[发明专利]一种相变温度测试系统

说明书

技术领域

本发明属于薄膜性能测试技术，具体涉及一种薄膜材料相变温度的测 试系统，该系统可以测量薄膜材料的晶化温度、晶态时不同结构相之间的 相变温度和熔化温度。

背景技术

目前，以硫系化合物为主的相变材料被广泛应用于信息存储、储能、 传感器、逻辑器件、人工神经网络等领域。以相变存储器(PCRAM)为例， 它利用电脉冲的热效应使相变材料(主要是硫系化合物)在晶态和非晶态 之间可逆转变，并由材料在两态下电阻值的巨大差异来存储数据，其中晶 态为低阻态，非晶态为高阻态。自问世以来，相变存储器以其非易失性、 与CMOS工艺兼容、高速、抗辐射、相对廉价、使用寿命长的优良特性而倍 受关注，但是热串扰引起的不稳定性和目前尺寸下较大操作电流成为制约 其进一步实用化的重要瓶颈。

为了改善器件的相关性能，必须优化相变材料的相关参数。而相变温 度则是决定相变材料性能的关键参数之一，其中晶化温度(Tc，材料由非 晶态向晶态转变的温度)直接决定了器件的工作稳定性，晶化温度越高， 器件的热稳定性越好；而熔化温度(Tm，材料由晶态向非晶态转变的温度) 则能显著地影响操作电流的大小，熔化温度越低，器件的RESER电流越小， 功耗越低。因此，对薄膜相变材料的相变温度的准确测量显得尤为重要。

常用的测量材料相变温度的手段主要有差热分析仪(DSC)和变温XRD 等，其中前者属于破坏性测量，必须将薄膜样品刮成粉末，这样必然会破 坏膜层结构，导致测量上的不准确性，此外，由于其灵敏度的限制，一般 要求样品质量大于几毫克，较薄的薄膜样品根本无法测量；而变温XRD的测 量精度有限，高温下由于晶体的热涨会引起较大的误差。中国发明专利“相 变温度测试装置”(公开号CN1253286，公开日2000.05.17)中所示的相 变温度测试装置只能用于测量透光性较好的样品，而绝大部分薄膜材料尤 其是薄膜相变材料的透光率很低，且其透光率随薄膜厚度的变化而急剧变 化，导致其应用范围受到了极大的限制。

因此，目前迫切地需要一种能够快捷而准确地测量薄膜材料尤其是薄 膜相变材料相变温度的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种相变温度测试系统，该系统能准确测量绝 大部分薄膜材料尤其是薄膜相变材料的相变温度，测试过程对样品无破坏， 可测量膜厚低至几个原子层(1nm)的样品。

本发明提供的相变温度测试系统，其特征在于：加热炉的盖板上开有 通光孔，加热炉内设有炉腔，样品架位于炉腔内，并位于通光孔的正下方， 在通光孔的上方放置有激光器和光电探测器，待测样品位于激光器出射光 路上，光电探测器位于待测样品对激光束的反射光路上。

本发明系统测试灵敏度较高，能测定膜厚低至1nm的薄膜的相变温度； 且可直接测量薄膜样品的相变温度，对样品无损伤；通过不同升温速率下 的变温测量还可获得更多的材料热力学参数。操作简单，成本低廉，测试 可靠度较高。具体而言，本发明具有以下特点：

1.测试灵敏度较高，能测定膜厚低至1nm的薄膜的相变温度。对薄膜样 品外形无要求，表面平整，尺寸大于激光光斑即可。

2.非损伤性测量，可直接对薄膜样品进行测量，无需刮粉。若采用密 封性好的真空腔，可在真空或氮气等保护气体氛围下测试，有效避免了因 样品氧化引起的测量误差。

3.若采用高品质石英样品架及高品质石英真空炉腔，该系统能测量从 室温至1200℃所有薄膜材料的相变温度，并可测量不同升温速率下的相变 温度，若使用高精度红外加热炉，其最高升温速率可达3000℃/分钟，远高 于现有测试手段。并由此获得更多的材料热力学参数，如晶格活化能等。

4.操作简单，结果直观可靠。且价格低廉，约为传统测试仪器的1/20。

附图说明

图1是本发明测试系统的结构图。

图2是本发明测试系统改进后的结构图。

图3是本测试系统数据采集程序的流程图。

图4是本测试系统的一种具体实施方式的光路图。

图5是光路中加滤光片前后背景噪声的比较示意图。

图6是一种GeTe样品经本测试系统采集的反射光功率-温度曲线图。

图7是一种GeTe样品由差热分析仪(DSC)扫描得到的曲线。