纳米压痕技术的应用

随着大规模集成电路制作技术的迅速发展, 微机电系统(M EM S)的尺寸可小至几毫米甚至数微米。因此, 微小精密构件的微观硬度(m icrohardness)、涂层或薄膜的机械性能等问题开始引人关注, 如M EM S 中微梁和微泵致动膜的弹性变形。此时的压入载荷一般为几佰毫牛或数牛, 压痕深度为微米级。当压入深度为纳米级或亚微米级时, 这就是所谓的纳米硬度。

随着微电子技术和微系统的发展, 许多微小结构得到了实际应用。同时, 材料在微小尺度下的力学性能也逐渐成为人们关注的对象, 材料的微观力学性能研究也随之开展起来。在微电子技术、微机械和纳米摩擦学应用中, 微构件的几何尺寸一般在微米级, 而薄膜的厚度则往往是纳米级。在载荷的作用下, 这些微小构件常常会表现出与宏观条件下所不同的特性, 因而引起了人们的极大关注, 目前这一领域已成为科学前沿和研究热点。纳米压痕技术由于具有无损、可以在很小的局部范围测试材料的力学性能等优点, 近10 年来在材料的微观力学性能研究方面得到了广泛的应用, 主要有以下几个方面:

(1)微机电系统(M EM S) 　

目前微构件的几何尺寸大多以微米计, 一些构件上的涂层或薄膜的厚度甚至以纳米计。这些微构件的力学性能, 如弹性模量和微硬度, 用以往常规的硬度测试手段是无法实现的。此外, 体材料的力学行为对微ö纳米尺度上的构件已不再适用, 即存在通常所说的尺度效应。目前纳米压痕技术在M EM S 领域的应用不仅可以利用原子力显微镜(A FM ) 和纳米硬度计直接测量微小构件的弹性模量和硬度, 还可以测量固支梁或悬臂梁在载荷下的弯曲变形, 如微杆件、微泵和微开关的膜片等。

（2）生物工程   

纳米压痕技术在生物工程的应用主要是测定骨、牙齿或细胞等生物组织的力学性能，为病理研究或治疗提供依据。骨质疏松是导致骨裂的根本原因, 目前常用的双磷疗法较为有效, 可以改善骨组织的内在性能。局部探针测量技术(可以取很小的样且不会造成骨组织的任何损害) 的应用, 如纳米压痕硬度测试技术, 可以对骨质疏松症的治疗机理有更深入的了解。为了研究活体细胞与其周围环境的相互作用和反应, 就必须了解细胞的力学性能。通过试验, 人们已经知道生物活性细胞的弹性模量为13～ 150kPa, 血小板红细胞的弹性模量为1～ 50kPa。酸性物质会在牙齿的釉质表面产生白斑病损, 如不加以治疗, 就会发展为龋齿。应用纳米压痕技术可以检查病灶点的力学强度和确定化学治疗的效果。此外, 还有人对药片的微硬度进行了测试, 以此来了解药片的脆性, 从而有针对性地进行药品包装,避免运输过程中的破损。

（3）特殊材料研究   

由于纳米压痕技术可以在很小的局部区域内用很微小的载荷测试材料的硬度和弹性模量，因此过去用传统硬度测试方法无法测量的一些特殊材料，它们的硬度测试就可以应用纳米压痕技术来完成，如超硬材料、脆性材料、多孔才材料、复合材料和较软的有机高分子材料等。纳米压痕技术还可用于隐形眼睛镜片质量的控制与新产品的研发。

（4）摩擦学性能研究  

材料的硬度决定了其耐磨性能。对于硅微器件，在工作时如何克服摩擦和减小磨损，提高有效服役寿命, 是微机械能否可靠运行的关键问题。而有效的途径之一就是在构件表面制备薄膜或涂层。刀具和模具表面涂层的力学性能也与它们的使用寿命密切相关。在光学镜片表面镀上一层透明的DLC 薄膜(其硬度可达45GPa)有利于提高其耐磨性。薄膜ö基体组合体系的综合力学性能是目前的研究热点, 这里的薄膜厚度从十几纳米到几个微米不等。为了确切得到薄膜的力学性能并排除基体的影响, 纳米压痕试验中压头压入薄膜的深度一般不得超过膜厚的10%～ 20% , 这是以往传统硬度试验所无法实现的。

(5) 信息技术　

微机电装置触点引线的封装对制造成本与工作可靠性至关重要, 是芯片制造中的

关键一步。其工艺过程是, 首先将引线与压焊触点接触, 加压并施加超声振动, 去除接触表面的氧化层和污染物, 从而使裸露的新鲜金属表面冷焊在一起。随着微装置尺寸的减小和接点的增加, 对压焊点的结构和机械性能有了更高的要求。应用纳米压痕技术对压焊点施压, 可以检测焊接后的焊点是否会产生开裂或附着失效。此外, 在芯片表面镀一层薄膜, 可以提高表面的耐磨性和防腐性。有的薄膜具有一定的功能, 如光电性或电磁性, 它们在基体上的附着性是一个关键的技术指标。此外, 磁记录装置中的磨损问题等也可以用纳米压痕技术来研究。