纳米压痕（NI）是一种纳米力学测试，通过精确的柔顺性测量提供机械性能。此外，纳米压痕分析NI在测量各种形状和尺寸材料的模量和硬度等特性时特别有用。例如，纳米压痕可用于表征半导体薄膜、封装、高级合金、热障涂层、耐刮擦性和耐磨性。

纳米压痕使用触点，将探针推入固体中，同时以近原子分辨率记录穿透深度。此外，这种能力可以将探测体积减小到100 nm3，这允许使用连续介质机械接触模型来提取薄膜和微观结构成分的硬度和模量等属性。接触几何形状和测试方法是可配置的，因此机械表征可以扩展到微观结构的脆性、附着力、应力应变、划痕、磨损或结构刚度。

仪器压痕理论

纳米压痕实验通常以准静态或动态方式进行，而属性则使用接触或振荡器物理场提取。

纳米压痕的例子

• 首先，在质量控制过程中快速评估晶圆或晶圆上的薄膜
• 研究半导体器件制造中工艺开发过程中的影响（例如PVD，CVD）
• 模拟在实际用例中可观察到的接触条件，进行故障分析
• 绘制多相材料上机械特性的空间分布图
• 研究变形机制（弹性、塑性、脆性行为或相变）
• 准确评估微观结构和颗粒的结构顺应性
• 获得对材料应力-应变关系的高度局部见解
• 研究表面和薄膜界面的粘合性能
• 获取准确的机械性能值，以输入物理建模（例如有限元或分析分析）
• 最后，通过蠕变和松弛测试以及纳米级动态力学分析评估粘性材料性能

刀片刃口示例（半径为 100 nm）

NI理想用途

• 首先，高度局部化材料性能的定量力学表征，包括硬度、弹性模量、断裂韧性、蠕变、形貌
• 其次，获得其他材料特性，包括纳米级动态力学分析（DMA）的存储模量和损耗模量，薄膜附着力，磨损，摩擦和结构合规性

先进的装载技术

一、准静态压痕：

• 梯形
• 多次部分卸载
• 粘附
• 爬
• 网格

二、动态缩进：

• 可变负载
• 变频
• 连续刚度
• 模量映射

三、纳米划痕：

• 恒定负载
• 渐进式负载
• 倾斜校正多通道

四、原位成像：

• 接触模式
• 扫描-磨损

NI优势强项

• 对 few-100 nm 尺寸的特征进行精确测试定位
• 薄膜的定量表征
• 最多 6 英寸的晶圆完整分析
• 干燥和液体环境
• 横截面分析（包括内部准备）
• 众多非压痕应用，专为小规模混合载荷条件下的力和位移的精确控制和测量而定制设计

NI缺点限制

• 首先，散装试样尺寸限制为4x2x2英寸
• 其次，10 nm厚度下的薄膜测量应视为半定量
• 最后，极其粗糙的表面的潜在问题

NI技术规格

• 控制模式：力、位移
• 最小/最大可用负载：<5 nN / >10 mN
• 可用本底噪声/最大位移：<0.1 nm / >20 μm
• 可控振荡器驱动频率：1 – 300 Hz
• 试样夹持器：真空、磁性、重力、机械夹紧
• 探头：圆锥形，扁平，贝尔科维奇，立方体，定制尺寸和形状
• 横向分辨率：<50 nm

总之，纳米压痕是研究材料许多机械性能的绝佳工具。

NI样品制备方法

金 属 类 材 料 制 备

机械抛光

机械抛光比较适合金属类样品，主要是通过磨砂工艺对样品表面进行抛光处理，得到光滑平整的表面。

振动抛光

振动抛光相对传统机械抛光对样品的伤害较小，主要是通过细砂覆盖样品，通过高频振动让细砂摩擦样品表面，来实现抛光

电解抛光

电解抛光是把样品放在电解池的阳极，因为接触面的原因，毛刺和不平整的地方会优先被腐蚀，从而留下光滑的平面。

非 金 属 材 料 制 备

冷冻切片

先对样品进行冷冻处理，提升样品的硬度，然后在低温下用切片刀快速的对样品进行切割，可以得到光滑的平面。

FIB制样

利用FIB技术可以再在显微镜下制备100nm厚度的薄片，适合超薄镀膜的样品。

包埋切片

一些非常软的样品，无法直接处理，比如薄膜需要做截面的压痕。可以先用树脂包埋固化，然后再切片，这样就能得到截面的样品。

以上是常用的样品制备方法，实验过程中具体采用哪种方法应根据样品的具体性质、测试要求和实验条件来确定。建议在进行纳米压痕测试之前，与实验室的技术人员或专家进行详细讨论，以确保选择最适合的样品制备方法。

NI相关资源

• 网络研讨会：纳米压痕
• 网络研讨会：表面分析

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