薄膜材料的测试系统、测试方法、测试结构及其制作方法与流程

本发明涉及单轴拉伸测试领域，具体涉及薄膜材料的测试系统、测试方法、测试结构及其制作方法。

背景技术：

现有针对薄膜样品进行单轴拉伸测试时，利用微加工技术形成测试结构，将测试结构与支撑梁相连，通过移动平台和拉力设备进行单轴拉伸测试。但是该方法的缺点是由于悬空的测试结构有支撑梁相连，测试结构承受的力还需要计入支撑梁变形的影响，因此可能导致额外的误差；而且由于测试结构变形不能太大，因此不适宜测试大变形的材料；另外，整个测试装置需要放在扫描电子显微镜(sem)中进行观察测量，不适合常规操作，限制了其应用范围。

现有技术中，针对金属材料、多层复合材料、高聚物材料的测试较多，针对介电材料、尤其是针对低介电常数(low-k/ultra-low-k)材料的进行测试的非常少。在90纳米节点以下的芯片中，为降低rc延迟，引入铜布线和low-k/ultralow-k材料作为电介质。low-k材料比较脆弱，容易在芯片后续封装过程中出现失效破坏，因此掌握其基本力学性质非常重要。误差小、最直接的方法是单轴拉伸实验。实际产品使用中的low-k材料尺寸非常微小，其微观力学性能与宏观材料力学性能有明显差异，因此采用大体积样品进行测试的方法不能满足器件设计中精确分析的要求。由于low-k材料本身特性，以及采用化学气相沉积或旋涂的方法制备，厚度非常微小，数微米以下，因此用一般方法制备样品进行测试非常困难。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例提供了薄膜材料的测试系统、测试方法、测试结构及其制作方法，以解决现有技术中薄膜材料的单轴拉伸测试方法复杂，以及测试困难的问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种薄膜材料的测试系统，该测试系统包括支撑框架和拉力设备；

