CN101979995B - 测量微纳米级薄膜线延伸率和薄膜面延展率的方法 - Google Patents

Abstract

一种测量微纳米级薄膜线延伸率和薄膜面延展率的方法，其特征是在待测薄膜下设置一层氧化物膜层，该氧化物膜层在脉冲激光的作用发生分解反应生成O₂，这些O₂的压力使表面的待测薄膜发生体积膨胀，形成类似于球冠状凸起，通过测量该球冠凸起的高度和直径，计算出该球冠的弧长和表面积，进而得出该待测薄膜的线延伸率和面延展率，调节激光参数，获得最大球冠状凸起，测量最大球冠状凸起的高度和直径，计算该待测薄膜材料的最大线延伸率和延展率。本发明方法操作简单，不用专门的系统提供压力，可以测量多种材料的线延伸率和面延展率，测量薄膜的厚度可以达到纳米级。

Description

测量微纳米级薄膜线延伸率和薄膜面延展率的方法

技术领域

本发明涉及薄膜，是一种测量微纳米级薄膜线延伸率和薄膜面延展率的方法，利用脉冲激光作为热源使材料发生分解反应释放氧气，氧气的压力使薄膜产生球冠状凸起，通过测量球冠的尺寸参数来得到微纳米级薄膜线延伸率和面延展的方法。

背景技术

进入20世纪以来，随着微电子材料科学的发展，试样尺寸、厚度达到了亚微米量级甚至纳米量级，这会产生强烈的尺寸效应和表面效应，从而导致了微观领域中材料的许多物理量、机械量与宏观领域相比有显著差异。目前通用的宏观材料力学性能的测试方法已经不再适用于微观领域，因此必须寻找新的方法以满足当前微电子技术迅速发展的需要。

当前测量微纳米级薄膜的技术主要有纳米压痕法，单轴拉伸法，转换结构法，鼓膜法，微梁弯曲法以及衬底曲率法等，可以测量线延伸率，面延展率，弹性模量，屈服强度，断裂强度，残余应力以及疲劳强度等材料的力学性能参数。但是这些技术所要求的薄膜厚度比较厚，约为几个微米甚至毫米，如果薄膜厚度为纳米级，则难度很大；而且所需设备也比较复杂，实验误差较大。因此，目前这些方法还没有一定的使用标准。

发明内容

本发明的目的在于提出一种测量微纳米级薄膜线延伸率和面延展率的方法，该方法操作简单，不用专门的系统提供压力，可以测量多种薄膜材料的线延伸率和面延展率，测量薄膜的厚度可以达到纳米级。

本发明的技术解决方案如下：

一种测量微纳米级薄膜线延伸率和薄膜面延展率的方法，其特点是在待测薄膜下设置一层氧化物膜层，该氧化物膜层在脉冲激光的作用发生分解反应生成O₂，这些O₂的压力使表面的待测薄膜发生体积膨胀，形成类似于球冠状凸起，通过测量该球冠凸起的高度和直径，计算出该球冠的弧长和表面积，进而得出该待测薄膜的线延伸率和面延展率，调节激光参数，获得最大球冠状凸起，测量最大球冠状凸起的高度和直径，计算该待测薄膜材料的最大线延伸率和面延展率。

所述的测量微纳米级薄膜线延伸率和薄膜面延展率的方法，具体包括下列步骤：

(1)制备待测膜板：

利用磁控溅射仪在玻璃基片上依次溅射的保护介质层、金属氧化物膜层和待测介质层构成待测膜板，所述的金属氧化物膜层的金属氧化物为AgO_x、PtO_x或PdO_x，其薄膜厚度为100～300nm；所述的保护介质层和待测介质层的材料为ZnS-SiO₂、SiN或SiO2，膜层的厚度为8～12nm；

(2)测量：

①用镊子将所述的待测膜板置于由计算机程序控制的工作台上，依次打开计算机程序、激光器和信号发生器；

②在计算机上设定工作台的二维移动方向和移动速度为10～100μm/s，设定激光器输出激光功率的变化范围为3mW～5mW和脉宽变化范围为50ns～200ns；

③所述的计算机依程序同步控制所述的工作台的运动和调整激光器输出激光脉冲的功率和脉宽协同工作，使具有不同功率和脉宽的激光脉冲照射在所述的待测膜板上，在该待测膜板上形成一系列分立的球冠状凸起，包括最大球冠状凸起；

