纳米硬度计在MEMS力学检测中的应用

纳米硬度计是一种能提供 10 3～ 10 2 μm尺度材料或结构微力学性能检测的先进仪器。采用纳米压痕技术 ,研究薄膜材料的弹性模量和硬度随压痕深度的变化规律以及薄膜厚度测量、微桥弯曲变形测量的方法。采用纳米划痕技术 ,研究薄膜的表面粗糙度、临界附着力和摩擦系数测量的方法。该仪器能广泛应用于MEMS的力学检测 ,并有望成为这一领域内的标准力学检测设备     

纳米硬度计在MEMS力学检测中的应用

纳米硬度计是一种能提供10^3～10^-2μm尺度材料或结构微力学性能检测的先进仪器。采用纳米压痕技术，研究薄膜材料的弹性模量和硬度随压痕深度的变化规律以及薄膜厚度测量、微桥弯曲变形测量的方法。采用纳米划痕技术，研究薄膜的表面粗糙度、临界附着力和摩擦系数测量的方法。该仪器能广泛应用于MEMS的力学检测，并有望成为这一领域内的标准力学检测设备。     

纳米压痕和划痕法测定氧化硅薄膜材料的力学特性

为了研究不同制备工艺对材料力学性能的影响,选择了热氧化、LPCVD和PECVD三种典型工艺,在硅片上制备1μm氧化硅薄膜.通过纳米压痕和划痕检测可知,热氧化工艺制备的SiO2薄膜的硬度和模量最大,LPCVD制备的样品界面结合强度高于PECVD.纳米压痕和划痕技术为此提供了丰富的近表面弹塑性变形和断裂等的信息,是评价微米薄膜力学性能的有效手段.     

基于原子力显微镜的压痕模式和双模纳米力学模式在模量表征中的影响因素

原子力显微镜是表征材料微观力学性质的重要手段,本文基于原子力显微镜的压痕法和双模纳米力学法,探究薄膜/基底材料与多层二维材料杨氏模量测定过程中的影响因素,分析了基底硬度、二维材料厚度以及环境湿度对两种纳米力学表征结果的影响,为研究适用于纳米材料微观力学的测定提供参考.     

薄膜材料杨氏模量测量方法的研究进展

基于国内外薄膜材料杨氏模量测试的最新研究进展,系统地综述了近年来薄膜材料杨氏模量的测量方法,包括共振法、纳米压痕法、动态膨胀法以及视觉图像跟踪系统与微拉伸复合法等,并对这些测试方法的基本原理、研究现状及存在的问题做了简要介绍。在这些方法中纳米压痕法和共振法是相对准确而且普及的测量方法。当薄膜厚度减小到纳米量级时,纳米压痕法将达到测试的极限。共振法对于器件的加工工艺有一定的依赖,但辅以其他相关纠正技术将来有望成为测试纳米级薄膜杨氏模量的标准方法。     

应用纳米压痕法测试类金刚石薄膜力学性能的研究

介绍一种被称为材料机械性质微探针的新型纳米压痕仪，藉助于加荷-卸荷过程中压痕对负荷和压入深度，即压头位移的敏感关系，测试材料的硬度及弹性模量等力学性质。纳米和纳牛顿量级的压头位移与作用力，使得测试始终在大多数材料，特别是薄膜材料的弹性限度内，克服了维氏法、努氏法等传统方法引起压痕边缘模糊或者碎裂的缺点，保证了测试的正确性、可靠性和重复性。应用纳米压痕法成功地对具有脆性的类金刚石薄膜的硬度及弹性模量进行了测试和分析。     

纳米压痕和划痕法测定氧化硅薄膜材料的力学特性

为了研究不同制备工艺对材料力学性能的影响 ,选择了热氧化、LPCVD和PECVD三种典型工艺 ,在硅片上制备 1μm氧化硅薄膜。通过纳米压痕和划痕检测可知 ,热氧化工艺制备的SiO2薄膜的硬度和模量最大 ,LPCVD制备的样品界面结合强度高于PECVD。纳米压痕和划痕技术为此提供了丰富的近表面弹塑性变形和断裂等的信息 ,是评价微米薄膜力学性能的有效手段     

纳米压痕和划痕法测定氧化硅薄膜材料的力学特性

为了研究不同制备工艺对材料力学性能的影响，选择了热氧化、LPCVD和PECVD三种典型工艺，在硅片上制备1μm氧化硅薄膜。通过纳米压痕和划痕检测可知，热氧化工艺制备的SiO2薄膜的硬度和模量最大，LPCVD制备的样品界面结合强度高于PECVD。纳米压痕和划痕技术为此提供了丰富的近表面弹塑性变形和断裂等的信息，是评价微米薄膜力学性能的有效手段。     