支撑框架包括位于两端的固定部，以及用于连接位于两端的固定部的保护条，固定部和保护条围成一镂空结构，位于两端的固定部用于固定测试结构的两端；

拉力设备上设置有夹具，夹具用于夹持支撑框架上位于两端的固定部和测试结构的两端进行拉伸测试。

可选地，测试结构包括薄膜材料和载体，载体位于薄膜材料的两端，且位于薄膜材料的同一表面，载体粘结在支撑框架的两个固定部，以将测试结构固定在支撑框架上。

可选地，保护条与固定部通过卡口或者螺栓连接。

第二方面，本发明实施例提供了一种基于第一方面所述的测试系统的测试方法，包括：

将测试结构的两端固定在支撑框架的位于两端的固定部上；

将支撑框架的位于两端的固定部，以及测试结构的两端夹持在拉力设备的夹具上；

断开支撑框架上的保护条；

通过拉力设备对测试结构进行单轴拉伸测试。

可选地，测试结构包括薄膜材料和载体，载体位于薄膜材料的两端，且位于薄膜材料的同一表面，将测试结构的两端固定在支撑框架的位于两端的固定部上具体为：

将载体粘结在支撑框架的两个固定部。

第三方面，本发明实施例提供了一种测试结构，包括薄膜材料和载体，载体位于薄膜材料的两端，且位于薄膜材料的同一表面。

可选地，测试结构上设置有至少一个位移标识，位移标识为测试结构上的突起结构，用于测试结构的定位。

可选地，载体的厚度为50-750μm。

第四方面，本发明实施例提供了一种针对第三方面测试结构的制作方法，包括：

在载体的上表面沉积薄膜材料；

通过光刻工艺，对薄膜材料进行刻蚀，形成至少一个凹槽，凹槽底部暴露出载体的上表面，以及凹槽贯穿载体的上表面；

对载体的下表面进行减薄；

通过光刻工艺，对载体的下表面进行刻蚀，将载体对应凹槽的部分刻蚀掉，并将载体对应薄膜材料的部分刻蚀掉中间位置的载体，以至露出薄膜材料，形成中间悬空的测试结构。

可选地，对载体的下表面进行减薄，包括：

对载体的下表面进行减薄；

载体减薄后的厚度为50-750μm。

可选地，在测试结构上制作至少一个位移标识，位移标识为测试结构上的突起结构，用于测试结构的定位。

本发明实施例提供了一种薄膜材料的测试系统、测试方法、测试结构及其制作方法，其中测试系统包括支撑框架和拉力设备；支撑框架包括位于两端的固定部，以及用于连接该固定部的保护条，固定部和保护条围成一镂空结构，位于两端的固定部用于固定测试结构的两端；拉力设备上设置有夹具，夹具用于夹持支撑框架上位于两端的固定部和测试结构的两端进行拉伸测试。采用上述测试系统，通过支撑框架位于两端的固定部固定测试结构，并将支撑框架的固定部和测试结构的两端夹持到拉力设备的夹具上进行单轴拉伸测试，可以直接对薄膜材料进行测试。与现有技术相比，本实施例提供的测试系统不需要引入支撑梁或移动平台，没有其他中间加载过程，测试结构承受的力不会受到支撑梁变形的影响，避免了额外的误差，使得薄膜材料的单轴拉伸测试更加简单，并且由于该测试系统引入了具有两端固定部的支撑框架，因此降低了对夹具的特殊要求，对拉力设备也没有特殊要求。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种薄膜材料的测试系统的俯视结构示意图；

图2为本发明实施例提供的另一种薄膜材料的测试系统的俯视结构示意图；

图3为本发明实施例提供的另一种薄膜材料的测试系统的俯视结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种薄膜材料测试方法的流程图；

图5为本发明实施例提供的一种薄膜材料测试方法的实验过程示意图；

图6为本发明实施例提供的一种薄膜材料测试结构的俯视结构示意图；

图7为本发明实施例提供了一种薄膜材料测试结构的制作方法流程图；

图8a为本发明实施例提供的测试结构的制作方法中在载体上沉积薄膜材料的剖面结构示意图；

图8b为本发明实施例提供的测试结构的制作方法中光刻形成测试结构图案的剖面结构示意图；

图8c为本发明实施例提供的测试结构的制作方法中刻蚀薄膜材料形成测试结构图形的剖面结构示意图；

图8d为本发明实施例提供的测试结构的制作方法中减薄载体的剖面结构示意图；

图8e为本发明实施例提供的测试结构的侧视示意图；

图8f为本发明实施例提供的测试结构的俯视示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部。

图1为本发明实施例提供的一种薄膜材料的测试系统的俯视结构示意图。如图1所示，本发明实施例提供的薄膜材料的测试系统，包括支撑框架110和拉力设备(未示出)；

支撑框架110包括位于两端的固定部111，以及用于连接位于两端的固定部111的保护条112，固定部111和保护条112围成一镂空结构，位于两端的固定部111用于固定测试结构120的两端；

拉力设备(未示出)上设置有夹具(未示出)，夹具(未示出)用于夹持支撑框架110上位于两端的固定部111和测试结构120的两端进行拉伸测试。

支撑框架110可采用金属片或其它硬质材料制作，保护条112厚度较薄，便于测试结构120安装固定后进行剪断操作。

图2为本发明实施例提供的另一种薄膜材料的测试系统的俯视结构示意图。可选地，保护条112与固定部111通过卡口或者螺栓连接。保护条112安装固定后可通过卡口或者螺栓拆卸，这样可以避免剪断保护条112时对测试结构的冲击，并且可重复利用。

图3为本发明实施例提供的另一种薄膜材料的测试系统的俯视结构示意图。如图3所示，本实施例提供的测试系统中，测试结构120包括薄膜材料121和载体122，载体122位于薄膜材料121的两端，且位于薄膜材料121的同一表面。图2中，位于薄膜材料121两端的载体122均位于薄膜材料121的下表面。载体122粘结在支撑框架110的两个固定部111，以将测试结构120固定在支撑框架110上。

可选地，薄膜材料121为低介电常数(low-k)薄膜材料。集成电路内部，由于层间电介质的存在，导线之间会存在分布电容，影响芯片的速度和可靠性，而low-k薄膜材料可以降低电容容量，减少分布电容，提升芯片性能。尤其是在90纳米节点以下的芯片中，low-k材料可以缩短信号传播延时，降低线路串扰。low-k薄膜材料比较脆弱，容易在芯片后续封装过程中出现失效破坏，因此掌握其基本力学性质非常重要。本发明实施例提供的薄膜材料的测试系统可以对low-k薄膜材料进行单轴拉伸测试，通过该测试系统可以获得准确可靠的测试数据，进而掌握low-k薄膜材料的力学性能。可选地，薄膜材料还可以是金属薄膜材料、合金薄膜材料或者其他多层复合薄膜材料。

