薄膜的纳米压痕测试：连续刚度测量（CSM）的优势

薄膜是应用最广泛的纳米材料类别之一，广泛用于半导体、光学、柔性电子以及建筑玻璃的功能化表面——制造商可能需要在数平方公里的面积上定期沉积厚度仅为几纳米的薄膜！为确保大面积范围内的质量，测试需快速且准确。采用连续刚度测量（CSM）的纳米压痕测试为研究薄膜的力学性能提供了一种快速、局部化的方法。本应用笔记成功展示了对两种不同厚度（100nm和550nm）薄膜的纳米压痕测量。

引言

薄膜和涂层的压痕测试是纳米压痕技术发展的最初动机之一[1]。准确评估亚微米级薄膜的性能对于从机床到半导体等众多行业至关重要。然而，在如此小的长度尺度上测量材料的力学性能，需要传感器和测量电子设备方面的重大进步。用于宏观测试的伺服液压执行器和线性可变差动变压器（LVDT）传感器缺乏表征薄膜所需的精度。早期的纳米压痕系统采用类似扬声器的音圈执行器进行载荷驱动，并使用电容式位移传感器。目前的系统则采用高精度MEMS（微机电系统）载荷传感器和压电扫描仪，以高性能动力学特性执行位移控制的压痕测试。

然而，薄膜纳米压痕测试的主要挑战并非仅仅是在小尺度下进行压痕操作，而是对测试结果数据的分析。纳米压痕测试会测量压痕下方材料的弹性和塑性性能，但在薄膜纳米压痕测试中，涉及的材料并非一种，而是两种：薄膜和基底。因此，压痕下方的弹性应变场和塑性应变场通常会同时作用于两种材料，导致混合响应。对于塑性应变场，塑性区的尺寸通常与压痕宽度处于同一量级，这意味着为使测量硬度不受基底性能影响，压痕深度需约为涂层厚度的1/10。弹性应变场比塑性区大得多，因此压痕深度需要更小。对于厚度小于几十纳米的薄膜，这一标准很快要求压痕深度达到单纳米量级。

那么，我们如何应对这一挑战？本应用笔记将展示采用连续刚度测量（CSM）纳米压痕技术[2]表征薄膜和涂层的优势。采用简单压痕法和CSM压痕法对两种不同厚度的铝薄膜进行了测量，并结合薄膜纳米压痕测试的ISO标准[3]对结果进行了对比和讨论。

实验注意事项

要实现该应用，系统需满足两个重要因素：系统分辨率和CSM功能。如前一节所述，高分辨率传感对于薄膜测量至关重要。此外，动态测量硬度和弹性模量随压入深度变化的能力也具有诸多优势。本节将讨论这些因素以及本应用笔记中遵循的实验流程。

连续刚度测量（CSM）

压痕测试通常采用三种方式之一：简单压痕（SI）、加载/卸载压痕（LU）和连续刚度测量（CSM）。第一种方式中，载荷/位移以一个连续周期施加；第二种方式中，载荷/位移分多个阶段递增施加，阶段之间进行一定程度的卸载；最后一种方式中，在主加载/卸载周期上叠加动态正弦波来施加载荷或位移。这通常通过锁相放大器实现，以维持约2nm的CSM位移振幅。

可以将CSM压痕视为多加载/卸载周期的优化形式，即在仪器动力学允许的范围内实现最大周期数，也就是在避免系统共振的前提下，以仪器最快速度进行加载/卸载。

这为用户带来了多项优势：更多的深度相关数据、更高的定位特异性以及更快的测试速度。图1对此进行了说明，其中展示了载荷-位移曲线以及由此得到的硬度和折减模量随接触深度的变化关系。

图1. (a) 熔融石英上的伯努利压痕载荷-位移曲线；(b) 简单压痕法和CSM压痕法得到的硬度及折减模量随接触深度的变化关系。

这一结果展示了单次CSM压痕（每次压痕可获得数千个数据点）与80次简单压痕（20个数据点及标准差）的结果差异。尽管如此，两种不同方法得到的数值仍具有良好的一致性。

此外，这些测量之间的时间差异非常显著：单次CSM压痕仅需约90秒，却能获得比两小时内完成的80次简单压痕更多的数据。尽管统计显著性的差异值得深入探讨，但测量速度的提升仍超过一个数量级。

由于单次压痕即可有效获取同等数量的信息，这在材料的横向分辨率或检测面积方面也具有显著优势。可从单个位置提取相似数据，从而消除材料的位置变化对深度相关测量结果的影响，同时也能更快速地研究大面积范围内的性能变化。

