專利名稱：：一種基于納米壓痕連續(xù)剛度曲線的薄膜和膜基界面的物理性質(zhì)測試方法
技術(shù)領域：
：本發(fā)明涉及一種基于納米壓痕連續(xù)剛度曲線的薄膜和膜基界面的物理性質(zhì)測試方法，屬于分析儀器及其材料性能測試
技術(shù)領域：
。
背景技術(shù)：
：在當今的工業(yè)產(chǎn)品中普遍采用了薄膜技術(shù)，即在產(chǎn)品的表面鍍制一層薄膜從而防止材料腐蝕、氧化等而提高材料的耐用性，或者賦予材料與基體不同的性能而增加材料功能，或者使材料更加美觀等。在很多應用中，薄膜的物理性質(zhì)(如厚度、彈性模量、硬度等)和薄膜與基體之間的相互作用性質(zhì)等對產(chǎn)品的質(zhì)量有著相當大的影響，需要進行界定。對于固體薄膜厚度的測試，目前普遍的測試方法主要是探針法和光學法兩大類。探針法的原理是利用力學敏感的探針沿著樣品表面劃過，記錄表面的形貌，從而測出薄膜厚度。光學法是利用光的干涉或者衍射來測出薄膜厚度。這兩種方法都存在一個難以克服的缺點，就是要求被測試的樣品必須露出基體的一部分(光學法測試透明薄膜時可以不露出基體，但是使用范圍較窄)，通過基體和薄膜高度的對比來測出膜厚。這就要求薄膜樣品制備過程中留有未鍍制的基體(臺階)，或者薄膜鍍制完成后，將薄膜的一部分劃破使之露出基體，這些過程都將損害薄膜的質(zhì)量，需要發(fā)展薄膜厚度測試的無損檢測方法。對于固體薄膜的彈性模量和硬度的測試，目前主要采用壓痕技術(shù)，其中納米壓痕技術(shù)是近年來發(fā)展起來的近乎于無損檢測的薄膜性質(zhì)的測試方法。用納米壓痕儀測量薄膜的硬度和彈性模量，最大壓痕深度只能在膜厚的十分之一以內(nèi)才可以避免受到基體性質(zhì)的影響(D.Beegan,Μ.T.Laugier,Surf.CoatingsTechnol.199(2005)32.),還沒有一種成熟的可以在最大壓痕深度較大時分離出薄膜的上述物理性質(zhì)的方法。隨著超薄薄膜的越來越廣泛的使用，解決這類薄膜甚至與薄膜相關(guān)的基體(界面)的上述物理性質(zhì)的直接分析測試顯得十分重要。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提出一種測量固體薄膜與膜基界面物理性質(zhì)的新方法。所述方法采用納米壓痕儀，通過改進納米壓痕連續(xù)剛度曲線的分析方法從而測量薄膜的物理性質(zhì)，包括薄膜厚度、薄膜的彈性模量平方與硬度的比值，并能表征與界面層厚度相關(guān)的參數(shù)、以及表征界面層彈性模量平方與硬度比值相關(guān)的參數(shù)等。所述方法對所有薄膜物理性質(zhì)的測試均基于納米壓痕技術(shù)，可以在不露出基體表面的情況下進行，不需要對已有的設備進行改裝，只需改變分析方法，適用范圍廣泛，任何膜厚小于納米壓痕儀最大壓痕深度的薄膜材料都可以使用。本發(fā)明提出的薄膜材料物理性質(zhì)測試方法，其特征在于，基于納米壓痕連續(xù)剛度曲線的分析，并包括以下步驟(1)對被測試固體薄膜樣品進行納米壓痕實驗，選擇連續(xù)剛度法(ContinueStiffnessMeasurement)獲得力口載曲線；(2)通過加載曲線得到材料的硬度、彈性模量隨壓痕深度的變化關(guān)系曲線；(3)將E//H作為縱坐標，壓痕深度h作為橫坐標，用式(1)進行擬合，擬合范圍下限是20nm，上限應當盡可能超過膜厚；Er2/H=Α0+Αιθχρ(-(h-x0)Zt1)+A2exp(-(h-x0)/t2)(1)其中艮是彈性模量，H是硬度。