[0045]其中，擊穿現(xiàn)象捕捉與定位模塊提供兩種方法來實現(xiàn)擊穿現(xiàn)象捕捉與定位。第一種方法通過捕捉實時過程的電流脈沖，定位其發(fā)生的時段，進而捕捉與分析該時段顯微圖像的變化，從而實現(xiàn)擊穿現(xiàn)象空間定位。另一種方法通過圖像識別確定擊穿現(xiàn)象發(fā)生的位置與時間段，并采用其時間定位來確定電學(xué)性能變化，從而實現(xiàn)擊穿綜合分析。
[0046]擊穿分類及其數(shù)量統(tǒng)計模塊提供三種基本方法實現(xiàn)擊穿分類及其數(shù)值統(tǒng)計。第一種方法采用擊穿場強為標準來實現(xiàn)擊穿的分類和統(tǒng)計。第二種方法采用擊穿能量與擊穿場強兩個參數(shù)為標準實現(xiàn)擊穿的分類和統(tǒng)計。第三種方法采用擊穿位置、形貌和所覆蓋的面積大小為標準實現(xiàn)擊穿的分類和統(tǒng)計。這三種分類結(jié)果可進行綜合，實現(xiàn)更準確的分類與統(tǒng)計。
[0047]以下以具體實驗進一步說明上述測試分析系統(tǒng)。
[0048]實驗I
[0049]如圖3所示，為薄膜樣品擊穿過程與分類示意圖。樣品為在Si/Si02/Ti02/Pt基片上采用旋涂方法制備的210nm無定型氧化鋁薄膜，樣品上電極是采用濺射工藝制備的厚度為10nm金電極(直徑1mm)。在實時過程分析發(fā)現(xiàn)，在電壓在20V附近，電極邊緣出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象(A區(qū)域)；在電壓為60V附近，出現(xiàn)缺陷誘導(dǎo)擊穿(B區(qū)域)；而在電極與探針接觸的地方則在65V附近，出現(xiàn)硬擊穿(C區(qū)域)，漏電流突然增大，導(dǎo)致測試無法繼續(xù)并終止。按實時過程的擊穿現(xiàn)象與伏安曲線的對應(yīng)關(guān)系，我們可以確定在A區(qū)域出現(xiàn)的擊穿，為電極的邊緣效應(yīng)誘導(dǎo)擊穿；而在B區(qū)域出現(xiàn)的擊穿現(xiàn)象為氧化鋁薄膜內(nèi)部缺陷誘導(dǎo)擊穿現(xiàn)象；C區(qū)域的擊穿發(fā)生在在探針與電極接觸附近，情形較為復(fù)雜。這一擊穿首先由薄膜內(nèi)部缺陷誘導(dǎo)擊穿，導(dǎo)致探針附近電極發(fā)生破壞，從而在探針附近出現(xiàn)電極缺陷，進一步誘導(dǎo)了大量擊穿，最終導(dǎo)致探針與底電極相接觸，電路導(dǎo)通而終止測試。顯然通過本發(fā)明方法，快速實現(xiàn)了該樣品出現(xiàn)的擊穿分類。該實驗結(jié)果為提高薄膜耐電性能和可靠性提供了可靠依據(jù)。
[0050]實驗2
[0051]如圖4所示，為薄膜伏安曲線與顯微形貌綜合分析示意圖。樣品為在Si/Si02/Ti02/Pt基片上采用旋涂方法制備的210nm無定型氧化鋁薄膜，樣品上電極是采用真空蒸發(fā)鍍膜制備的厚度為50nm鋁電極(直徑Imm)。它的實時過程可以分為(a)、(b)、(c)、(d)四個階段。在第一階段中，鋁電極邊緣首先由白色變?yōu)闇\藍色，在第二階段鋁電極的所有區(qū)域都從白色轉(zhuǎn)變?yōu)闇\藍色。此時電流從4μΑ突然下降到5nA。在第三階段中，在鋁電極顏色逐漸有淺藍色轉(zhuǎn)變?yōu)樯钏{色。漏電流逐漸從5nA增加至I μ A。最后，在160V附近，電流突然增加，探針與鋁電極接觸點處發(fā)生了擊穿。通過光電子能譜分析(XPS)對電極顏色變化前后進行化學(xué)價態(tài)分析，我們確定了鋁電極在該電學(xué)測試過程中發(fā)生了陽極氧化反應(yīng)。再結(jié)合從實時測試過程確定了電極顏色變化時的時間點，場強和漏電流變化節(jié)點。從而對這一陽極氧化過程有了更為全面的認識。本發(fā)明為這一電化學(xué)擊穿現(xiàn)象提供了重要依據(jù)。
[0052]實驗3
[0053]如圖5所示，為一薄膜樣品擊穿形貌數(shù)據(jù)后處理方式示意圖。圖中標記Α、B、C、D和E表示不同擊穿點不同的覆蓋面積。根據(jù)其面積的不同，我們可以對這類擊穿現(xiàn)象進行分類和統(tǒng)計。這一分類和統(tǒng)計有利于我們理解薄膜內(nèi)部不同類型和大小的缺陷誘導(dǎo)擊穿。另外我們可以觀察到擊穿現(xiàn)象成連續(xù)分布，表明部分擊穿后的電極破壞造成了周圍電場不均勻，進一步誘導(dǎo)了其他缺陷的擊穿行為。這一現(xiàn)象我們從顯微形貌變化實時過程視頻可以得到證實。
【主權(quán)項】