④利用原子力显微镜对所述的的球冠状凸起进行扫描和精确测量，获得最大球冠状凸起的高度h和直径d；

(3)利用计算机按下列公式进行计算：

待测薄膜的最大线延伸率：

待测薄膜的最大面延展率：

式中：α₀——常数，一般取2/3；

h——激光作用下产生的球冠状凸起的高度；

d——激光作用下产生的球冠状凸起的底面直径；

R——激光作用下产生的球冠状凸起所对应的球冠的半径，其值可以根据勾股定理计算，计算公式为：

所述的待测膜板的制备方法，包括下列步骤：

①玻璃基片清洗：该玻璃基片表面粗糙度小于10nm，该玻璃基片经纯净水浸泡、纯净水超声清洗和无水乙醇超声波清洗后，取出用纯的高压氮气吹干；

②玻璃基片和溅射靶材安装：将所述的玻璃基片固定在磁控溅射仪的玻璃基片托上，然后把玻璃基片托夹持在磁控溅射真空腔里的基片座上，把选定的溅射的介质靶材和金属靶材置于相应的靶基座上固定好，调节靶材与所述的玻璃基片之间的距离，然后关闭真空腔盖开始抽真空，直至腔内真空度优于4×10^-4Pa；

③保护介质膜层溅射：采用Ar气作为本底气体，利用计算机控制将所述的玻璃基片转移至所述的介质靶材的上方，打开Ar气阀门开关向所述的磁控溅射真空腔内充Ar，通过流量计控制Ar气的通入量为80毫升/分钟(以下简称为sccm)，同时调节磁控溅射仪闸板阀至工作气压为0.8Pa，接着打开磁控溅射仪的射频电源，调节靶材溅射所需功率并采用计算机程序控制溅射时间进行第一介质层的溅射，溅射完成后，关闭射频电源，关闭Ar气阀门，打开闸板阀抽气，以去除磁控溅射真空腔内的杂质；

④金属氧化物膜层溅射：利用计算机程序将所述的玻璃基片转移至将要溅射的金属靶材的上方，然后同时打开O₂气阀门和Ar气阀门向所述的磁控溅射真空腔内充气体，通过流量计控制O₂的通入量为90sccm，Ar的通入量为10sccm，同时调节磁控溅射仪的闸板阀至工作气压为0.8Pa，接着打开磁控溅射仪的射频电源，调节至靶材溅射所需功率100W并采用计算机程序控制溅射时间进行金属氧化物膜层的溅射，溅射完成后，关闭射频电源，关闭O₂和Ar阀门，打开闸板阀抽气，去除磁控溅射真空腔内剩余气体和杂质；

⑤待测介质层的溅射：采用Ar气作为本底气体，利用计算机将所述的玻璃基片转移至所述的待测薄膜介质靶材上方，然后打开Ar气阀门开关向所述的磁控溅射真空腔内充Ar，通过流量计控制Ar气的通入量为80sccm，同时调节磁控溅射仪闸板阀至工作气压为0.8Pa，接着打开磁控溅射仪的射频电源，调节靶材溅射所需功率100W并采用计算机控制溅射时间进行介质层的溅射，溅射完成后，关闭射频电源，关闭Ar阀门，打开闸板阀抽气，以去除磁控溅射真空腔内杂质；

⑥最后利用计算机使玻璃基片托恢复到初始位置，然后关闭磁控溅射仪，放气，打开所述的磁控溅射真空腔，取出制备好的待测膜板。

本发明的技术效果：

(1)、本发明充分利用了氧化物材料在激光作用下发生分解反应的特点，利用磁控溅射技术使待测性能薄膜沉积在发生分解反应的氧化物材料之上。

(2)、本发明主要是上下两层介质层之间的金属氧化物发生分解反应，释放出的氧气对表面产生压力，使表面待测性能介质层发生体积膨胀，从而产生球冠状凸起结构。通过原子力显微镜精确测量这些球冠状凸起的高度和直径可以计算出待测薄膜材料的线延伸率和面延展率。

