杨氏模量和硬度材料的性能使用Nanoindentation电影

Nanoindentation测量技术是重要的测量杨氏模量和硬度在薄膜和其他情况下涉及到数量有限的材料的测量。在大多数情况下,nanoindentation用于描述电影的机械性能较低的介电常数(性能)用于微电子。

在这种芯片,性能材料是重要的分离导电线的机亚博网站下载械和电气障碍。介电常数越低,电分离就会越好。很难降低k值,然而,使用方法如电影孔隙度更高,因为这些削弱材料本身。因此材料强度必须平衡对介电常数而设计一个微电子组件。这就是nanoindentation进入自己的评估机械鲁棒性与低介电常数材料。

图1所示。测量微电子材料的机械强度是最常见的nanoindentation申请。亚博网站下载

进行nanoindentation测试中,电影的性能材料涂在硅晶片上。但是,这也带来了错误的可能性测量nanoindentation电影和支持晶片材料,这将导致一个错误Oliver-Pharr高杨氏模量的方法如果这是单独使用。这是真的,即使压痕只是一样深的一小部分电影本身的厚度。为了防止这一点,iNano缩进系统使用一个自动校正,以弥补衬底的贡献。这将产生测量杨氏模量的值是真正的一个材料的电影,不管晶片。这是通过计算真正的杨氏模量(E_f)的使用明显的电影(未修正的杨氏模量(E)_一个),产生的压痕深度(h)、膜厚度(t_f为底物(E),杨氏模量_年代),基材(ν的泊松比_年代),在以下方程:

E_f=f(E_一个h t_fE_年代,ν_年代)

这些参数通常是已知的电影材料材料的性能。

iNano系统测量杨氏模量和硬度的连续函数的渗透硬度计压头采用一个小叠加振荡在加载条件下不需要确保最大穿透深度(否则需要测量这些特征)。这个连续函数图表的使用薄膜的测试,因为它有助于区分的相对作用底物和电影校正测量之前和之后的属性。如果校正是合适的,测量不应该不管压痕的深度不同而有明显差异。

亚博网站下载材料和方法

在这个实验中,两个样品的性能材料的知名供应商材料用于先进的电子、SBA材料公司。亚博网站下载

表1。总结样品材料的性能:通过SBA材料物理性质测量亚博网站下载

样品标识	膜厚度(nm)	折射率,n§	介电常数k__
一个	196.27	1.285	2.215
F	477.51	1.283	2.169

^§测量波长633纳米。
^__以1 MHz。

这些测量杨氏模量和硬度使用iNano。一个Berkowich硬度计压头(通常是)用于生成nanoindentation。十个压痕每个材料样品在室温下进行,使用“动态CSR薄膜”测试方法。以下步骤进行测量在每个网站测试:

1. 硬度计压头的脸靠近,摸电影30 nm /秒的速度。
2. 的应变率硬度计压头压在这部电影是0.2秒,到了这个地步,它缩进膜的厚度的50%。伴随着压力振荡1 nm振幅和频率100赫兹。
3. 在最大深度压力保持稳定1秒(停留时间)。
4. 联系当时的力量下降到10%在接下来的10秒。
5. 硬度计压头一直在恒力为80秒,同时记录其位移。这是将给定不变的力为零。然而,真正的位移速率测量这部分的测试期间不为零,因为热的变化contraction-expansion等材料。
6. 硬度计压头被删除了,样品保存在适当的位置成功测试程序。

电影属性也可能到达Hay-Crawford模型如果人知道薄膜的厚度和弹性基质,和其他功能,如表2所示。

表2。总结分析的输入。(注意:这些值可能会改变测试后,结果快速回馈)。

输入	价值
漂移修正?	1
膜厚度	196年或478年
基板的泊松比	0.2
衬底的杨氏模量	170年
泊松比的电影	0.3
部分电影开始Avg	0.29
部分电影结束Avg	0.31
薄膜(1)或散装(0)	1

结果与讨论

应用振动加载过程中硬度计压头,在1纳米,100 Hz,保持联系僵硬在紧迫的时期对材料的表面硬度计压头。这种动态刚度测量用于Oliver-Pharr计算得到杨氏模量。压痕深度标准化膜厚度是x轴上的价值,随着深度的增加,模量就大。这种变化是由于电阻给缩进的硬硅底层芯片E 170 GPa。尽管事实上,因为明显的贡献由基质,因此,这些系数值提供第一个走向实际结果通过校正的必要性,和错误的来源,更清晰。