h是壓痕深度，HA2^j1和t2都是擬合參數(shù)。(4)按照迭代篩選最小二乘法，處理原始數(shù)據(jù)經(jīng)過第一次擬合后，將趨勢線作為標準，將原始數(shù)據(jù)中的每一個數(shù)據(jù)點以及其左右各若干個點到標準線的距離求平均，得到均值ave，乘以參數(shù)e，然后將被考察數(shù)據(jù)點到標準線的距離d與e*aVe進行比較，若d>e*aVe，則認為該點偏離較大，去掉該點，否則保留。e的值可以根據(jù)實際情況來取，取得小，則去掉的點多，否則去掉的點少。將保留的點再用式(1)擬合，將e適當?shù)目s小，重復上述步驟，直到剩下的點沒有大的波動為止，并且也要兼顧剩下點的數(shù)量不要太少，以免影響下一步的操作；(5)將篩選后的數(shù)據(jù)，用式(1)重新擬合，保持擬合下限20nm，逐漸縮小擬合上限。擬合得到的各參數(shù)隨著擬合范圍有波動，變化趨勢與Atl成某種確定關(guān)系。找出其它擬合參數(shù)和Atl之間的關(guān)系，利用這個關(guān)系計算出Atl=EsVHs時的每個參數(shù)的值，其中Es和Hs分別是基體的彈性模量和硬度；(6)分析第(5)步得到的參數(shù)值可以獲得薄膜的物理性質(zhì)。分析A1可以獲得Ef2/Hf，其中Ef是薄膜的彈性模量，Hf是薄膜的硬度；分析、可以獲得薄膜的膜厚；分析A2可以獲得膜基界面的E//H，其中艮是界面處的彈性模量，H是界面處的硬度；分析t2可以獲得與界面層厚度相關(guān)的性質(zhì)。在上述測試方法中，所述步驟(1)中被測試樣品必須為固體。在上述測試方法中，所述步驟(1)中納米壓痕試驗的最大壓痕深度要大于薄膜厚度。在上述測試方法中，所述步驟(4)中，需要注意的是e*aVe實際上是一個相對值，這樣做的好處是對于原始數(shù)據(jù)不同的橫坐標區(qū)間，篩選掉的數(shù)據(jù)的比例是接近的。如果將篩選的標準取一個確定的值，例如規(guī)定到標準線的距離大于某個確定值的點將被過濾掉，那么將導致壓入的初始階段，即200nm以內(nèi)壓痕深度數(shù)據(jù)由于整體抖動較大，所以大部分會被過濾掉，從而造成初始階段數(shù)據(jù)所反映的材料性質(zhì)被后面的數(shù)據(jù)掩蓋。采用本方法測試薄膜樣品的膜厚，與傳統(tǒng)的探針法和光學法相比，可以不需要露出基體表面，測試不損壞樣品，適用范圍更廣。且不需要對已有的納米壓痕設備進行改裝，只需改變分析方法。采用本方法還可以擬合出與薄膜相關(guān)的基體(界面)的相關(guān)物理性質(zhì)。具體實施例方式下面結(jié)合實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步說明。實施例1被測試的樣品是玻璃基鈦膜，用來做標定的樣品是750nm膜厚和2100nm膜厚的玻璃基鈦膜，見表(1)。用來做測試厚度的樣品為HOOnm膜厚的樣品。假定已知厚度樣品為750nm膜厚和2100nm膜厚的玻璃基鈦膜，這兩個膜厚為隨機選擇，1400nm膜厚的鈦膜為被測試樣品，假定膜厚未知。玻璃均為商用白色浮法玻璃。鈦膜通過磁控濺射機制備。