一种基于纳米压入技术直接拉伸测量薄膜粘附能的方法与流程

本发明涉及材料测试技术领域，尤其是涉及一种基于纳米压入技术直接拉伸测量薄膜粘附能的方法。

背景技术：

薄膜以其独特的性能(如耐腐蚀，耐高温，耐磨损，抗氧化，高硬度，美观度等)在多领域中崭露头角，涉及微电子半导体产业，航空航天，医学仪器，机械行业，核能等，可谓覆盖面极广，实用性极强。各领域研究人员时常将目光聚焦于薄膜-基底系统的可靠性，注重于薄膜本身性能，但对于薄膜-基底界面粘附力失效问题其实同样不容忽视。因为产品的整体性能、结构、寿命和耐用性很大程度上取决于薄膜-基底的粘附性能，为了获得牢固的界面，需要精确地测量薄膜的粘附性。

纳米压入技术具有操作简单，无损检测，高灵敏度，高精度等优势，提供了一种小规模研究薄膜的方法，是测量材料力学性能参数的重要技术。现阶段，纳米压痕已被广泛应用于表征硬度和弹性模量，测量残余应力，表征薄膜蠕变行为，应力-应变，根据卸载曲线测量薄膜厚度等方面。随着仪器的发展和进一步研究，纳米压痕仪器因其独特的优势应用范围持续扩大，在界面粘附方面，纳米压痕技术涉及的，诸如压痕法、划痕法、结合覆盖受力面等方法较为常见。虽然薄膜粘附力的测量方式至今已达上百种，但是仍没有一种得到普遍认同的方法。大部分测试依赖于分析模型、假设，需要测量裂纹的尺寸，操作繁琐，容易受到各种因素影响，且许多方法重复性差或数据解读困难，无法获得直观的定量数据。此外，传统压痕法与划痕法使用过程中，都需要表征结果中出现临界应力才能用于间接判断粘附性能，然而同时具有优良塑性与粘附性的薄膜(如金属钛、铝等)在压痕与划痕测试中不会发生临界转变，因而无法测量粘附力。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于纳米压入技术直接拉伸测量薄膜粘附能的方法，该方法可直接定量测量薄膜材料与基体的粘附力，且具有试验步骤简单，可重复性高、适用范围更加广泛等有益效果。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于纳米压入技术直接拉伸测量薄膜粘附能的方法，该方法包括如下步骤：

s1：将薄膜放置于倾斜52°的样品台上，利用聚焦离子束技术(focusedionbeam，fib)在薄膜表面感兴趣的部位沉积pt保护层后，沿着pt保护层上下边缘掏空成矩形槽，粗切出薄膜-界面-基底的横截面，薄膜通过磁控溅射沉积在基底上；然后对横截面切换表面清洁模式进行精切操作。

所述精切操作的具体内容为：在原倾斜52°的样品台的基础上依次按照±1.5°的角度范围转动样品台，清洁深度为1um，最终减薄得到厚度约1.5um的样品。

s2：倾斜样品台至7°，对粗切操作和精切操作后的薄膜进行u形切断后，将样品台放置水平，插入取样探针取出，获取焊接在取样探针上并与之平行的薄片样品。

s3：利用聚焦离子束技术对薄片样品刻蚀出工字形拉伸样品。

s4：将此时与取样探针平行的工字形拉伸样品焊接至垂直放置的金属介质上，并将工字形拉伸样品与取样探针切割分离。

s5：将金属介质调整为水平放置，重新进针，使得取样探针与工字形拉伸样品表面呈45°，再次重新提取样品。

s6：将工字形拉伸样品放置于推拉式(pushtopull，ptp)装置上，将其上下翼板分别与ptp装置板块对应设置，腹板悬空，并将其薄膜-基底的界面处于间隙中间，利用聚焦离子束技术围绕样品的上下翼板堆砌pt焊点，将其焊接至ptp装置。

s7：利用纳米压入技术的压头压下ptp装置顶部半圆形端部，单向拉伸样品的同时记录载荷-位移，直至到达临界载荷时发生界面断裂。

s8：修正真实位移和真实应力，计算界面粘附能。

界面粘附能的计算式g为：

σt＝σe(1+εe)

式中，δl为真实位移，ft为施加在样品上的真实力，f为记录载荷，x为总体位移，k1为ptp装置空载时刚度，k2为ptp装置非空载时的刚度；σt为真实应力，σe为工程应力，εe为工程应变，eeff为薄膜-基底的有效弹性模量，满足ef为薄膜的弹性模量，es为基底的弹性模量，l0为腹板原始高度，a0为初始横截面积。

进一步地，用以沉积的pt保护层的长度为8um，宽度为2um，高度为1um。

进一步地，上、下两个矩形槽掏空的方向均是从外侧至pt保护层的边缘，其中两个矩形槽的长度均为12um，两个矩形槽的深度比所测薄膜-基底界面的深度深2um，两个矩形槽的宽度为各自深度的2倍。

