專利名稱：力/熱/電/磁多場耦合下測試金屬薄膜失效行為的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)和納機(jī)電系統(tǒng)(NEMS)用金屬薄膜近實(shí)際服役條 件下的失效機(jī)理測試，特別涉及力/熱/電/磁多場耦合下測試金屬薄膜失效行為的裝置。
背景技術(shù)：
集成電路失效的重要原因在于未處理好力學(xué)、熱學(xué)和電學(xué)的耦合效應(yīng)。研究與多 場耦合相關(guān)的多層微電子元器件及封裝的熱失配、蠕變、變形、損傷、細(xì)觀斷裂和焊點(diǎn)破壞 及內(nèi)導(dǎo)線的電遷移等，對于高可靠性的器件及封裝的失效防范是十分必要的。在中國微電 子產(chǎn)業(yè)的跨世紀(jì)發(fā)展中，將形成微電子機(jī)械系統(tǒng)的新領(lǐng)域。微細(xì)加工工藝、微致動技術(shù)、微 機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、微機(jī)械的應(yīng)用等分支提出了涉及材料、微機(jī)構(gòu)、微傳感、微制動、微加工工 藝等細(xì)觀力學(xué)研究課題。這一領(lǐng)域已成為美、日等國高技術(shù)競爭的前沿。在薄膜力學(xué)，電遷 移損傷、穿層位錯引致失效、鐵電致動器斷裂疲勞研究等方面取得了一定的研究進(jìn)展，但國 內(nèi)研究正在起步，還沒有具有自主知識產(chǎn)權(quán)的能夠測試集成電路電子薄膜在真實(shí)服役條件 下可靠性的試驗(yàn)設(shè)備和實(shí)用技術(shù)。集成電路中微納米尺度的內(nèi)導(dǎo)線失效，仍是在電、熱、力等多場耦合條件下的電遷 移和熱遷移，特別是應(yīng)力遷移現(xiàn)象造成的。在IOkiAAI2量級的工作電流密度下，電阻熱效應(yīng) 導(dǎo)致的內(nèi)應(yīng)力及其再分布，使得多晶薄膜鋁線經(jīng)歷了表面沿晶界處出現(xiàn)凸起和凹陷并逐漸 增大、最終出現(xiàn)內(nèi)孔洞及其擴(kuò)展而導(dǎo)致導(dǎo)線的開路失效。占芯片總面積70-80%的內(nèi)導(dǎo)線中 的一條失效足以造成一個器件的失效，并進(jìn)而導(dǎo)致整個系統(tǒng)災(zāi)難性的錯誤和癱瘓。我國是 集成電路使用大國，但大多數(shù)廠家沒有自己的設(shè)計(jì)能力，還停留在芯片封裝等低級附屬生 產(chǎn)階段。因此開發(fā)出一個我國自主知識產(chǎn)權(quán)并能夠模擬集成電路工作實(shí)際服役條件的失效 分析體系和相應(yīng)設(shè)備及器材對科研和集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展都具有十分重要的意義。因此，如何在檢測手段上實(shí)現(xiàn)溫度場下微器件失效機(jī)理的測試，開發(fā)有我國自主 產(chǎn)權(quán)的測試設(shè)備和手段，是適應(yīng)國內(nèi)外微(納)機(jī)電系統(tǒng)發(fā)展趨勢的需要，也是我國相應(yīng)領(lǐng) 域發(fā)展并趕超世界水平的關(guān)鍵。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種力/熱/電/磁多場耦合下測試金屬薄膜失效行為的裝置，本發(fā) 明提高集成電路電子薄膜材料失效的預(yù)測與評價(jià)水平，操作簡單，可較真實(shí)檢測反映實(shí)際 服役條件下微器件的失效性能。本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的內(nèi)嵌電阻絲的加熱臺置于隔熱臺上方，加熱臺連接有電源，隔熱臺兩端設(shè)置有對 流循環(huán)冷卻水；被測金屬薄膜置于加熱臺上面，并在試樣表面設(shè)置熱電偶，納米壓入傳動裝 置連接傳送桿，納米壓入傳送裝置和被測金屬薄膜之間的傳送桿兩側(cè)分別安置隔熱擋板， 每塊隔熱擋板兩側(cè)設(shè)置循環(huán)冷卻水，磁極置于隔熱臺兩側(cè)。磁極的磁場均可控，其范圍分別為加熱溫度從室溫至200°C ；直流電流0-3A ；磁場 0-1T。本發(fā)明裝置首次在納米壓痕儀中加入了熱/電/磁耦合場，操作簡單，可以較真實(shí) 準(zhǔn)確的模擬微器件在集成電路中的服役條件，適合在與微電子產(chǎn)品相關(guān)的企業(yè)與科研單位 中推廣和應(yīng)用，降低微電子產(chǎn)品的失效率，有效的減少因微電子產(chǎn)品蠕變失效所造成的經(jīng) 濟(jì)損失，從而對微電子產(chǎn)業(yè)會產(chǎn)生很大的經(jīng)濟(jì)效益。