[发明专利]一种用于TEM/SEM电镜的原位多参数测试芯片结构及制备方法

说明书

本发明公开了一种用于TEM/SEM电镜的原位多参数测试芯片结构及制备方法，该芯片功能区包括质量块、热沉梁、热执行器、静电执行器、支撑梁和引线梁、样品台、绝缘层、电极引线压焊块和衬底；器件整体呈对称结构，其中热执行器、静电执行器、热沉梁、质量块、支撑梁、引线梁、样品台都是沿质量块为中心轴线对称分布。器件为双驱动结构，驱动结构分别是热执行器和静电执行器，可以进行静‑动态测试结合，由此测试芯片现实如下功能：待测样品电学参数、力学参数的准静态单参数或多参数测试；待测样品平面拉伸下的蠕变、疲劳特性分析；待测样品的疲劳特性与电学参数力学参数之间的耦合关系规律分析，待测样品的可靠性失效分析。

技术领域

本发明涉及原位测试芯片技术领域，具体涉及一种用于TEM/SEM电镜的原位多参数测试芯片及其制备方法。

背景技术

过去的几十年，人们对低维材料(尤其是一维和二维纳米材料)的机械力学性能产生了极大的兴趣，纳米线，碳纳米管和石墨烯等低维材料是重要的基础研究方向，这是由于它们有异于体块材料的特殊性能以及拥有独特且可定制的物理性能的潜力，包括能量收集和存储、纳米机电系统(NEMS)、柔性电子学和可拉伸电子学在内的各种纳米技术应用。此外，当材料特征尺寸降至微纳米量级时，其力学性能与宏观体材料具有显著不同，并且纳米材料的力学性能与其微纳米尺度的变形机制密切相关。因此，发展一种可以实现TEM/SEM电镜下，能够原位观察在亚埃、原子或纳米尺度下研究材料的显微结构随静、动态力学参数变化，同时能够提取材料的力-电学性能的方法，对于提高微纳电子器件的可靠性，促进相关领域的发展具有十分重要的意义。

多重静、动态应力载荷下的力-电耦合特性与材料内部结构的形成和演化紧密相关，但目前相关研究结果主要还是建立在大量静、动态载荷的独立测试上，无法全面理解多重应力载荷下的机械特性。随着纳米材料表征测试和微机电系统(MEMS)技术的飞速发展，在透射电镜中对纳米材料进行原位力学加载成为可能。但是，目前针对可用于透射电子显微镜下的原位静、动态多重应力载荷机械测试技术还很少，并且已报道的技术一般仅限于单次加载，或者小应力动态加载。当前还没有能提供可用于原位TEM/SEM电镜同时实现大应力单轴拉伸和高频率动态加载的实时力-电耦合测试技术。

市面上已有的商业化样品杆有Hysitron公司的PI型纳米压痕仪，可实现材料样品的单轴拉伸及机械性能的测试，但是该实验仪价格昂贵，须定制特定的实验环境，且无法实现多物理场的集成。

北京工业大学韩晓东教授课题组开发出的一种基于热执行器和加热电阻丝的力-热耦合测试芯片，该芯片可以实现材料样品在高温下的原位力学单轴拉伸，但是该芯片由于结构整体刚度较大，使其影响拉伸过程中对材料样品力学性能的精确测量，造成对微纳材料进行杨氏模量等机械性能测试误差较大，并且无法测量样品的电学特性。

中国科学院上海微系统与信息技术研究所王跃林研究员课题组开发出的动态机械加载材料样品的原位表征装置，该装置可实现材料样品的静、动态应力加载测试，但是该芯片制备工艺复杂，且其电学测试技术为两探针测试，无法消除测试材料与样品台之间接触电阻的影响，严重影响了拉伸过程中对材料样品电学特征的精确测量。

美国西北大学Horacio D.Espinosa教授开发出双倾透射电镜MEMS样品杆，该样品杆可以实现静态力学拉伸及测量，并且能通过双轴倾转得到材料的高分辨成像，并配备电容传感器自动检测材料所受应力，但是该样品杆设计复杂，且无法进行动态力学测量。

因此发展一种可以原位静-动态测试材料样品的力电多参数耦合特性，且可以大批量生产应用的基于TEM/SEM电镜的原位测试芯片件仍是本领域亟待解决的问题之一。

发明内容