1.一種薄膜電學(xué)特性與擊穿特性實時測試分析系統(tǒng)，其特征在于，包括電學(xué)測試裝置、顯微圖像實時采集裝置和綜合分析處理裝置，其中: 所述電學(xué)測試裝置包括樣品裝夾座、測試探針、數(shù)字源表和測試控制模塊，所述測試探針設(shè)置在樣品裝夾座上，所述測試探針、數(shù)字源表和測試控制模塊依次連接； 所述顯微圖像實時采集裝置包括相連接的數(shù)據(jù)碼光學(xué)顯微模塊和圖像采集模塊，所述數(shù)據(jù)碼光學(xué)顯微模塊設(shè)置在樣品裝夾座上； 所述綜合分析處理裝置分別連接測試控制模塊、圖像采集模塊； 測試控制模塊控制數(shù)字源表、測試探針對樣品裝夾座上的樣品進行電學(xué)測試，圖像采集模塊通過數(shù)據(jù)碼光學(xué)顯微模塊采集顯微圖像數(shù)據(jù)，并進行處理，綜合分析處理裝置根據(jù)處理結(jié)果獲得樣品電學(xué)特性與擊穿特性并顯示。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種薄膜電學(xué)特性與擊穿特性實時測試分析系統(tǒng)，其特征在于，所述樣品裝夾座包括用于安裝樣品和測試探針的測試臺底座以及用于安裝數(shù)據(jù)碼光學(xué)顯微模塊的測試臺支架。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種薄膜電學(xué)特性與擊穿特性實時測試分析系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)字源表為具有可編程恒流源功能、可編程恒壓源功能、可編程數(shù)字萬用表功能的可編程數(shù)字源表。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種薄膜電學(xué)特性與擊穿特性實時測試分析系統(tǒng)，其特征在于，所述測試控制模塊包括線性電勢掃描單元、循環(huán)線性電勢掃描單元、控制電勢計時測試單元、控制電流計時測試單元以及跳躍電導(dǎo)捕捉和擊穿能量測試單元。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種薄膜電學(xué)特性與擊穿特性實時測試分析系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)碼光學(xué)顯微模塊包括聚光照明系統(tǒng)、物鏡、目鏡、調(diào)焦機構(gòu)以及高速高倍數(shù)碼攝像頭。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種薄膜電學(xué)特性與擊穿特性實時測試分析系統(tǒng)，其特征在于，所述圖像采集模塊包括圖像捕捉單元、視頻錄制單元和圖像識別與定位單元。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種薄膜電學(xué)特性與擊穿特性實時測試分析系統(tǒng)，其特征在于，所述綜合分析處理裝置包括擊穿現(xiàn)象捕捉與定位模塊、擊穿形貌分析模塊和擊穿分類及其數(shù)量統(tǒng)計模塊。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種薄膜電學(xué)特性與擊穿特性實時測試分析系統(tǒng)，其特征在于，所述擊穿現(xiàn)象捕捉與定位模塊包括: 捕捉實時過程的電流脈沖，定位其發(fā)生的時段，進而捕捉與分析該時段顯微結(jié)構(gòu)變化，從而實現(xiàn)擊穿現(xiàn)象的空間定位的單元；或 通過圖像識別確定擊穿現(xiàn)象發(fā)生的位置與時間段，并采用其時間定位來確定電學(xué)性能變化，從而實現(xiàn)擊穿綜合分析的單元。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種薄膜電學(xué)特性與擊穿特性實時測試分析系統(tǒng)，其特征在于，所述擊穿分類及其數(shù)量統(tǒng)計模塊包括: 采用擊穿場強為標準實現(xiàn)擊穿的分類和統(tǒng)計的單元； 采用擊穿能量與擊穿場強兩個參數(shù)為標準實現(xiàn)擊穿的分類和統(tǒng)計的單元； 采用擊穿位置、形貌和所覆蓋的面積大小為標準實現(xiàn)擊穿的分類和統(tǒng)計的單元中的一個或多個。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種薄膜電學(xué)特性與擊穿特性實時測試分析系統(tǒng)，其特征在于，所述測試控制模塊、圖像采集模塊和綜合分析處理裝置設(shè)置于一計算機中。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種薄膜電學(xué)特性與擊穿特性實時測試分析系統(tǒng)，包括電學(xué)測試裝置、顯微圖像實時采集裝置和綜合分析處理裝置，其中：所述電學(xué)測試裝置包括樣品裝夾座、測試探針、數(shù)字源表和測試控制模塊，所述測試探針設(shè)置在樣品裝夾座上，所述測試探針、數(shù)字源表和測試控制模塊依次連接；所述顯微圖像實時采集裝置包括相連接的數(shù)據(jù)碼光學(xué)顯微模塊和圖像采集模塊，所述數(shù)據(jù)碼光學(xué)顯微模塊設(shè)置在樣品裝夾座上；所述綜合分析處理裝置分別連接測試控制模塊、圖像采集模塊。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有易于操作，耗費時間少，直觀性好等優(yōu)點，能夠有效分析和評價薄膜材料擊穿機理和導(dǎo)致?lián)舸┈F(xiàn)象發(fā)生的原因。
【IPC分類】G01R31-12, G01R31-00
【公開號】CN104678211
【申請?zhí)枴緾N201410855728
【發(fā)明人】姚曼文, 陳建文, 鄒培, 肖瑞華, 彭勇, 姚熹
【申請人】同濟大學(xué)
【公開日】2015年6月3日
【申請日】2014年12月30日