进一步地，所述工字形拉伸样品总长度尺寸范围为7～8um，宽度为1.5um，总高度为pt保护层厚度、薄膜厚度和基底厚度之和，要求上下翼板高度相同，腹板长度尺寸范围为0.8～1.5um，腹板原始高度与ptp装置的间隙尺寸相同，保证薄膜-基底的界面在腹板上。

进一步地，所述金属介质包括铜网。

进一步地，所述纳米压入技术的压头为平压头，在位移控制模式下以2nm/s的位移速率运行。

本发明提供的基于纳米压入技术直接拉伸测量薄膜粘附能的方法，相较于现有技术至少包括如下有益效果：

一、本发明利用fib技术微加工出包含界面的“工字形”拉伸试样，巧妙利用ptp装置转推为拉和纳米压入技术精准测量载荷与位移的优势，将复杂的薄膜粘附能的测量方法再次回归到最原始的直接拉伸试验；配合本发明提出的计算公式，能够最直接定量测量薄膜材料与基体的粘附能；测试过程无需预设裂纹，无需测量裂纹尺寸，试验步骤简单，可重复性高。

二、本发明数据分析过程简单，相比于现有方法(如压痕法、划痕法)皆需要借助假设和复杂的力学模型，本发明则是根据弹性能提出了新的薄膜粘附能公式，所取得的结果精度高，能够为材料的粘附能测量提供直接有效、准确的参数评估。

三、本发明适用各种薄膜材料类型，相比于传统压痕法与划痕法使用过程中，都需要表征结果中出现临界应力才能用于间接判断粘附性能，本发明提出的直接拉伸方法，对于任何薄膜材料的粘附性能测试都有效，适用范围更加广泛。

附图说明

图1为本发明基于纳米压入技术直接拉伸测量薄膜粘附能的方法的工作原理示意图；

图2为实施例中钨膜-单晶硅基底的应力位移曲线；

图3为实施例中钨-钛膜-单晶硅基底的应力位移曲线；

图4为实施例中钨膜-单晶硅基底的界面断裂sem图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

实施例

如图1所示，本发明涉及一种基于纳米压入技术直接拉伸测量薄膜粘附能的方法，该方法包括如下步骤内容：

步骤1、将薄膜放置于倾斜52°样品台上，利用聚焦离子束技术(focusedionbeam，fib)在薄膜表面感兴趣的部位沉积pt保护层后，沿着pt保护层上下边缘掏空成矩形槽，粗切出“薄膜-界面-基底”的横截面，再对横截面切换表面清洁模式进行精切。

精切即是在原先倾斜52°样品台的基础上依次调整±1.5°转动样品台，清洁深度为1um，最终减薄得到厚度约1.5um的样品。

步骤2、倾斜样品台至7°，对步骤1处理后的薄膜样本进行“u”形切断，再将样品台放置水平，通过取样探针取出，得到粘附在取样探针上并与之平行的薄片样品。

步骤3、利用fib技术对步骤2得到的薄片样品刻蚀出“工字形”拉伸样品。

步骤4、将此时与取样探针平行的“工字形”拉伸样品焊接至垂直放置的金属介质上，并将样品与取样探针切割分离。

步骤5、为了后续方便放置样品，将金属介质调整为水平放置，重新进针，此时取样探针与“工字形”拉伸样品表面呈45°角，再重新提取样品。

步骤6、将“工字形”拉伸样品放置于推拉式(pushtopull，ptp)装置上，将“工字形”拉伸样品的上下翼板分别与ptp装置板块对应设置，腹板悬空，将薄膜-基底的界面放置于间隙中间，利用聚焦离子束技术围绕样品的上下翼板堆砌pt焊点，将其焊接至ptp装置。

步骤7、利用纳米压入技术的压头压下ptp装置顶部半圆形端部，单向拉伸样品的同时记录载荷-位移，直至到达临界载荷时发生界面断裂。

步骤8、根据以下公式计算界面粘附能g：

σt＝σe(1+εe)(2)

其中，δl为真实位移，施加在样品上的真实力f是记录载荷，x是总体位移，k1是ptp装置空载时刚度，k2是ptp装置的刚度，σt为真实应力，工程应力工程应变薄膜-基底的有效弹性模量ef是薄膜的弹性模量，es是基底的弹性模量，l0为腹板原始高度，a0是初始横截面积。

在步骤1中，薄膜通过磁控溅射沉积在基底上。

作为优选方案，沉积的pt保护层长度为8um，宽度为2um，高度为1um。所述上下两个矩形槽掏空的方向均是从外侧至pt保护层的边缘，其中两个矩形槽的长度均为12um，深度比所测薄膜-基底界面的深度深2um，宽度是深度的2倍；所述精切在原先倾斜52°样品台的基础上依次±1.5°转动样品台，清洁深度为1um，最终减薄得到厚度约1.5um的样品。“工字形”拉伸样品总长度尺寸范围为7～8um，宽度为1.5um，总高度为pt保护层厚度、薄膜厚度和基底厚度之和，要求上下翼板高度相同，腹板长度尺寸范围为0.8～1.5um，腹板原始高度与ptp装置的间隙尺寸相同，保证薄膜-基底的界面在腹板上。所述金属介质包括铜网。所述纳米压入技术的压头为平压头，在位移控制模式下以2nm/s的位移速率运行。

