低温固体介电常数测量方法

1.本发明涉及低温微电子技术领域，特别是涉及一种低温固体介电常数测量方法。


背景技术：

2.介电常数作为描述材料电磁特性的重要特征参数，在材料科学、微波工程、电磁学等领域有着重要作用，对于介电常数的精确测量一直是基础且重要的课题。其中，常温低频率下的固体介电常数的测量方法有电容法、电桥法、谐振回路法和矢量阻抗法等，但是在一些特殊的低温领域(如超导领域)，往往需要获知材料在低温环境下的介电常数。而由于低温环境的特殊性，对上述介电常数的测量方法提出了新的挑战，如怎样在低温环境下测量所需要的参数，怎样解决低温环境带来的材料形变问题等等。
3.因此，提供一种低温固体介电常数测量方法，实属必要。


技术实现要素：

4.鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种低温固体介电常数测量方法，用于解决现有技术中难以在低温下测量获得固体介电常数的问题。
5.为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种低温固体介电常数测量方法，采用原位电容测试与低温形变仿真相结合的方式测试固体介电常数，包括以下步骤：
6.提供平板电容器，所述平板电容器包括依次叠置的第一极板、固体介质层及第二极板；
7.提供测试装置，所述测试装置包括测试腔，将所述平板电容器置于所述测试腔内，并降温至测试温度；
8.提供电容测量仪，所述电容测量仪分别与所述第一极板及第二极板电连接，以测量所述平板电容器在所述测试温度下的电容值；
9.对所述平板电容器进行热应力仿真，通过实体建模，仿真所述平板电容器在降温过程中由温度变化所引起的形变量；
10.结合所述电容值及形变量，进行数据处理，获得所述固体介质层在所述测试温度下的介电常数。
11.可选地，所述测试温度为77k以下。
12.可选地，所述测试装置进行降温的方式包括液氦降温或压缩机降温。
13.可选地，所述测试装置包括低温探针台。
14.可选地，对所述平板电容器进行所述电容值的测量方法包括开尔文四探针法；所述电容测量仪包括适用于半导体器件测量的精密电容测量仪。
15.可选地，所述平板电容器包括依次叠置的第一金属极板、固体介质层及第二金属极板。
16.可选地，所述平板电容器还包括与所述第一极板电连接的第一金属连接层及第一金属接触垫，以及与所述第二极板电连接的第二金属连接层及第二金属接触垫。
17.可选地，所述测试腔内放置有2个以上不同的所述平板电容器。
18.可选地，所述平板电容器通过微电子工艺在基板上原位制备。
19.可选地，当所述平板电容器为极板边长a的正方形平板电容器，以及在原位电容测试获得测试温度下的电容值为c、经过热应力仿真获得温差变化造成的极板边长形变为δa、固体介质层厚度形变为δh时，在数据处理中加入这些形变量修正低温固体介电常数计算公式为：ε＝c(h+δh)/(a+δa)2。
20.如上所述，本发明的低温固体介电常数测量方法，通过测试装置对具有待测固体介质的平板电容器进行降温以达到测试温度，通过电容测量仪测量平板电容器在测试温度下的电容值，以及通过热应力仿真，进行实体建模，仿真平板电容器在降温过程中由温度变化所引起的形变量，从而结合电容值及形变量，进行数据处理，可获得固体介质层在测试温度下的介电常数。本发明通过原位电容测量与低温形变仿真相结合的方式，可精确测试固体介质层在低温环境下的介电常数，测试方法简便，在低温环境下可行；采用开尔文四探针法测量电容值，可去除测试探针与接触垫的接触电阻，以及电容测量仪的线阻对测量结果的影响，从而可进一步的提高测试准确度，减小测试误差；通过有限元热应力仿真软件进行实体建模仿真，以评估由于低温导致平板电容器的形变，以使低温固体介电常数的计算更加准确；通过设计多组不同尺寸规格的平板电容器可得到多组电容值，经过数据处理，可进一步的减小测量误差。
附图说明
21.图1显示为本发明低温固体介电常数测量方法的流程示意图。
22.图2显示为本发明实施例中进行低温固体介电常数测量的结构示意图。
23.图3显示为本发明实施例中平板电容器的俯视结构示意图。
24.图4显示为本发明实施例中平板电容器的截面结构示意图。
25.元件标号说明
26.100
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平板电容器
27.200
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测试装置
28.300
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探针
29.400
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电容测量仪
30.101
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基板
31.102