采用如下方法分析測試相關(guān)物理性質(zhì)(1)對固體薄膜樣品做納米壓痕實驗，選擇連續(xù)剛度法，每個樣品重復三次；(2)通過加載曲線得到材料的硬度、彈性模量隨壓痕深度的變化關(guān)系曲線；(3)將E//H作為縱坐標，壓痕深度h作為橫坐標，用式(1)進行擬合，擬合范圍是20nm至Ij2400nm；(4)按照迭代篩選最小二乘法，處理原始數(shù)據(jù)經(jīng)過第一次擬合后，將趨勢線作為標準，將原始數(shù)據(jù)中的每一個數(shù)據(jù)點以及其左右各5個點，共11個點到標準線的距離求平均，得到均值ave，乘以參數(shù)e，然后將被考察數(shù)據(jù)點到標準線的距離d與e*aVe進行比較，若d>e*aVe，則認為該點偏離較大，去掉該點，否則保留。e的值可以根據(jù)實際情況來取，取得小，則去掉的點多，否則去掉的點少。將保留的點再用式(1)擬合，將e適當?shù)目s小，重復上述步驟，直到剩下的點沒有大的波動為止。在本實例中e的取值分別是2，1.5，1.2,1,0.8。最后剩下的點大概是原始數(shù)據(jù)的1/3；(5)將篩選后的數(shù)據(jù)，用式(1)重新擬合，保持擬合下限20nm，逐漸縮小擬合上限，例如將擬合上限設置為2400nm，2200nm或者2000nm等。擬合得到的各參數(shù)隨著擬合范圍有波動，變化趨勢與Atl成確定關(guān)系。找出、和&之間的關(guān)系，此處為指數(shù)關(guān)系，利用這個關(guān)系計算出A0=EsVHs時的、的值，其中Es和Hs分別是基體的彈性模量和硬度。將樣品重復三次試驗得到的，經(jīng)Atl標定后的參數(shù)值、求均值，獲得tlare。(6)將750nm和2100nm膜厚的膜厚值t和在經(jīng)過上面步驟得到的tlave帶入到式(2)，計算得到a和b，見表(3)；tlave=at+b(2)(7)將未知膜厚的被測樣品的、■值帶入式(2)，計算出膜厚t。實施例2被測試的樣品是玻璃基氮化鈦膜，用來做標定的樣品是IlOnm膜厚和320nm膜厚的玻璃基氮化鈦。用來做測試厚度的樣品為185nm膜厚的樣品。假定已知厚度樣品為IlOnm膜厚和320nm樣品，這兩個膜厚為隨機選擇，185nm樣品為被測試樣品，假定膜厚未知。玻璃均為商用白色浮法玻璃。氮化鈦膜通過磁控濺射機制備。操作步驟與實例1相同，得到a和b見表(3)，測試得到的膜厚見表(2)。實施例3被測試的樣品是玻璃基鈦膜，膜厚分別為310nm，440nm，750nm，930nm，1160nm，1400nm，2100nm，見表(1)。玻璃均為商用白色浮法玻璃。鈦膜通過磁控濺射機制備。采用如下方法分析測試相關(guān)物理性質(zhì)(1)對固體薄膜樣品做納米壓痕實驗，選擇連續(xù)剛度法，每個樣品重復三次；(2)通過加載曲線得到材料的硬度、彈性模量隨壓痕深度的變化關(guān)系曲線；(3)將E//H作為縱坐標，壓痕深度h作為橫坐標，用式(1)進行擬合，擬合范圍是20nm至Ij2400nm；(4)按照迭代篩選最小二乘法，處理原始數(shù)據(jù)經(jīng)過第一次擬合后，將趨勢線作為標準，將原始數(shù)據(jù)中的每一個數(shù)據(jù)點以及其左右各5個點，共11個點到標準線的距離求平均，得到均值ave，乘以參數(shù)e，然后將被考察數(shù)據(jù)點到標準線的距離d與e*aVe進行比較，若d>e*aVe，則認為該點偏離較大，去掉該點，否則保留。e的值可以根據(jù)實際情況來取，取得小，則去掉的點多，否則去掉的點少。將保留的點再用式(1)擬合，將e適當?shù)目s小，重復上述步驟，直到剩下的點沒有大的波動為止。在本實例中e的取值分別是2，1.5，1.2，1，0.8。