可选地，载体122为硅片，或者玻璃、砷化镓和碳化硅等其他刚性材料制作的结构。薄膜材料的厚度非常微小，一般在数微米之下，因此薄膜材料的测试结构不易运输和转移，测试结构夹持时，其两端会发生塑性变形，影响测试效果，而且测试也比较困难，载体的存在为薄膜材料提供了刚性支撑，使得薄膜材料容易操控，方便运输，以及易于夹持。

本发明实施例提供的薄膜材料的测试系统，通过支撑框架位于两端的固定部固定测试结构，并将支撑框架的固定部和测试结构的两端夹持到拉力设备的夹具上进行单轴拉伸测试，可以直接对薄膜材料进行测试。与现有技术相比，本实施例提供的测试系统不需要引入支撑梁或移动平台，没有其他中间加载过程，测试结构承受的力不会受到支撑梁变形的影响，避免了额外的误差，使得薄膜材料的单轴拉伸测试更加简单，并且由于该测试系统引入了具有两端固定部的支撑框架，因此降低了对夹具的特殊要求，对拉力设备也没有特殊要求。

图4为本发明实施例提供的一种薄膜材料测试方法的流程图。本发明实施例提供的测试方法基于上述薄膜材料的测试系统，如图4所示，该测试方法包括：

s110、将测试结构的两端固定在支撑框架的位于两端的固定部上。

s120、将支撑框架的位于两端的固定部，以及测试结构的两端夹持在拉力设备的夹具上。

s130、断开支撑框架上的保护条。

s140、通过拉力设备对测试结构进行单轴拉伸测试。

可选地，测试结构包括薄膜材料和载体，载体位于薄膜材料的两端，且位于薄膜材料的同一表面，将测试结构的两端固定在支撑框架的位于两端的固定部上具体为：

将载体粘结在支撑框架的两个固定部。

图5为本发明实施例提供的一种薄膜材料测试方法的实验过程示意图，如图5所示，用拉力设备(未示出)上的夹具(未示出)夹持支撑框架110，剪断支撑框架110的两侧保护条112，通过拉力设备(未示出)对支撑框架110施加两个向外的拉力f，对薄膜材料测试结构120进行单轴拉伸，获得完整的应力应变曲线。进一步地，通过应力应变曲线直线段的斜率得到薄膜材料的模量，通过最大应力获得其强度的大小，掌握薄膜材料的力学性能。

可选地，保护条与固定部通过卡口或者螺栓连接时，用拉力设备上的夹具夹持支撑框架，拆卸掉支撑框架的两侧保护条，通过拉力设备对支撑框架施加两个向外的拉力f，对薄膜材料测试结构进行单轴拉伸。

本发明实施例提供的薄膜材料的测试方法，通过将测试结构的载体粘结安装到拉伸辅助框架上，用适当的夹具夹持框架两端，剪断支撑框架的两侧保护条，对薄膜材料试样进行单轴拉伸，进而得知薄膜材料的力学性能，本实施例提供的测试方法对拉力设备没有严格的限制，只需要在拉伸量程范围内即可，测试过程中由于没有其他加载环节，不需要计入其他辅助结构变形的影响，使得获得的测试数据更加可靠。

图6为本发明实施例提供的一种薄膜材料测试结构的俯视结构示意图。如图6所示，本实施例提供的测试结构120包括薄膜材料121和载体122，载体122位于薄膜材料121的两端，且位于薄膜材料121的同一表面。

可选地，测试结构120上设置有至少一个位移标识123，位移标识123为测试结构120上的突起结构，用于测试结构120的定位。位移标识123通常成对存在，分别位于薄膜材料121的两侧，以便于定位，如图5所示，本实施例提供的测试结构上设置有四个位移标识123，每对位移标识123分别位于薄膜材料靠近两端的位置，可以在进行单轴拉伸测试时更好地对薄膜材料定位。位移标识还可以是一个或者多个，本实施例对此不作限定，只要能起到定位作用即可。

可选地，载体122的厚度为50-750μm。载体122用作薄膜材料121的刚性支撑，位于薄膜材料121的同一表面的两端，使得厚度微小的薄膜材料便于转移、运输和夹持。

