[發明專利]一種薄膜拉伸應變的測試裝置及運行方法

在審

• 申請號: 201910001813.5
• 申請日: 2019-01-02
• 公開（公告）號: CN109443932A
• 公開（公告）日: 2019-03-08
• 發明（設計）人: 張曉民;馮杰;李金剛;任金彬
• 申請（專利權）人: 西安建筑科技大學
• 主分類號: G01N3/08
• 分類號: G01N3/08
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 王晶

1.一種薄膜拉伸應變的測試裝置，其特征在于，包括水平基座(2)，水平基座(2)上方放置有測試樣品(1)，測試樣品(1)上方設置有顯微鏡(7)，所述的水平基座(2)上設置有用于進行軸線位移的左軸向線性位移臺(5)和右軸向線性位移臺(6)，所述的的左軸向線性位移臺(5)和右軸向線性位移臺(6)頂部設置有左圓柱(14)和右圓柱(15)，左圓柱(14)和右圓柱(15)與設在測試樣品(1)的左圓孔(10)和右圓孔(11)對應設置，所述的測試樣品(1)由緊湊拉伸測試樣品晶圓基底(8)和基底表面微橋薄膜樣品(9)組成。

2.根據權利要求1所述的一種薄膜拉伸應變的測試裝置，其特征在于，所述的左軸向線性位移臺(5)和右軸向線性位移臺(6)分別通過左高分辨率線性促動器(3)和右高分辨率線性促動器(4)進行調節。

3.根據權利要求1所述的一種薄膜拉伸應變的測試裝置，其特征在于，所述的緊湊拉伸測試樣品晶圓基底(8)為16x32mm的矩形單晶硅樣品，包括左圓孔(10)和右圓孔(11)，所述的緊湊拉伸測試樣品晶圓基底(8)中間為基底裂紋(12)，基底裂紋(12)上部連接有圓孔(13)，下部設置有左圓孔(10)和右圓孔(11)。

4.根據權利要求1所述的一種薄膜拉伸應變的測試裝置，其特征在于，所述的左圓孔(10)和右圓孔(11)為的通孔，圓孔(13)為的通孔。

5.根據權利要求1所述的一種薄膜拉伸應變的測試裝置，其特征在于，所述的微橋薄膜樣品(9)由一系列寬w＝60微米、長度L＝400微米的條形薄膜組成，薄膜與緊湊拉伸測試樣品晶圓基底(8)脫離，但兩端仍然與附著在緊湊拉伸測試樣品晶圓基底(8)表面的薄膜相連。

6.根據權利要求1所述的一種薄膜拉伸應變的測試裝置，其特征在于，所述的左高分辨率線性促動器(3)，可采用程序控制位移量，位移精度50納米，用來驅動左性移動臺(5)；

所述的右高分辨率線性促動器(4)，采用手動調節控制位移量，位移精度0.5微米，用來驅動右線性移動臺(6)；

所述的左高分辨率線性促動器(3)是M-230普愛納米位移技術(上海)有限公司產品；右高分辨率線性促動器(4)型號是1D1V。

7.一種薄膜拉伸應變測試裝置的運行方法，其特征在于，包括測試樣品(1)的制備、及拉伸應變測試兩部分：

測試樣品(1)的制備包括緊湊拉伸測試樣品晶圓基底(8)和基底表面微橋薄膜樣品(9)的制備兩個環節；

緊湊拉伸測試樣品晶圓基底(8)為單晶硅片，沿晶面切割成緊湊拉伸測試樣品形狀，左圓孔(10)、右圓孔(11)和圓孔(13)采用激光切割方法制備，基底的縱向裂紋(12)采用橋式壓入彎曲法制備；

基底表面微橋薄膜樣品(9)的制備采用MEMS光刻技術，薄膜與基底的剝離采用犧牲層技術，具體流程為：①采用磁控濺射方法首先沉積100納米厚度ZnO薄膜作為犧牲層，②用光刻膠制備掩膜圖形，③沉積待測試薄膜，④用丙酮除去光刻膠后采用稀鹽酸液相刻蝕方法去掉裸露的ZnO以及測試薄膜下部ZnO犧牲層，直至條形薄膜懸空，而與薄膜兩端連接的其余部分仍然附著在基底表面，形成微橋形狀；

拉伸位移的測試，首先將測試樣品(1)放樣品臺(2)上，采用顯微鏡(7)定位，調節移動左高分辨率線性促動器(3)和右高分辨率線性促動器(4)，使左軸向線性位移臺(5)和右軸向線性位移臺(6)上的左圓柱(14)和右圓柱(15)穿過樣品上的左圓孔(10)和右圓孔(11)；然后開始施加位移載荷，基底裂紋(12)逐漸張開，使微橋薄膜在單軸拉伸作用下變形直至斷裂，采用顯微鏡(7)測量基底裂紋(12)尾部的張開位移量，由于裂紋不同位置的張開位移與裂紋尾部的張開位移量存在線性關系，可獲得不同位置微橋薄膜樣品的拉伸位移量d，進而計算出拉伸應變(ε＝d/L)；

測量薄膜斷裂韌性時，需要首先在薄膜上預制出單側垂直裂紋，根據薄膜拉伸斷裂時的臨界應變，可采用公式(σ＝ε·Ε，a為薄膜上裂紋的長度，E為薄膜的彈性模量)計算出薄膜的斷裂韌性。