最后剩下的點大概是原始數(shù)據(jù)的1/3；(5)將篩選后的數(shù)據(jù)，用式(1)重新擬合，保持擬合下限20nm，逐漸縮小擬合上限，例如將擬合上限設置為2400nm，2200nm或者2000nm等。擬合得到的各參數(shù)隨著擬合范圍有波動，變化趨勢與K成確定關(guān)系。找出Ai和&之間的關(guān)系，此處為指數(shù)關(guān)系，利用這個關(guān)系計算出=Es2/Hs時的~的值，其中Es和Hs分別是基體的彈性模量和硬度。將樣品重復三次試驗得到的，經(jīng)K標定后的參數(shù)值~求均值，獲得Alare；(6)將各樣品的膜厚t作為橫坐標，將各樣品對應的~■作為縱坐標，用式(3)進行擬合，利用擬合后的參數(shù)計算出t等于無窮大時的Alare值，即E//Hf，其中Ef是薄膜的彈性模量，Hf是薄膜的硬度，見表(1)。Alave=B0+Biexp(-(t-x0)/屯)+B2exp(-(t-x0)/d2)(3)實施例4被測試的樣品是玻璃基鈦膜，膜厚分別為750nm、1400nm和2100nm。玻璃均為商用白色浮法玻璃。鈦膜通過磁控濺射機制備。(1)對固體薄膜樣品做納米壓痕實驗，選擇連續(xù)剛度法，每個樣品重復三次；(2)通過加載曲線得到材料的硬度、彈性模量隨壓痕深度的變化關(guān)系曲線；(3)將E//H作為縱坐標，壓痕深度h作為橫坐標，用式(1)進行擬合，擬合范圍是20nm至lj2400nm；(4)按照迭代篩選最小二乘法，處理原始數(shù)據(jù)經(jīng)過第一次擬合后，將趨勢線作為標準，將原始數(shù)據(jù)中的每一個數(shù)據(jù)點以及其左右各5個點，共11個點到標準線的距離求平均，得到均值ave，乘以參數(shù)e，然后將被考察數(shù)據(jù)點到標準線的距離d與e*aVe進行比較，若d>e*aVe，則認為該點偏離較大，去掉該點，否則保留。e的值可以根據(jù)實際情況來取，取得小，則去掉的點多，否則去掉的點少。將保留的點再用式(1)擬合，將e適當?shù)目s小，重復上述步驟，直到剩下的點沒有大的波動為止。在本實例中e的取值分別是2，1.5，1.2，1，0.8。最后剩下的點大概是原始數(shù)據(jù)的1/3；(5)將篩選后的數(shù)據(jù)，用式(1)重新擬合，保持擬合下限20nm，逐漸縮小擬合上限，例如將擬合上限設置為2400nm，2200nm或者2000nm等。擬合得到的各參數(shù)隨著擬合范圍有波動，變化趨勢與K成確定關(guān)系。找出A2和&之間的關(guān)系以及t2和&之間的關(guān)系，此處均為指數(shù)關(guān)系，利用這個關(guān)系計算出=Es2/Hs時的A2和t2的值，其中Es和Hs分別是基體的彈性模量和硬度。將每個樣品重復三次試驗得到的，經(jīng)標定后的參數(shù)值A2和t2分別求均值，獲得A2are和t2are。分析A2■可以得到膜基界面的E//H，其中艮是界面處的彈性模量，H是界面處的硬度；分析t2are可以獲得界面層厚度的相關(guān)性質(zhì)。表1，玻璃-鈦膜體系膜厚的計算值與薄膜E//H的計算值<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>表2，玻璃-氮化鈦膜體系膜厚的計算值<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>表3，式(2)中參數(shù)的計算值<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>表4:式(3)中參數(shù)的計算fi<