(3)、本发明利用脉冲激光在高精度二维工作平台上作用膜层结构制得了所需的凸起结构，并且利用原子力显微镜测出了计算所需的数据。方法操作简单，不用专门的系统提供压力，可以测量多种材料的线延伸率和面延展率，测量薄膜的厚度可以达到纳米级。

附图说明

图1为本发明磁控溅射膜层的结构示意图。

图2为本发明激光作用下球冠状凸起形貌图。

图3为本发明中激光作用下球冠状凸起的参数示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

图1为本发明实施测量的磁控溅射膜层结构示意图。由图可见本发明所涉及的薄膜是利用磁控溅射仪在玻璃基片4上依次溅射的第一保护介质层3、金属氧化物膜层2和第二待测性能介质层1构成的，所述的金属氧化物层2的金属氧化物为AgO_x、PtO_x或PdO_x，其薄膜厚度为100～300nm；所述的第一介质层3和第二介质层1的材料为ZnS-SiO₂、SiN或SiO₂，其薄膜厚度为8～12nm。

所述的测量微纳米级薄膜线延伸率和薄膜面延展率的方法，包括下列具体步骤：

(1)制备待测膜板：

(a)基片采用两面抛光的玻璃圆片，不同的磁控溅射仪器对基片的要求不一样，本实施例的玻璃基片的直径和厚度分别为30mm和1.2mm，表面粗糙度一般小于10nm，且表面粗糙度越小则成膜质量越高。玻璃基片的清洗：纯净水浸泡30min、纯净水超声清洗20min，无水乙醇超声波清洗20min后，取出用高压氮气(纯度99.9％)吹干；

(b)把清洗好的玻璃基片用镊子固定在磁控溅射仪的玻璃基片托上，然后把玻璃基片托夹持在溅射真空腔里的基片座上。把需要溅射的靶材放到相应的靶基座上固定好。不同的磁控溅射仪器具有不同的靶材直径和厚度，本实施例溅射所用靶材直径均为60mm，调节靶材与玻璃基片之间的距离为60cm。然后关闭真空腔盖开始抽真空过程。首先利用机械泵抽真空至5Pa以下，然后开分子泵，约1小时后开高真空计，查看溅射腔内真空度，直至腔内真空度优于4×10^-4Pa，且真空度越小，成膜质量越高，接着关闭高真空计，开始材料薄膜溅射过程；

(c)溅射薄膜厚度的选取。通过优化参数得到的结果为金属氧化物膜层(AgO_x，PtO_x或PdO_x)溅射厚度约为100～300nm。厚度太小，薄膜在激光作用下体积变化不明显；厚度太大，则浪费材料并且耗时多，溅射成本高。第一保护介质层(ZnS-SiO₂，SiN或SiO₂)溅射厚度约为10nm左右，主要是在激光作用下起到保护中间膜层，促进体积膨胀的作用。其厚度太大，则限制凸起高度；厚度太小，则会造成材料的烧蚀，也不利于图形的制造，溅射过程中，薄膜厚度由计算机程序控制溅射时间来决定。第二待测性能介质层为需要测量线延伸率和面延展率的材料薄膜，一般为透明的介质层，可以与第一保护介质层相同也可以不同，溅射厚度约为10nm左右，可以根据需要调节。

(d)首先进行第一保护介质膜层(ZnS-SiO₂，SiN或SiO₂)的溅射：采用Ar作为本底气体。利用计算机程序把装有玻璃基片的玻璃基片托转移至将要溅射的介质靶材上方。然后打开Ar阀门开关向磁控溅射仪真空腔内充Ar，通过流量计控制Ar的通入量为80sccm，同时调节磁控溅射仪闸板阀至工作气压为0.8Pa。接着打开磁控溅射仪的射频电源，调节至靶材溅射所需功率100W并采用计算机程序控制溅射时间进行下介质层的溅射工作。溅射完成后，关闭射频电源，关闭Ar阀门，打开闸板阀抽气5min，以去除腔内杂质。