高Al组分AlxGa1-xN薄膜的弹性-塑性力学性质

采用纳米压痕方法,研究了AlN/sphire模板上的高Al组分AlxGa1-xN薄膜的力学性质,特别是弹性-塑性转变行为.研究表明,AlxGa1-xN薄膜的杨氏模量E随着Al组分的增加而增大,薄膜中产生塑性形变所必要的剪切应力也随着Al组分的增加而增大.在AlxGa1-xN薄膜纳米压痕实验中,观察到位移不连续的跳断("pop-in")行为,并且发现"pop-in"行为强烈依赖于Al组分,Al组分的增加导致这种行为的减少.我们认为随着Al组分的增加,AlxGa1-xN中键能的增强和由于AlxGa1-xN与AlN/sapphire模板之间晶格失配减少这两个因素增加了AlxGa1-xN中新位错形成的阻力,从而导致了AlxGa1-xN薄膜中的"pop-in"行为随Al组分增加而减少.     

高Al组分AlxGa1-xN薄膜的弹性-塑性力学性质

采用纳米压痕方法,研究了AlN/sphire模板上的高Al组分AlxGa1-xN薄膜的力学性质,特别是弹性-塑性转变行为.研究表明,AlxGa1-xN薄膜的杨氏模量E随着Al组分的增加而增大,薄膜中产生塑性形变所必要的剪切应力也随着Al组分的增加而增大.在AlxGa1-xN薄膜纳米压痕实验中,观察到位移不连续的跳断("pop-in")行为,并且发现"pop-in"行为强烈依赖于Al组分,Al组分的增加导致这种行为的减少.我们认为随着Al组分的增加,AlxGa1-xN中键能的增强和由于AlxGa1-xN与AlN/sapphire模板之间晶格失配减少这两个因素增加了AlxGa1-xN中新位错形成的阻力,从而导致了AlxGa1-xN薄膜中的"pop-in"行为随Al组分增加而减少.     

IC键合铜线材料的显微力学性能研究

用于IC(集成电路)的键合铜线材料具有低成本、优良的导电和导热性等优点,但其高硬度容易对铝垫和芯片造成损伤,因此对其硬度的测量是一项关键技术。纳米压痕测量技术可以方便、准确地测量铜线材料的显微硬度值和其他力学性能参数。描述了纳米压痕测量技术的原理以及对铜线材料样品进行纳米压痕测量的参数选择,进行了测量试验。结果表明,原始铜线、FAB(金属熔球)、焊点的平均硬度分别为1.46,1.51和1.65GPa,为键合铜线材料的选择和键合工艺参数的优化提供了依据。     

W/Al双层膜系的纳米压痕实验及有限元仿真

采用磁控溅射法在CAT.No.7101玻璃基底上沉积了W/Al双层金属膜,并对其进行纳米压痕实验。利用非线性有限元法对压痕过程进行仿真,分析了膜基体系的应力分布。结果表明:磁控溅射法制备的薄膜组织均匀、力学性能好。W/Al双层金属膜系中的W薄膜的弹性模量与硬度平均值分别为75.4335GPa、6.206GPa,其值与块状W材料的相应参数差别较大。仿真曲线与实验结果基本相符,能够反映出膜基体系的力学状态以及应力分布规律。     

银纳米晶体薄膜在纳米压痕下的微结构转变

利用直流磁控溅射在SiO2/Si双层基底上制备厚度为60 nm的银纳米晶体薄膜,使用纳米压痕仪对其进行压痕,使用原子力显微镜对压痕区域进行形貌表征,将压痕后的银薄膜转移到透射电子显微镜中观察研究微结构变化.结果表明,压痕区域呈正三角形,边缘有堆起现象;压痕前沉积态薄膜的晶粒较小呈等轴状,压痕后晶粒较大一般呈条带状,长度...     