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极板
32.103
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固体介质层
33.104
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金属连接层
34.105
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金属接触垫
具体实施方式
35.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
36.如在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
37.为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。本文使用的“介于
……
之间”表示包括两端点值。
38.在本技术的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。
39.需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，其组件布局型态也可能更为复杂。
40.如图1所示，本实施例提供一种低温固体介电常数测量方法，采用原位电容测试与低温形变仿真相结合的方式测试固体介电常数，包括以下步骤：
41.s1：提供平板电容器，所述平板电容器包括依次叠置的第一极板、固体介质层及第二极板；
42.s2：提供测试装置，所述测试装置包括测试腔，将所述平板电容器置于所述测试腔内，并降温至测试温度；
43.s3：提供电容测量仪，所述电容测量仪分别与所述第一极板及第二极板电连接，以测量所述平板电容器在所述测试温度下的电容值；
44.s4：对所述平板电容器进行热应力仿真，通过实体建模，仿真所述平板电容器在降温过程中由温度变化所引起的形变量；
45.s5：结合所述电容值及形变量，进行数据处理，获得所述固体介质层在所述测试温度下的介电常数。
46.本实施例的所述低温固体介电常数的测量方法，通过所述测试装置对所述平板电容器进行降温以达到测试温度，通过所述电容测量仪测量所述平板电容器在测试温度下的电容值，以及通过所述热应力仿真软件，进行实体建模，仿真所述平板电容器在降温过程中由温度变化所引起的形变量，从而结合所述电容值及形变量，进行数据处理，可获得所述固体介质层在测试温度下的介电常数。本实施例通过原位电容测量与低温形变仿真相结合的方式，可精确测试固体介质层在低温环境下的介电常数，测试方法简便，在低温环境下可行。
47.需要说明的是上述步骤的先后顺序，可依据需要进行适应性的变换，以下结合图2～图4对本实施例中的有关所述低温固体介电常数测量方法进行介绍。
48.首先，参阅图3及图4，执行步骤s1，提供平板电容器100，所述平板电容器100包括依次叠置的第一极板、固体介质层103及第二极板。
49.具体的，本实施例中，采用所述平板电容器100作为待测样品，所述平板电容器100
包括极板102以及位于所述极板102之间的固体介质层103，在所述平板电容器100中，影响所述平板电容器100的电容值c的参数分别为所述固体介质层103的厚度h、介电常数ε和所述极板102的长和宽。
50.优选地，本实施例中，为降低计算复杂度，所述极板102设计为正方形结构，即所述第一极板及第二极板采用边长为a的正方形，则根据电容计算公式可得c＝ε
·
a2/h，从而可以得出所述固体介质层103的介电常数的计算公式ε＝c
·
h/a2，但所述极板102的形貌并非局限于此，具体可根据需要进行设定。
51.作为示例，所述平板电容器100包括依次叠置的第一铌极板、二氧化硅介质层及第二铌极板。本实施例中，所述极板102采用铌极板，所述固体介质层103采用二氧化硅介质层，但并非局限于此，所述平板电容器100的种类可根据需要进行设定。
52.进一步的，所述平板电容器100还可包括与所述第一极板电连接的第一金属连接层及第一金属接触垫，以及与所述第二极板电连接的第二金属连接层及第二金属接触垫。
53.具体的，如图3及图4，本实施例中，所述平板电容器100包括与所述极板102电连接的金属连接层104及金属接触垫105，以便于通过所述金属接触垫105与探针300进行接触式电连接，以进行测试。其中，所述金属连接层104及金属接触垫105的材质可采用与所述极板102相同的材质，以降低制备工艺的复杂度，如所述极板102、金属连接层104及金属接触垫105可以包括但不仅限于超导金属，优选地，本实施例中，所述极板102、金属连接层104及金属接触垫105为金属铌材质。
54.作为示例，所述平板电容器100通过微电子工艺在基板101上原位制备。
55.具体的，本实施中，是在所述基板101上制备形成所述平板电容器100，其中，所述基板101可以包括但不仅限于硅片，优选地，本实施例中，所述基板101为<100>晶向的硅片。关于在所述基板101上制备所述平板电容器100的方法此处不作限定。