(e)金属氧化物膜层(AgO_x，PtO_x或PdO_x)的溅射：采用反应溅射，利用纯度为99.9％金属(Ag，Pt或Pd)作为溅射靶材，用Ar与O₂的混合气体作为本底气体。其原理是利用溅射出高能金属粒子与腔内O₂的发生化学反应，其生成物沉积在玻璃基片表面以得到所需的金属氧化物薄膜。首先利用计算机程序把装有玻璃基片的玻璃基片托转移至将要溅射的金属靶材上方。然后同时打开O₂阀门和Ar阀门开关向磁控溅射仪真空腔内充气体，通过流量计控制O₂的通入量为90sccm，Ar的通入量为10sccm，同时调节磁控溅射仪闸板阀至工作气压为0.8Pa。接着打开磁控溅射仪的射频电源，调节至靶材溅射所需功率100W并采用计算机程序控制溅射时间进行金属氧化物层的溅射工作。溅射完成后，关闭射频电源，关闭O₂和Ar阀门，打开闸板阀抽气5min，以去除腔内剩余气体和杂质。

(f)第二待测性能介质膜层(ZnS-SiO₂，SiN或SiO₂)的溅射：采用Ar作为本底气体。利用计算机程序把装有玻璃基片的玻璃基片托转移至将要溅射的介质靶材上方。然后打开Ar阀门开关向腔内充Ar，通过流量计控制Ar的通入量为80sccm，同时调节磁控溅射仪闸板阀至工作气压为0.8Pa。接着打开射频电源，调节至靶材溅射所需功率100W并采用计算机程序控制溅射时间进行下介质层的溅射工作。溅射完成后，关闭射频电源，关闭Ar阀门，打开闸板阀抽气5min以去除腔内杂质。最后利用计算机程序使玻璃基片托恢复到原来位置，然后关闭磁控溅射仪，放气，开腔取出测量过程需要的薄膜结构样品。

(2)测量：

①用镊子将所述的待测膜板置于由计算机程序控制的工作台上，依次打开计算机程序、激光器和信号发生器；

②选定工作台的二维移动方向，确定移动速度为10～100μm/s，选定激光器的激光功率为3mW～5mW和脉宽为50ns～200ns；

③所述的计算机依程序同步控制所述的工作台的运动和调整激光器输出激光脉冲的功率和脉宽协同工作，使具有不同功率和脉宽的激光脉冲照射在所述的待测膜板上，在该待测膜板上形成一系列分立的球冠状凸起，包括最大球冠状凸起；

④利用原子力显微镜对所述的的球冠状凸起进行扫描和精确测量，获得最大球冠状凸起的高度h和直径d；

(3)利用计算机按下列公式进行计算：

待测薄膜的最大线延伸率：(h＜＜d)        (1)

待测薄膜的最大面延展率： ${\mathrm{\ξ}}_p=\frac{S_{\mathrm{microbump}}-S_{\mathrm{projection}}}{S_{\mathrm{projection}}}=\frac{8\mathrm{Rh}-d^2}{d^2}$ (2)

以上公式中字母所代表的物理量如下所示，具体对照见图3所示：

ξ_r——待测薄膜的线延伸率；

ξ_p——待测薄膜的面延展率；

R——激光作用下产生的球冠状凸起所对应的球冠的半径，其值可以根据勾股定理计算，计算公式为：

l——激光作用下球冠状凸起球冠上A到B的弧长，其计算公式为 $l=2\mathrm{Rarctg}\frac{d}{2(R-h)};$

S_microbump——激光作用下球冠状凸起的球冠面积，其计算公式为S_microbump＝2πRh；

S_projection——激光作用下球冠状凸起在底面的投影面积，其计算公式为 $S_{\mathrm{projection}}=\frac{{\mathrm{\πd}}^2}{4};$