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>權(quán)利要求一種固體薄膜與膜基界面的物理性質(zhì)測試方法，其特征在于，基于納米壓痕連續(xù)剛度曲線的分析確定材料物理性能，并包括以下步驟(1)對被測試固體薄膜樣品進行納米壓痕實驗，選擇連續(xù)剛度法獲得加載曲線；(2)通過加載曲線得到材料的硬度、彈性模量隨壓痕深度的變化關(guān)系曲線；(3)將Er2/H作為縱坐標，壓痕深度h作為橫坐標，用式(1)進行擬合，擬合范圍下限是20nm，上限應當盡可能多地超過膜厚，并保持各樣品測試深度上限一致；Er2/H＝A0+A1exp(-(h-x0)/t1)+A2exp(-(h-x0)/t2)(1)其中Er是彈性模量，H是硬度。h是壓痕深度，A0、A1、A2、x0、t1和t2都是擬合參數(shù)。(4)采用迭代篩選最小二乘法處理原始數(shù)據(jù)經(jīng)過第一次擬合后，將趨勢線作為標準，將原始數(shù)據(jù)中的每一個數(shù)據(jù)點以及其左右各若干個點到標準線的距離求平均，得到均值ave，乘以參數(shù)e，然后將被考察數(shù)據(jù)點到標準線的距離d與e*ave進行比較，若d＞e*ave，則認為該點偏離較大，去掉該點，否則保留。e的值可以根據(jù)實際情況來取，取得小，則去掉的點多，否則去掉的點少。將保留的點再用式(1)擬合，將e適當?shù)目s小，重復上述步驟，直到剩下的點沒有大的波動為止，并且也要兼顧剩下點的數(shù)量不要太少，以免影響下一步的操作；(5)將篩選后的數(shù)據(jù)，用式(1)重新擬合，保持擬合下限20nm，逐漸縮小擬合上限。擬合得到的各參數(shù)隨著擬合范圍有波動，變化趨勢與A0成某種確定關(guān)系。找出其它擬合參數(shù)和A0之間的關(guān)系，利用這個關(guān)系計算出A0＝Es2/Hs時的每個參數(shù)的值，其中Es和Hs分別是基體的彈性模量和硬度；(6)分析第(5)步得到的參數(shù)值可以獲得薄膜的物理性質(zhì)。分析A1可以獲得Ef2/Hf，其中Ef是薄膜的彈性模量，Hf是薄膜的硬度；分析t1可以獲得薄膜的膜厚；分析A2可以獲得膜基界面的Er2/H，其中Er是界面處的彈性模量，H是界面處的硬度；分析t2可以獲得與界面層厚度相關(guān)的性質(zhì)。全文摘要本發(fā)明涉及一種固體薄膜和膜基界面的物理性質(zhì)測試方法，屬于分析儀器及材料性能測試
技術(shù)領域：
。所述方法基于納米壓痕連續(xù)剛度曲線，將膜基系統(tǒng)彈性模量平方比硬度作為縱坐標，壓痕深度作為橫坐標，按照迭代篩選最小二乘法擬合曲線，分析和標定各擬合參數(shù)，從而測量薄膜的物理性質(zhì)，包括厚度、彈性模量平方與硬度的比值，并能表征與界面層厚度相關(guān)的參數(shù)、以及表征界面層彈性模量平方與硬度比值相關(guān)的參數(shù)等。所述方法對所有薄膜與膜基界面的物理性質(zhì)的測試均基于納米壓痕技術(shù)，可以在不露出基體表面的情況下進行，不需要對已有的設備進行改裝，只需改變分析方法，適用范圍廣泛，任何膜厚小于納米壓痕儀最大壓痕深度的薄膜材料都可以使用。文檔編號G01N3/42GK101806690SQ201010161619公開日2010年8月18日申請日期2010年5月4日優(yōu)先權(quán)日2010年5月4日發(fā)明者于翔,付志強,岳文,彭志堅,溫濤,王成彪,龔江宏申請人:中國地質(zhì)大學(北京)