Hay-Crawford模型,另一方面,显示了一个精确的补偿已经纠正衬底的杨氏模量的影响,通过呈现相对不变值归一化压痕深度的关系。在这种情况下是基于获得的值的测量值进行分析,考虑基质的贡献。每组的值从不同材料然后平均在29%和31%之间得到一个值的模量/压痕亚博网站下载。一般由用户设定的极限。作为最后一步,均值和标准差也计算出每个十值获得,Ef = 6.48±0.27, 6.14±0.14分别为电影和F。

图2。杨氏模量的函数压痕深度,归一化膜厚度。每个粉红色痕迹代表一个单一的测试在电影,和每一个淡蓝色跟踪代表一个单独的测试在电影f .红色和蓝色的痕迹代表这些相同的物理测量,分别只纠正基质的影响。使用修正后的痕迹,电影模量约30%的膜厚度。

nanoindentation研究缺口,下降不到10%的薄膜的厚度通常被大多从衬底无任何影响。然而,这是不正确的,在材料衬底材料的性能比测试材料本身更硬。亚博网站下载因此在10%缩进,电影一个E_一个电影一个= 8.49的绩点,E_一个F = 7.43的绩点为电影,这些电影的实际值高出30%和20%。诸如此类的错误的结果可能有潜在的灾难性影响制造商的业务性能。

Hay-Crawford模型的另一个优点是更好的准确性和再现性,因为时间可以允许位移测量之前,与衬底时,刚度是一个问题。更有可能是测量在50 nm将是正确的和可重复的在只有20 nm因为任何的扭曲效应实验工件将不太可能被放大。这包括问题由于表面粗糙,凹凸不平,不完全平滑技巧,故障检测和振动环境的联系。使用这个设置,压痕深度可能会高达40%的薄膜的厚度而不影响结果的独立性。

测量基质硬度不是那么容易变形的刚度,因为塑性变形区域有限的比弹性变形区。当使用Oliver-Pharr方法测量、硬度不增加甚至随着规范化压痕深度的增加,没有修正是必要的。获得的一个值为每个缩进是平均每个点在29%和31%之间的数据,然后计算均值和标准差也从所有十个测试每个值。这给了H = 1.22±0.06和H = 1.17±0.03分别为电影和电影F。数据显示,的值几乎相同,当压痕深度接近40%的薄膜的厚度。

图3。硬度压痕深度的函数、归一化膜厚度。每个红色痕迹代表一个单一的测试在电影,和每个海军跟踪代表一个单独的测试在电影f .硬度相对对衬底的影响,所以不需要校正模型。使用原来的痕迹,硬度报告膜厚度的30%左右。

最终的数据表示为样品在表2。而E、H值不是截然不同的两个样本,差异显著(p < 0.05)。电影更薄,其杨氏模量稍高,硬度。这一点值得注意,因为这两部电影是为了有相同的特征。不同之处在于,小体积的影响薄膜的微观结构,进而影响其力学性能,被视为两种材料之间的介电常数的差异。亚博网站下载电影F是厚,模量有点低,符合其他观察膜厚度和增殖系数粘度值。

表3。摘要膜机械性能测量的iNano

样品标识	N	深度范围(nm)	Ef (GPa)	H (GPa)
一个	10	56.8 - 60.8	6.48±0.27	1.22±0.06
F	10	138.6 - 148.2	6.14±0.14	1.17±0.03

结论

文中对纳米压痕技术的测试值是在体积和微观结构之间的关系,进而力学特性的材料。亚博网站下载的iNano压痕系统使用先进的硬件和电子产品,以及提供了现代过程和分析,这样非常薄膜也可以检查和具有更多的准确性和可重复的结果。使用这种方法,两个薄膜几乎相同的性能值比较,薄一个是关联到一个更高的杨氏模量。这些发现是罕见的与商业系统特别是薄膜建模和动态压痕在加载期间不允许因为它们扭曲或隐藏。

承认

Nanomechanics公司欣然承认SBA材料,公司提供样品材料良好的性能。亚博网站下载

引用

1。奥利弗,厕所和法尔通用”,一种改进的技术,确定使用载荷和位移传感压痕硬度和弹性模量实验中,材料研究杂志》上亚博网站下载7(6):1564 - 1583 (1992)。

2。干草,评论和克劳福德,B。,“测量Substrate-Independent薄膜模量,材料研究杂志》上亚博网站下载26(6):727 - 738 (2011)。

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