力学研究课题。这一领域已成为美、日等国高技术竞争的前沿。在薄膜力学，电迁移损伤、穿层位错引致失效、铁电致动器断裂疲劳研究等方面取得了一定的研究进展，但国内研究正在起步，还没有具有自主知识产权的能够测试集成电路电子薄膜在真实服役条件下可靠性的试验设备和实用技术。

集成电路中微纳米尺度的内导线失效，仍是在电、热、力等多场耦合条件下的电迁移和热迁移，特别是应力迁移现象造成的。在10¹⁰A/m²量级的工作电流密度下，电阻热效应导致的内应力及其再分布，使得多晶薄膜铝线经历了表面沿晶界处出现凸起和凹陷并逐渐增大、最终出现内孔洞及其扩展而导致导线的开路失效。占芯片总面积70-80％的内导线中的一条失效足以造成一个器件的失效，并进而导致整个系统灾难性的错误和瘫痪。我国是集成电路使用大国，但大多数厂家没有自己的设计能力，还停留在芯片封装等低级附属生产阶段。因此开发出一个我国自主知识产权并能够模拟集成电路工作实际服役条件的失效分析体系和相应设备及器材对科研和集成电路产业的发展都具有十分重要的意义。

因此，如何在检测手段上实现温度场下微器件失效机理的测试，开发有我国自主产权的测试设备和手段，是适应国内外微(纳)机电系统发展趋势的需要，也是我国相应领域发展并赶超世界水平的关键。

发明内容

本发明提供一种力/热/电/磁多场耦合下测试金属薄膜失效行为的装置，本发明提高集成电路电子薄膜材料失效的预测与评价水平，操作简单，可较真实检测反映实际服役条件下微器件的失效性能。

本发明的技术方案是这样实现的：

内嵌电阻丝的加热台置于隔热台上方，加热台连接有电源，隔热台两端设置有对流循环冷却水；被测金属薄膜置于加热台上面，并在试样表面设置热电偶，纳米压入传动装置连接传送杆，纳米压入传送装置和被测金属薄膜之间的传送杆两侧分别安置隔热挡板，每块隔热挡板两侧设置循环冷却水，磁极置于隔热台两侧。

磁极的磁场均可控，其范围分别为：加热温度从室温至200℃；直流电流0-3A；磁场0-1T。

本发明装置首次在纳米压痕仪中加入了热/电/磁耦合场，操作简单，可以较真实准确的模拟微器件在集成电路中的服役条件，适合在与微电子产品相关的企业与科研单位中推广和应用，降低微电子产品的失效率，有效的减少因微电子产品蠕变失效所造成的经济损失，从而对微电子产业会产生很大的经济效益。本方法可以精确的给出不同工艺下不同材料薄膜的蠕变稳定性的高低，从而对微电子产品中材料和工艺的选择有极高的指导意义，因此是一个实用且易于推广的技术。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图中：1.纳米压痕仪传动系统  2.金属隔热挡板  3.对流冷却通道(内通冷却水)  4.纳米压痕仪连接压头的传送杆  5.金刚石压头  6.磁极  7.热电偶  8.被测金属薄膜  9.隔热台  10.加热台(内嵌电阻丝加热)  11.给金属薄膜通电流的电源。

下面结合附图对本发明的内容作进一步详细说明。

具体实施方式

参照图1所示，内嵌电阻丝的加热台10置于隔热台9上方，加热台10连接有电源11，隔热台9两端设置有对流循环冷却水3；被测金属薄膜8置于加热台10上面，并在试样表面设置热电偶7，纳米压入传动装置1连接传送杆4，纳米压入传送装置1和被测金属薄膜8之间的传送杆4两侧分别安置隔热挡板2，每块隔热挡板2两侧设置循环冷却水3，磁极6置于隔热台两侧。

磁极6的磁场均可控，其范围分别为：加热温度从室温至200℃；直流电流0-3A；磁场0-1T。

(1)制作隔热台9，在隔热台上放置底部带电阻丝的加热台10，并在加热台周围添加对流冷却系统3，防止将整个测试系统加热。

(2)在隔热台左右两侧放置磁极6，用以产生磁场。