实验流程

采用商用磁控溅射系统（PVD Products Inc.）在（100）取向硅片上直接沉积铝薄膜。溅射过程采用直流模式，氩气压力为3 mTorr，流量为50 sccm。铝靶材（纯度99.99%，购自MSE ）的溅射功率保持在250 W。沉积过程中的本底压力低于1×10⁻⁶ Torr，基底温度控制在30℃以下。基底以30 rpm的速度旋转，以确保沉积层厚度均匀。通过调整沉积时间来控制铝薄膜的厚度。

纳米压痕测试采用FT-I04（ Femto-Indenter I04），配备FT-S20,000传感器和金刚石伯科维奇压头。简单压痕测试采用相同加载时间，最大载荷按对数规律变化（20–20000 µN），以产生不同深度的压痕。加载时间为50秒，卸载时保持20秒。对于图1中熔融石英的简单压痕测试，在20个不同的载荷目标下各进行4次压痕；对于铝薄膜，则在10个不同的载荷目标下各进行4次压痕。

CSM压痕测试采用位移控制模式，压入速率为10 nm/s，振荡振幅为2 nm。每种涂层至少进行6次压痕测试，单次压痕耗时90秒。

电子显微照片采用蔡司EVO 25扫描电子显微镜（SEM）拍摄，加速电压为10 KV，配备Everhard-Thornley二次电子（SE）探测器和高清背散射电子（BSE）探测器。

结果与讨论

本应用笔记研究了两种不同的薄膜，分别采用简单压痕法和动态CSM压痕法对每种薄膜进行了不同深度的压痕测试。测试结果如图2所示。

与图1中的熔融石英类似，简单压痕法和CSM压痕法得到的数值具有良好的一致性。在较低接触深度下，硬度值呈现轻微上升趋势或平台期，随后在较高深度下随深度快速增加。数据的初始阶段主要由涂层的本征性能主导，而较高深度下的数值则更多地反映了基底的性能。

折减模量呈现出相关但不同的变化趋势。在较高深度下，折减模量趋于稳定，接近基底硅的折减模量（160 GPa – [4]）；而在较低深度下，折减模量随深度减小而快速下降，趋近于铝的折减模量（75 GPa– [5]）。这表明压头下方的弹性变形场范围更大，因此基底对模量测量结果的影响更为显著。

对比图2中两种涂层的性能变化可以发现，它们的折减模量随深度的变化趋势非常相似，且在低深度和高深度下分别受限于涂层和基底的折减模量值。根据ISO 14577-4标准[3]，将这些测量结果按接触深度/薄膜厚度进行归一化处理后，所有结果会汇聚成单一趋势（见图3）。在低深度下，这些数值外推至零深度时即为涂层的折减模量。

这一结果展示了薄膜性能随薄膜厚度的变化规律以及测试结果的一致性。对硬度值进行类似外推后发现，较薄涂层的硬度约为较厚涂层的两倍，这可能是由于晶粒尺寸效应导致的。

4. 结论

本应用笔记采用简单压痕（SI）和CSM两种模式的纳米压痕测试，对两种不同厚度的铝薄膜性能进行了评估。结果表明，简单压痕法和CSM压痕法得到的数值相近，但CSM模式能显著地在更短时间内提供更多的数据。此外，由于CSM模式单次压痕即可获得相当于数十次简单压痕的信息量，因此能够以更高的空间分辨率对涂层进行评估。两种压痕方法在涂层测试中均获得了一致的结果。将两种涂层厚度的折减模量测试结果按深度/厚度比归一化后，数据汇聚成单一趋势，且涂层和基底的模量均得到了准确测定。这一结果成功验证了纳米压痕测试在薄膜性能评估中的应用价值。

参考文献

1.  T. Bell, A. Bendeli, J. Field, M. Swain, E. Thwaite. The determination of surface plastic and elastic properties by ultra
   micro-indentation, Metrologia 28 (1991) 463.
2. W.C. Oliver, G.M. Pharr. Measurement of hardness and elastic modulus by instrumented indentation: Advances in understanding and refinements to methodology, Journal of Materials Research 19 (2004) 3-20.
3. ISO 14577-4. Metallic Materials—Instrumented Indentation Test for Hardness and Materials Parameters—Part 4: Test Method for Metallic and Non-metallic Coatings. International Organization for Standardization Winterthur, Switzerland, 2016.
4. G.J.K. Schaffar, J. Kappacher, D. Tscharnuter, V. Maier-Kiener. The Phase Transformation of Silicon Assessed by an Unloading Contact Pressure Approach, JOM 74 (2022) 2220-2230.
5. P. Filippov, U. Koch. Nanoindentation of Aluminum Single Crystals: Experimental Study on Influencing Factors, Materials 12 (2019) 3688.