[發(fā)明專利]一種薄膜硬度測試方法及系統(tǒng)

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200910157428.6
• 申請日: 2009-07-29
• 公開（公告）號: CN101598651A
• 公開（公告）日: 2009-12-09
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 周亮;劉亞龍;郭永澤;聶文杰
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: G01N3/42
• 分類號: G01N3/42
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及薄膜硬度測試方法及系統(tǒng)。

技術(shù)背景

薄膜制造技術(shù)是微電子器件和微電光器件的基礎(chǔ)，薄膜廣泛應(yīng)用于各類MEMS器件中，MEMS器件要求薄膜不僅具有很好的電磁光性質(zhì)，還要求器件中薄膜結(jié)構(gòu)能夠承受機(jī)械載荷、傳遞力與運動。對薄膜制造工藝、微觀組織與力學(xué)性能之間關(guān)系的深入理解、建立起可靠的薄膜力學(xué)性能檢測與評價體系，是預(yù)測、改善和充分發(fā)揮薄膜材料的各種性能、優(yōu)化MEMS器件設(shè)計、提高M(jìn)EMS器件壽命和可靠性、突破制約產(chǎn)品全生命周期的設(shè)計加工等方面的共性關(guān)鍵支撐技術(shù)。隨著表面工程技術(shù)、納米加工技術(shù)的發(fā)展，對薄膜材料的力學(xué)性能及其表征評價技術(shù)提出更新、更迫切的要求。在薄膜力學(xué)性能中，硬度是許多力學(xué)性能的綜合指標(biāo)，同時也是材料內(nèi)部結(jié)合力的度量，它與抗拉強(qiáng)度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度、粘附特性等許多性能密切相關(guān)，是評價薄膜力學(xué)性能的一種簡單、高效的手段。

由于薄膜具有尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)等、還有復(fù)雜的界面情況，傳統(tǒng)的硬度檢測和評價方法已不再適用，而新近發(fā)展起來的納米壓痕技術(shù)檢測薄膜硬度，由于其計算方法存在局限性，且受到眾多因素的影響，結(jié)果的分散性也較大，還沒有一個公認(rèn)的薄膜硬度評價標(biāo)準(zhǔn)，迫切需要先進(jìn)的檢測手段、精確的計算模型、正確的評價方法來對薄膜硬度進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究。

目前對薄膜硬度的檢測，要求壓頭壓入薄膜膜厚的10％以內(nèi)，避免基體對測試結(jié)果的影響，但由于測試系統(tǒng)的精度有限，而薄膜在很薄時，難免基體會對測試結(jié)果有影響，從而無法正確評價薄膜硬度。當(dāng)壓頭壓透薄膜并壓入基體時，如何從總的薄膜和基體變形中得到純薄膜的硬度受到了國內(nèi)外學(xué)者的重視。一些學(xué)者提出了一些修正公式，由基體硬度和測得的綜合硬度來推導(dǎo)出薄膜的硬度，但這些計算薄膜硬度的方法都沒有考慮或部分考慮了壓痕的凸起與凹陷、彈性恢復(fù)、壓頭圓弧半徑等因素的影響，或用一些擬合參數(shù)來表達(dá)，使測試結(jié)果很分散，無法正確評價薄膜的真實硬度。

基于此，本發(fā)明采用壓頭壓入膜基結(jié)合體，得到其總的塑性功和塑性變形體積，在減去基體的塑性功和塑性變形體積，從而得到純引起薄膜塑性變形的塑性功和純薄膜塑性變形體積，并用它們的比值表示薄膜硬度，此方法可以在壓穿薄膜并壓入基體的情況下，成功地從復(fù)合響應(yīng)中提取引起薄膜塑性變形的塑性功和塑性變形體積，從而得到薄膜的真實硬度。

綜上所述，用此方法可得到薄膜的真實硬度，對相關(guān)技術(shù)的發(fā)展具有非常重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種能準(zhǔn)確評價薄膜硬度的計算和測量方法以及實現(xiàn)該方法的系統(tǒng)。

本發(fā)明提出一種材料硬度測試方法，包括以下步驟：

預(yù)處理基體表面并固定；

將壓頭壓入基體表面；

記錄和得到壓痕過程的載荷-壓深曲線，由此曲線得到引起基體塑性變形的塑性功；

掃描得到基體壓痕前后的表面形貌，得到由壓頭對基體所做塑性功引起的材料塑性變形體積；

繪制不同壓深下的基體的塑性功與塑性變形體積曲線；

預(yù)處理膜基結(jié)合體表面并固定；

將壓頭壓入膜基結(jié)合體表面；

記錄和得到壓痕過程的載荷-壓深曲線，由此曲線得到引起膜基結(jié)合體塑性變形的總塑性功；

掃描得到膜基結(jié)合體壓痕前后的表面形貌，得到由壓頭對膜基結(jié)合體所做總塑性功引起的膜基結(jié)合體總塑性變形體積；

根據(jù)已知薄膜厚度和壓入膜基結(jié)合體深度，可得到壓入基體深度；

用總塑性功減去壓入此深度時引起基體塑性變形的塑性功，可得到純引起薄膜塑性變形的塑性功；用總塑性變形體積減去基體的塑性變形體積，可得到純薄膜的塑性變形體積；

用純引起薄膜塑性變形的塑性功與純薄膜塑性變形體積的比值作為薄膜的真實硬度。

用塑性功和塑性變形體積的比值作為材料的硬度。

本發(fā)明還提出一種完成上述方法的薄膜硬度測試系統(tǒng)，包括一個壓頭、一個Z向運動工作臺、一個XY向運動工作臺、一個力傳感器、三個位移傳感器和一個檢測監(jiān)控裝置，其特征在于，所述壓頭實現(xiàn)對試件壓痕制備和表面形貌掃描頭，所述Z向運動工作臺帶動壓頭壓入試件并離開試件，所述XY向運動工作臺帶動試件在XY向運動，以配合壓頭和Z向運動工作臺實現(xiàn)對試件表面的掃描，所述力傳感器記錄壓痕過程中載荷和掃描形貌過程中壓頭與試件之間的作用力，所述三個位移傳感器分別記錄Z向和XY向工作臺運動位移，所述檢測監(jiān)控裝置控制工作臺的運動并且采集傳感器數(shù)據(jù)。

采用本發(fā)明的技術(shù)方案，利用純薄膜塑性功與塑性變形體積比值作為薄膜硬度，解決了難以從膜基結(jié)合體復(fù)合響應(yīng)中消除基體的影響，并成功提取和評價薄膜的真實硬度的難題。

附圖說明