α₀——常数，一般取2/3。

h——激光作用下产生的球冠状凸起的高度，可以通过原子力直接测量；

d——激光作用下产生的球冠状凸起在底面的投影直径，可以通过原子力直接测量；

图2为本发明激光直写微纳图形结构一个实施例的形貌效果图。其中第一保护介质层和第二待测性能介质层均为ZnS-SiO₂，金属氧化物为AgO_x。介质层ZnS-SiO₂采用射频电源进行磁控溅射，氩气为本底气体，本底真空优于4×10^-4Pa，溅射气压为0.8Pa，溅射功率为100W，溅射厚度为10nm。金属氧化物为AgO_x，采用反应溅射，氩气为本底气体、氧气为反应气体，溅射靶材为纯度达99.9％的金属Ag靶。通过流量计控制氧气和氩气的流量比为9∶1，溅射功率为100W，溅射厚度为150nm。其图形结构制造过程是把该薄膜结构放置于计算机程序控制的高精度二维工作平台上，利用绿光激光器作为辐照源使AgO_x材料发生分解反应而释放出O₂，由于该结构为密封的结构，反应释放出的O₂被封闭于该结构中对表面介质层产生巨大的压力，这个压力使表面产生巨大的凸起，从而使该结构发生巨大的体积膨胀。采用信号发生器控制激光参数，固定激光脉宽为100ns，改变激光功率值在3mW～5mW变化得到了一系列不同宽高比的凸起结构，该结构涉及化学变化。由图可见，这些结构多呈球冠形，这与激光能量的分布状态有关。利用原子力显微镜测得图中球冠状凸起的高度152nm，底面直径为826nm。通过改变激光参数，可以得到的最大凸起高度为212nm，最大直径为952nm。通过带入薄膜线延伸率和面延展率计算公式(1)与(2)，具体参数对照见图3所示。可得厚度为10nm ZnS-SiO₂薄膜的最大线延伸率为13.3％；最大面延展率为19.9％，其计算公式如下。

ZnS-SiO₂薄膜的最大线延伸率：

ZnS-SiO₂薄膜的最大面延展率：

式中：α₀——常数，一般取2/3；

h——激光作用下产生的ZnS-SiO₂薄膜球冠状凸起的高度；

d——激光作用下产生的ZnS-SiO₂薄膜球冠状凸起的底面直径；

R——激光作用下产生的ZnS-SiO₂薄膜球冠状凸起所对应的球冠的半径，其值可以根据勾股定理计算，计算公式为：

图3为本发明中激光作用下球冠状凸起的参数对照图。

下面表1列出了本发明一系列实施例的薄膜层结构和相应的激光脉冲作用所使用的激光功率和激光脉宽。

实验表明，本方法操作简单，不用专门的系统提供压力，可以测量多种材料的线延伸率和面延展率，测量薄膜的厚度可以达到纳米级，有望应用于相关的薄膜性能测量领域中。

表1微纳米级薄膜测量线延伸率和面延展率实施例一览表

Claims (3)

1.一种测量微纳米级薄膜线延伸率和薄膜面延展率的方法，其特征是在待测薄膜下设置一层金属氧化物膜层，该金属氧化物膜层在脉冲激光的作用发生分解反应生成O₂，这些O₂的压力使表面的待测薄膜发生体积膨胀，形成类似于球冠状凸起，通过测量该球冠状凸起的高度和底面直径，计算出该球冠状凸起的弧长和表面积，进而得出该待测薄膜的线延伸率和面延展率，调节激光参数，获得最大球冠状凸起，测量最大球冠状凸起的高度和底面直径，计算该待测薄膜材料的最大线延伸率和面延展率。

2.根据权利要求1所述的测量微纳米级薄膜线延伸率和薄膜面延展率的方法，其特征在于具体包括下列步骤：

(1)制备待测膜板：

利用磁控溅射仪在玻璃基片上依次溅射的保护介质层、金属氧化物膜层和待测薄膜构成待测膜板，所述的金属氧化物膜层的金属氧化物为AgO_x、PtO_x或PdO_x，其薄膜厚度为100～300nm；所述的保护介质层和待测薄膜的材料为ZnS-SiO₂、SiN或SiO2，膜层的厚度为8～12nm；