本发明实施例提供薄膜材料的测试结构，包括薄膜材料和载体，载体位于薄膜材料的两端，且位于薄膜材料的同一表面，该测试结构可以直接粘结在本实施例提供的支撑框架上，通过拉力设备进行单轴拉伸测试，对拉力设备和夹具均没有特殊要求。

图7为本发明实施例提供了一种薄膜材料测试结构的制作方法流程图，测试结构为上述实施例所述的测试结构，该测试结构的制作方法包括：

s710、在载体的上表面沉积薄膜材料。

s720、通过光刻工艺，对薄膜材料进行刻蚀，形成至少一个凹槽，凹槽底部暴露出载体的上表面，以及凹槽贯穿载体的上表面。

s730、对载体的下表面进行减薄。

s740、通过光刻工艺，对载体的下表面进行刻蚀，将载体对应凹槽的部分刻蚀掉，并将载体对应薄膜材料的部分刻蚀掉中间位置的载体，以至露出薄膜材料，形成中间悬空的测试结构。

图8a至图8f为依据本发明实施例提供的测试结构的制作方法的各个工艺步骤中所形成的结构示意图。下面结合图8a至图8f来具体阐述本发明实施例提供的测试结构的制作方法。

本发明实施例通过微加工方法制备薄膜材料测试结构，例如low-k测试结构，可通过化学气相沉积或旋涂等方法在载体上制备low-k薄膜材料。根据low-k材料制备方法的不同，测试结构的主要制备流程也有所不同，本发明以化学气相沉积法为例进行论述。

首先，在载体的上表面沉积薄膜材料，如图8a所示。图8a为本发明实施例提供的测试结构的制作方法中在载体上沉积薄膜材料的剖面结构示意图，在载体122上通过化学气相沉积制备薄膜材料121，然后涂覆光刻胶124。

根据所需的测试结构和尺寸设计相应的掩模板，通过光刻曝光的方法形成测试结构图案，如图8b所示，图8b为本发明实施例提供的测试结构的制作方法中光刻形成测试结构图案的剖面结构示意图，在光刻胶124上形成两个凹槽结构。

将凹槽处的薄膜材料通过干法刻蚀工艺去除，形成测试结构图形，如图8c所示，图8c为本发明实施例提供的测试结构的制作方法中刻蚀薄膜材料形成测试结构图形的剖面结构示意图，对薄膜材料121进行刻蚀，形成至少一个凹槽，本实施例中为两个凹槽，凹槽底部暴露出载体122的上表面，以及凹槽贯穿载体122的上表面。

去除薄膜材料121上残留的光刻胶124，获得最终薄膜材料121的测试结构图形，并通过临时键合的方法将上述载体122倒贴在一个载片(载片可以是硅片，玻璃等)上，将载体122背面进行减薄，如图8d所示，图8d为本发明实施例提供的测试结构的制作方法中减薄载体的剖面结构示意图。载体减薄后的厚度可以控制在50-750μm范围，起到对薄膜材料的刚性支撑作用，也不影响测试时对薄膜材料的夹持。

在载体122背面涂覆光刻胶，通过光刻曝光的方法将待刻蚀的区域暴露出来，然后通过刻蚀(可以是干法刻蚀或湿法刻蚀等)方法将暴露出来的载体全部刻蚀掉，一直刻蚀到薄膜材料界面为止，最终形成中间悬空的薄膜材料，其形状为哑铃形，如图8e和图8f所示，图8e为本发明实施例提供的测试结构的侧视示意图，图8f为本发明实施例提供的测试结构的俯视示意图。

可选地，还可以通过掩模板设计在测试结构120上制备位移标识123，如图8f所示的三角形标识，其中，该位移标识不局限于三角形，可以是任何小的突起形状，用于定位。

至此完成对薄膜材料的测试结构的制作，本实施例提供的测试结构的制作方法可以一次制备多个均匀性良好的测试结构，对测试结构的尺寸控制精准，测试结构的制备条件与实际产品接近，数据具有良好的参考价值，测试结构容易操控，便于转移、运输和夹持。采用本实施例提供的制作方法完成的测试结构可以直接粘结在本实施例提供的支撑框架上，通过拉力设备进行单轴拉伸测试，对拉力设备和夹具均没有特殊要求，也没有其他中间加载过程，获得的数据更可靠。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。