基于SEM-SPM集成系統(tǒng)的原位薄膜納米壓痕研究.pdf

1、隨著納米科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，微機(jī)電系統(tǒng)(microelectromechanicalsystems，MEMS)已成為高新技術(shù)領(lǐng)域研究工作的熱點(diǎn)。MEMS強(qiáng)大的生命力在于大批量、小體積、低成本和高可靠性，其技術(shù)的應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛，幾乎涉及到自然科學(xué)和工程技術(shù)的所有領(lǐng)域，這使得MEMS具有廣泛的應(yīng)用前景。對(duì)MEMS芯片來(lái)說(shuō)，使用的材料多以單晶硅或在其上形成的微納米級(jí)薄膜為主;在MEMS的設(shè)計(jì)和應(yīng)用中，需要重點(diǎn)了解它的力學(xué)特性;因此，了解這

2、些微納米薄膜的力學(xué)特性成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一。納米壓痕技術(shù)作為研究薄膜材料結(jié)構(gòu)最為理想的力學(xué)性能檢測(cè)手段，已有多年發(fā)展;但是隨著薄膜尺寸的不斷減小達(dá)到微納米級(jí)別，傳統(tǒng)測(cè)試設(shè)備在載荷和位移的測(cè)量精度等方面已不能滿足要求。針對(duì)納米級(jí)別的薄膜材料力學(xué)性能研究的難題，本文利用課題組設(shè)計(jì)開發(fā)的SEM/SPM聯(lián)合測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了微納米級(jí)薄膜力學(xué)性能的原位定量測(cè)量。
　　本文利用直流磁控濺射方法分別在Si基底上制備了1um和100nm的銀薄膜。

3、通過(guò)XRD射線衍射分析，表明銀膜沿(200)擇優(yōu)取向，具有很高的純度;掃描電子顯微鏡、SEM/SPM和TEM形貌表征結(jié)果顯示晶粒呈等軸狀且大小分布不均勻。Nanoindenter G200和SEM/SPM分別對(duì)1um銀膜進(jìn)行壓痕實(shí)驗(yàn)，可以看到壓痕邊緣有明顯的堆積(pile-up)現(xiàn)象，并且隨著壓痕深度的增加，pile-up現(xiàn)象更加明顯。
　　SEM/SPM系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)控制帶有金剛石(Cube corner)壓頭的SPM微懸臂梁對(duì)樣

4、品進(jìn)行壓入實(shí)驗(yàn)，并得到電壓信號(hào)曲線，通過(guò)對(duì)曲線轉(zhuǎn)化得到載荷位移曲線，從而計(jì)算材料的硬度值，選擇熔融石英為參考樣品進(jìn)行壓痕，得到的硬度結(jié)果為10.04GPa，與NanoindenterG200得到的結(jié)果10.1GPa進(jìn)行對(duì)比，誤差僅為0.6％，說(shuō)明了該系統(tǒng)的可靠性。
　　針對(duì)自行設(shè)計(jì)的SEM/SPM系統(tǒng)，發(fā)展了兩種測(cè)試薄膜力學(xué)性能的方法，一種是基于SEM/SPM系統(tǒng)的原位測(cè)試功能，在壓痕完成后可以用SEM記錄下壓痕的形貌，發(fā)展了針對(duì)