(2)测量：

①用镊子将所述的待测膜板置于由计算机程序控制的工作台上，依次打开计算机程序、激光器和信号发生器；

②在计算机上设定工作台的二维移动方向和移动速度为10～100μm/s，设定激光器输出激光功率的变化范围为3mW～5mW和脉宽变化范围为50ns～200ns；

③所述的计算机依程序同步控制所述的工作台的运动和调整激光器输出激光脉冲的功率和脉宽协同工作，使具有不同功率和脉宽的激光脉冲照射在所述的待测膜板上，在该待测膜板上形成一系列分立的球冠状凸起，包括最大球冠状凸起；

④利用原子力显微镜对所述的的球冠状凸起进行扫描和精确测量，获得最大球冠状凸起的高度h和底面直径d；

(3)利用计算机按下列公式进行计算：

待测薄膜的最大线延伸率： 

待测薄膜的最大面延展率： 

式中：α₀——常数，一般取2/3；

h——激光作用下产生的最大球冠状凸起的高度；

d——激光作用下产生的最大球冠状凸起的底面直径；

R——激光作用下产生的球冠状凸起所对应的球冠的半径，其值可以根据勾股定理计算，计算公式为： 

3.根据权利要求2所述的测量微纳米级薄膜线延伸率和薄膜面延展率的方法，其特征在于所述的待测膜板的制备方法，包括下列步骤：

①玻璃基片清洗：该玻璃基片表面粗糙度小于10nm，该玻璃基片经纯净水浸泡、纯净水超声清洗和无水乙醇超声波清洗后，取出用纯的高压氮气吹干；

②玻璃基片和溅射靶材安装：将所述的玻璃基片固定在磁控溅射仪的玻璃基片托上，然后把玻璃基片托夹持在磁控溅射真空腔里的基片座上，把选定的溅射的介质靶材和金属靶材置于相应的靶基座上固定好，调节靶材与所述的玻璃基片之间的距离，然后关闭真空腔盖开始抽真空，直至腔内真空度优于4×10^-4Pa；

③保护介质膜层溅射：采用Ar气作为本底气体，利用计算机控制将所述的玻璃基片转移至所述的介质靶材的上方，打开Ar气阀门开关向所述的磁控溅射真空腔内充Ar，通过流量计控制Ar气的通入量为80sccm，同时调节磁控溅射仪闸板阀至工作气压为0.8Pa，接着打开磁控溅射仪的射频电源，调节靶材溅射所需功率并采用计算机程序控制溅射时间进行第一介质层的溅射，溅射完成后，关闭射频电源，关闭Ar气阀门，打开闸板阀抽气，以去除磁控溅射真空腔内的杂质；

④金属氧化物膜层溅射：利用计算机程序将所述的玻璃基片转移至将要溅射的金属靶材的上方，然后同时打开O₂气阀门和Ar气阀门向所述的磁控溅射真空腔内充气体，通过流量计控制O₂的通入量为90sccm，Ar的通入量为10sccm，同时调节磁控溅射仪的闸板阀至工作气压为0.8Pa，接着打开磁控溅射仪的射频电源，调节至靶材溅射所需功率100W并采用计算机程序控制溅射时间进行金属氧化物膜层的溅射，溅射完成后，关闭射频电源，关闭O₂和Ar阀门，打开闸板阀抽气，去除磁控溅射真空腔内剩余气体和杂质； 

⑤待测薄膜的溅射：采用Ar气作为本底气体，利用计算机将所述的玻璃基片转移至所述的待测薄膜介质靶材上方，然后打开Ar气阀门开关向所述的磁控溅射真空腔内充Ar，通过流量计控制Ar气的通入量为80sccm，同时调节磁控溅射仪闸板阀至工作气压为0.8Pa，接着打开磁控溅射仪的射频电源，调节靶材溅射所需功率100W并采用计算机控制溅射时间进行介质层的溅射，溅射完成后，关闭射频电源，关闭Ar阀门，打开闸板阀抽气，以去除磁控溅射真空腔内杂质；

⑥最后利用计算机使玻璃基片托恢复到初始位置，然后关闭磁控溅射仪，放气，打开所述的磁控溅射真空腔，取出制备好的待测膜板。 

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