上述pt保护层的长度选择为经验数据，为方便观察以及离子减薄。过小则观察面积小，过大则离子减薄需要更长时间，易出错。上述矩形槽长度选择为12um是因pt保护层长度为8um，留两边2um左右方便u型切断；上述宽度的选择是后续样品台从52°调整到7°时，方便观察到底部，精准规划出薄片底部的u型切割范围，以及能让聚焦离子束不碰到外围薄膜。52°的设置是为了配合聚焦离子束自身安装时的倾斜角度，是垂直的掏空，此时截面不光滑和底部有残留且不光滑，(由图1中的子图(1)的侧视图可以看出)；辅助倾斜设置为±1.5°，清洁深度设置为1um可以将薄片的底部减薄。

上述“工字形”拉伸样品的整体高度理论上为“不限制”，总高度为pt保护层厚度、薄膜厚度和基底厚度之和，要求上下翼板高度相同，扩大了测试薄膜的厚度范围。原则上只需要薄膜-基底的界面在腹板上即可(即在ptp装置间隙中)。腹板长度与宽度的尺寸都在～1.5um，小面积的断裂更容易发生在界面，减少其他类型断裂产生的可能性。

以下通过实例进一步说明本发明，但实施例仅用于说明，并不能限制本发明的范围。

首先，本实施例按照上述基于纳米压入技术直接拉伸测量薄膜粘附能的方法，直接拉伸测量钨膜-单晶硅基底的粘附能，具体测量过程为：

在溅射前，单晶硅基片放置于无水乙醇中，超声波清洗5分钟，再通过直流磁控溅射沉积钨膜到单晶硅基底上，靶材是99.9％的纯钨。溅射时真空抽至1.0^10^-5torr，通入纯ar气，溅射功率为200w，高低压交替溅射(15mtorr，10min与2mtorr，10min)，得到2.5um钨膜。

利用聚焦离子束依次粗切(上方矩形槽尺寸为12um×7um×4um，下方矩形槽尺寸为12um×8um×4.5um)、精切、刻蚀出“工字形”(“工字形”样品整体尺寸为7um×1.5um×6um，上下翼板高度相同，腹板尺寸为0.8um×2.5um×1.5um)、翻转铜网、焊接至ptp装置，制备出微米级拉伸试样；将试样放置于纳米压痕仪器中，采用平压头，压头在位移控制模式下以2nm/s的位移速率运行，压下ptp装置顶部半圆形端部，热膨胀约为0.4nm/s，ptp装置空载时刚度k1＝0.3846un/nm，ptp装置的刚度k2＝104.6un/nm，根据公式(1)、(2)修正真实位移δl和真实应力σt，绘制应力位移曲线如图2所示，钨膜-单晶硅基底的界面断裂图如图4所示，证实所测数据确实为钨膜与单晶硅基底的界面值。

根据公式(3)得到粘附能g1＝18.54j/m²。

然后，本实施例按照上述基于纳米压入技术直接拉伸测量薄膜粘附能的方法，直接拉伸测量钨-钛-单晶硅基底的粘附能，具体测量过程为：

在溅射前，单晶硅基片放置于无水乙醇中，超声波清洗5分钟，通过射频磁控溅射沉积纯钛到单晶硅基底上，靶材是99.9％的纯钛。溅射时真空抽至1.0^10-5torr，通入纯ar气，溅射功率为150w，溅射时间150s，得到一层纯钛-单晶硅基底。再通过直流磁控溅射沉积钨膜到单晶硅基底上，靶材是99.9％的纯钨。溅射功率为200w，高低压交替溅射(15mtorr，10min与2mtorr，10min)，得到总厚度为2.6um的钨-钛膜。

利用聚焦离子束依次粗切(上方矩形槽尺寸为12um×7um×4um，下方矩形槽尺寸为12um×8um×4.5um)、精切、刻蚀出“工字形”(“工字形”样品整体尺寸为7um×1.5um×6.5um，上下翼板高度相同，腹板尺寸为1.1um×2.5um×1.5um)、翻转铜网、焊接至ptp装置，制备出微米级拉伸试样；将试样放置于纳米压痕仪器中，采用平压头，压头在位移控制模式下以2nm/s的位移速率运行，压下ptp装置顶部半圆形端部，热膨胀约为0.4nm/s，ptp装置空载时刚度k1＝0.3846un/nm，ptp装置的刚度k2＝104.6un/nm，根据公式(1)、(2)修正真实位移δl和真实应力σt，绘制应力位移曲线如图3所示。

根据公式(3)得到粘附能g2＝22.59j/m²，由g1＜g2，可知钛过渡层增加了钨膜与硅基底的界面粘附力。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。