本方法可以精確的給出不同工藝下不 同材料薄膜的蠕變穩(wěn)定性的高低，從而對微電子產(chǎn)品中材料和工藝的選擇有極高的指導(dǎo)意 義，因此是一個實(shí)用且易于推廣的技術(shù)。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖中1.納米壓痕儀傳動系統(tǒng) 2.金屬隔熱擋板 3.對流冷卻通道(內(nèi)通冷卻 水)4.納米壓痕儀連接壓頭的傳送桿5.金剛石壓頭6.磁極7.熱電偶8.被測金 屬薄膜9.隔熱臺10.加熱臺(內(nèi)嵌電阻絲加熱)11.給金屬薄膜通電流的電源。下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的內(nèi)容作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
具體實(shí)施例方式參照圖1所示，內(nèi)嵌電阻絲的加熱臺10置于隔熱臺9上方，加熱臺10連接有電源 11，隔熱臺9兩端設(shè)置有對流循環(huán)冷卻水3 ；被測金屬薄膜8置于加熱臺10上面，并在試樣 表面設(shè)置熱電偶7，納米壓入傳動裝置1連接傳送桿4，納米壓入傳送裝置1和被測金屬薄 膜8之間的傳送桿4兩側(cè)分別安置隔熱擋板2，每塊隔熱擋板2兩側(cè)設(shè)置循環(huán)冷卻水3，磁 極6置于隔熱臺兩側(cè)。磁極6的磁場均可控，其范圍分別為加熱溫度從室溫至200°C ；直流電流0-3A ； 磁場O-IT。(1)制作隔熱臺9，在隔熱臺上放置底部帶電阻絲的加熱臺10，并在加熱臺周圍添 加對流冷卻系統(tǒng)3，防止將整個測試系統(tǒng)加熱。(2)在隔熱臺左右兩側(cè)放置磁極6，用以產(chǎn)生磁場。(3)將待測試樣8放置加熱臺上，在金屬薄膜中通入直流電流，置于穩(wěn)態(tài)磁場下， 并從薄膜底部用電阻絲加熱，使薄膜試樣處在熱/電/磁的耦合場下(附圖1)。(4)在熱/電/磁耦合場下，利用納米壓痕儀在薄膜表面加外力，檢測薄膜的屈服 強(qiáng)度、微疲勞、蠕變及斷裂等失效行為。通過熱、電、磁場分別疊加在納米壓痕力學(xué)測試中， 使新設(shè)備可以同時產(chǎn)生兩種或三種場耦合，調(diào)試設(shè)備，可模擬較簡單或更為復(fù)雜服役條件 下薄膜的失效行為。(5)由于此裝置要配置在已有的商用納米壓痕儀中，而納米壓痕儀的測量結(jié)果對 溫度的敏感性非常高，因此需要為此裝置配備冷卻系統(tǒng)3和可以監(jiān)控溫度變化的熱電偶7等。(6)通過改變金屬薄膜中電流強(qiáng)度或磁場的方向及磁感應(yīng)強(qiáng)度，可以調(diào)節(jié)薄膜受 到的電磁力，再通過納米壓痕儀綜合檢測其失效行為。電磁力的表達(dá)式為
權(quán)利要求
1.力/熱/電/磁耦合場下檢測微機(jī)電系統(tǒng)失效行為的裝置，其特征在于，內(nèi)嵌電阻 絲的加熱臺(10)置于隔熱臺(9)上方，加熱臺(10)連接有電源(11)，隔熱臺(9)兩端設(shè) 置有對流循環(huán)冷卻水(3)；被測金屬薄膜(8)置于加熱臺(10)上面，并在試樣表面設(shè)置熱 電偶(7)，納米壓入傳動裝置(1)連接傳送桿G)，納米壓入傳送裝置(1)和被測金屬薄膜 ⑶之間的傳送桿⑷兩側(cè)分別安置隔熱擋板O)，每塊隔熱擋板⑵兩側(cè)設(shè)置循環(huán)冷卻水 (3)，磁極(6)置于隔熱臺兩側(cè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的力/熱/電/磁耦合場下檢測微機(jī)電系統(tǒng)失效行為的裝置， 其特征在于，磁極(6)的磁場均可控，其范圍分別為加熱溫度從室溫至200°C ；直流電流 0-3A ；磁場 O-IT。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種力/熱/電/磁多場耦合下測試金屬薄膜失效行為的裝置，內(nèi)嵌電阻絲的加熱臺置于隔熱臺上方，加熱臺連接有電源，隔熱臺兩端設(shè)置有對流循環(huán)冷卻水；被測金屬薄膜置于加熱臺上面，并在試樣表面設(shè)置熱電偶，納米壓入傳動裝置連接傳送桿，納米壓入傳送裝置和被測金屬薄膜之間的傳送桿兩側(cè)分別安置隔熱擋板，每塊隔熱擋板兩側(cè)設(shè)置循環(huán)冷卻水，磁極置于隔熱臺兩側(cè)。本發(fā)明提高集成電路電子薄膜材料失效的預(yù)測與評價(jià)水平，操作簡單，可較真實(shí)檢測反映實(shí)際服役條件下微器件的失效性能。
文檔編號G01R31/26GK102081140SQ201010572438
公開日2011年6月1日 申請日期2010年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月3日
發(fā)明者盧天健, 徐可為, 王飛, 黃平 申請人:西安交通大學(xué)