SnAgCu体钎料及BGA焊球焊点纳米级力学性能

为了研究低银Sn-0.3Ag-0.7Cu无铅体钎料、BGA焊料小球和BGA焊点的力学行为,基于物理反分析的方法采用纳米压痕仪对其进行实验。从压痕载荷–深度曲线提取出弹性模量、硬度和蠕变速率敏感指数。结果表明:体钎料的杨氏模量和蠕变速率敏感指数大约是BGA焊料小球和BGA焊点的2.5倍,验证了尺寸效应理论。采用纳米压痕仪测出的体钎料维氏硬度(15.101HV)小于显微硬度计的测量结果(20.660HV)。     

低维纳米材料的力学性能测试技术研究进展

低维纳米材料作为纳机电系统(NEMS)中重要的结构层材料,其力学性能与变形失效机理的研究直接影响NEMS的功能实现、可靠性分析与寿命预测。首先,介绍了现有低维纳米材料力学性能测试技术,如纳米压痕法、基于原子力显微镜(AFM)的纳米力学测试法、基于电子显微镜(EM)的原位纳米力学测试法与基于微机电系统(MEMS)技术的片上纳米力学测试法,并讨论了各种测试方法的优缺点与存在的挑战性。然后,详细介绍了低维纳米材料力学测试,特别是片上纳米力学测试中的关键技术,如低维微纳米试样的拾取、操纵与固定技术、片上微驱动技术、片上微位移与微力检测技术。最后,得出基于MEMS技术的片上力学测试方法有望成为低维纳米材料力学测试的发展方向,并指出此方法中存在的问题。     

电气和电子工程用材料科学

TB43 2005020006 墓体负的低偏压对氮化非晶态碳膜结构及性能的影响/姚志强,杨萍, 孙鸿,王进,黄楠(西南交通大学)11真空科学与技术学报.一2 004, 24(l)一43一46 为了研究基体负的低偏压Vb对氟化非晶态碳膜的结构、纳米硬度和疏 水性能的影响,采用等离子体浸没与离子注入装置,CF4和CH4作为 气源,在不同的基体偏压下制备了一系列氟化非晶态碳膜.使用XPS、 AT R-FTIR和 Raman谱对其成份和结构进行了表征.薄膜硬度通 过纳米压痕仪进行测量,采用躺滴法测量薄膜与双蒸水之间的接触角来 评价其疏水性能.XPS和FTIR结果表明薄膜中存在C一C…     

热处理对红外窗口镀层金属的影响

采用直流磁控溅射法制备红外透过窗口Ge窗的镀层金属。分别讨论了热处理温度和热处理时间对Ge窗金属化体系力学特性的影响。用纳米压痕仪测试仪测试Ge窗金属化体系的显微力学特性,并用金相显微镜观测金属薄膜的表面形貌,发现退火温度对Ge窗片上的金属薄膜的力学特性有较明显影响。     

微桥结构镍膜的弹性模量和残余应力研究

采用MEMS(MicroelectromechanicalSystems)技术研制了宽度在微米尺度的镍(Ni)膜微桥结构试样。采用纳米压痕仪(Nanoindenter)XP系统的楔形压头测量了微桥载荷与位移的关系,并结合微桥力学理论模型得到了Ni膜的弹性模量及残余应力,分别为190GPa和87MPa。与采用纳米压痕仪直接测得的带有硅(Si)基底的Ni膜弹性模量(186.8±7.5)GPa相符合。     

Cu-Ni多层膜纳米压痕下微观变形结构的研究

金属多层膜具有化学、电子、磁学和力学等方面的许多优异性能，目前被广泛用于光学器件、磁记忆介质和作为互连体材料，尤其近年在微电子机械系统领域的应用引起了广泛注意。而纳米压痕技术是近几年发展起来的一项新的力学测试技术，测试精度高，通过测量压头在压入过程中的载荷-位移曲线，可获得材料的硬度和弹性模量等本征力学参量。该技术测试区域小，避免了样品的宏观缺陷对测试结果的影响，     

（英）离子束溅射法制备碳化锗薄膜的红外光学特性和力学特性

采用离子束溅射法通过在CH4和Ar 的混合气体中溅射Ge靶材制备碳化锗(Ge1-xCx)薄膜.分别通过原子力显微镜、拉曼光谱和X射线光电子能谱、傅里叶变换红外光谱以及纳米压痕测试研究了薄膜的表面形貌、化学结构、光学特性和力学特性.同时分析了制备薄膜时的离子源束压和薄膜性质之间的关系.结果表明,薄膜的粗糙度随束压的增大而减小.在较高束压下制备的薄膜含有较少的C元素和较多的Ge-C键.薄膜具有非常好的红外光学特性和力学特性.薄膜在较大波长范围内具有良好的透光性能.C元素含量随着束压的升高而降低,进而导致薄膜的折射率在束压从300 V增大到800 V的过程中逐渐升高.薄膜的硬度大于8 GPa.由于薄膜中的Ge-C键代替了C-C 键和C-Hn键,薄膜的硬度随束压的增加逐渐增加.