56.接着，参阅图2，执行步骤s2，提供测试装置200，所述测试装置200包括测试腔，将所述平板电容器100置于所述测试腔内，并降温至测试温度。
57.作为示例，所述测试温度可为77k以下，如所述测试温度可为70k、50k、20k、10k、4.2k、2k、2mk等，具体可根据需要进行设置。
58.作为示例，所述测试装置200可包括低温探针台；所述测试装置200进行降温的方式包括液氦降温或压缩机降温。
59.具体的，本实施例中，所述测试装置200采用低温探针台，但所述测试装置的具体种类并非局限于此，可根据需要进行选择。其中，所述测试装置200进行降温的方式可包括液氦降温或压缩机降温，本实施例中，所述低温探针台采用密封并抽真空后，待所述低温探针台内真空度到达一定程度后通入液氦降温，直至所述低温探针台内温度稳定在低温的测试环境。本实施例中使用液氦降温的方法，因此温度将维持在4.2k，而其他的降温方法，如压缩机等，均可实现降温，从而可达到不同的低温环境，以实现测量不同温度下的介电常数，此处不作过分限制。
60.接着，参阅图2，执行步骤s3，提供电容测量仪400，所述电容测量仪400分别与所述第一极板及第二极板电连接，以测量所述平板电容器100在所述测试温度下的电容值c。
61.具体的，所述电容测量仪400可通过探针300与所述平板电容器100的所述极板102进行电连接，以通过所述电容测量仪400获取位于低温测试环境中的所述平板电容器100所
对应,电容值c。本实施例中，通过线缆将所述探针300与所述电容测量仪400相连，并将所述探针300分别扎在所述金属接触垫105上，以通过读取所述电容测量仪400测量出的电容值获得所述固体介质层103在所述测试温度下的电容值c。其中，所述探针300可包括低温直流探针，但并非局限于此。
62.作为示例，对所述平板电容器100进行所述电容值的测量方法包括开尔文四探针法。
63.具体的，如图2所示，本实施例中，采用开尔文四探针法测量所述平板电容器100，从而可去除所述探针300与所述金属接触垫105的接触电阻，以及所述电容测量仪400的线阻对测量结果的影响，从而可进一步的提高测试准确度。
64.作为示例，所述电容测量仪400包括适用于半导体器件测量的精密电容测量仪，以提高测试精确度，但所述电容测量仪400的种类并非局限于此。
65.接着，执行步骤s4，提供热应力仿真软件，通过所述热应力仿真软件进行实体建模，仿真所述平板电容器100在降温过程中由温度变化所引起的形变量。
66.作为示例，所述热应力仿真软件包括有限元热应力仿真软件。
67.具体的，通过所述有限元热应力仿真软件可仿真得到所述平行板电容器100受降温影响而产生的形变量，如本实施例中，所述平行板电容器100的边长变化为δa，厚度变化为δh，通过c＝ε
·
a2/h关系式可得到修正介电常数的计算公式为：ε＝c(h+δh)/(a+δa)2。从而，通过原位电容测量与低温形变仿真相结合的方式，可测试所述固体介质层103在低温环境下的介电常数，测试方法简便，在低温环境下可行。
68.进一步的，所述测试腔内可放置有2个以上不同的所述平板电容器100。
69.具体的，当所述测试腔内放置2个以上不同的所述平板电容器100时，如设计不同边长a和不同厚度h的平行板电容器，可以在低温下测得多组电容值c，通过c＝ε(a+δa)2/(h+δh)关系获取c与(a+δa)2的变化图谱，再拟合即可求出斜率，用斜率乘上厚度(h+δh)，就可以算出介电常数ε。多组具有不同厚度的所述平行板电容器100可以得出多组介电常数ε的值，平均后可以提高测量精度。当然所述测试腔内也可放置有2个以上的相同的所述平板电容器100，以获得多组介电常数ε而后进行平均，也可提高测量精度。
70.综上所述，本发明的低温固体介电常数测量方法，通过测试装置对具有待测固体介质的平板电容器进行降温以达到测试温度，通过电容测量仪测量平板电容器在测试温度下的电容值，以及通过热应力仿真，进行实体建模，仿真平板电容器在降温过程中由温度变化所引起的形变量，从而结合电容值及形变量，进行数据处理，可获得固体介质层在测试温度下的介电常数。本发明通过原位电容测量与低温形变仿真相结合的方式，可精确测试固体介质层在低温环境下的介电常数，测试方法简便，在低温环境下可行；采用开尔文四探针法测量电容值，可去除测试探针与接触垫的接触电阻，以及电容测量仪的线阻对测量结果的影响，从而可进一步的提高测试准确度，减小测试误差；通过有限元热应力仿真软件进行实体建模仿真，以评估由于低温导致平板电容器的形变，以使低温固体介电常数的计算更加准确；通过设计多组不同尺寸规格的平板电容器可得到多组电容值，经过数据处理，可进一步的减小测量误差。
71.上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因
此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。