納米壓痕與納米劃痕法在鎢-硅薄膜界面剝離能定量研究中的對比分析

薄膜材料廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體、涂層、能源存儲、醫(yī)療設(shè)備和光伏等領(lǐng)域，其性能與可靠性高度依賴于界面結(jié)合強度。傳統(tǒng)測量方法如剝離實驗與微劃痕測試往往受限于測試工況設(shè)置和材料特性，難以實現(xiàn)界面結(jié)合能的定量表征。為此，來自牛津大學(xué)的Shatha博士等采用納米壓痕與納米劃痕兩種方法，系統(tǒng)研究了硅基底上不同厚度鎢涂層的界面剝離行為，并通過有限元模擬對能量計算進(jìn)行校正，為實現(xiàn)界面能的定量評估提供了新思路與方法支撐。

本文在硅基底上通過磁控濺射制備的不同厚度（1.5 μm與1.9 μm）的鎢涂層，并進(jìn)行納米壓痕與劃痕測試。納米壓痕測試使用Berkovich壓頭，在50-400 mN的低載區(qū)間和100-1000 mN的高載區(qū)間分別進(jìn)行壓痕實驗，并設(shè)置了52、104和260 mN/s三種加載速率以研究應(yīng)變率的影響。納米劃痕測試同樣使用Berkovich壓頭，分別以“邊緣向前"與“面向前"兩種方向，在0–70 mN線性法向載荷下進(jìn)行劃痕實驗，劃痕長度設(shè)定為250 μm，時間為30秒。

圖1 不同厚度薄膜（左：1.5 µm，右：1.9 µm）的三種壓痕破壞階段SEM圖像：(a-b)塑性變形；(c-d)界面分離；(e-f)涂層碎裂

圖2 不同厚度薄膜（左：1.5 µm，右：1.9 µm）的壓痕力-位移曲線：(a-b)低載荷；(c-d)高載荷

圖3 不同厚度薄膜（上：1.5 µm，下：1.9 µm）不可逆功（Wirr）隨法向載荷的變化

通過掃描電鏡對壓痕形貌進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)鎢-硅薄膜在壓痕過程中呈現(xiàn)出典型的三階段破壞行為：初始階段為塑性變形與表面徑向裂紋的產(chǎn)生（圖1(a-b)）；隨著載荷增加，進(jìn)入界面剝離階段，形成環(huán)形鼓包（圖1(c-d)）；最終階段發(fā)生薄膜碎裂（圖1(e-f)）。對應(yīng)的載荷-位移曲線顯示，低載條件下曲線較為平滑，而高載條件下則出現(xiàn)明顯突變，對應(yīng)薄膜的碎裂過程（圖2）。為量化界面剝離能，研究采用Malzbender能量分析法，線性外推各階段的不可逆功（Wirr），將總Wirr分解為塑性功（Wp）、剝離功（Wd）與碎裂功（Wf）。然而，傳統(tǒng)線性外推法錯誤地假設(shè)塑性功隨載荷始終保持線性增長，忽略了壓痕深度增加時軟質(zhì)襯底的塑性變形貢獻(xiàn)。隨著壓入深度的增大，基底塑性耗散的能量被錯誤計入界面剝離功，導(dǎo)致剝離能被顯著高估。為避免該誤差，文章開展了界面不發(fā)生剝離的有限元模擬，對薄膜系統(tǒng)的塑性功進(jìn)行校正，有效排除了襯底變形的干擾（圖4）。除此之外，通過比較不同加載速率下納米壓痕測試結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)壓痕力-位移曲線與壓痕形貌基本保持一致，且剝離能測定結(jié)果差異較?。ū?）。

圖4 FEM（界面不分離）修正后第一、二階段的Wd

圖5 不同厚度薄膜（上：1.5 µm，下：1.9 µm）的納米劃痕測試結(jié)果：(a)表面形貌SEM圖像；(b)法向載荷與摩擦系數(shù)隨時間的變化

在納米劃痕測試中，涂層在達(dá)到臨界載荷時發(fā)生突然碎裂，并伴隨摩擦系數(shù)的突變（圖5）。研究采用Laugier模型將臨界載荷轉(zhuǎn)換為界面結(jié)合強度，并基于彈性力學(xué)中應(yīng)變能釋放率基本理論，計算剝離能。結(jié)果表明，劃痕測試所得到的剝離能受測試參數(shù)影響顯著：法向載荷與劃痕長度比值（dL/dx）升高會帶來臨界載荷的增大與剝離能的降低（表2）；“邊緣向前"的壓頭方向相較于“面向前"會測得更高的臨界載荷與剝離能（表3）。盡管劃痕法可用于不同樣品間的對比研究，但其結(jié)果因包含薄膜斷裂能量而普遍高于納米壓痕結(jié)果，且對測試條件極為敏感，因此在定量評估中存在一定局限。

表1 不同加載速率下納米壓痕測定剝離能的變化

表2 不同劃痕參數(shù)下納米劃痕測定剝離能的變化

表3 不同刮頭角度下納米劃痕測定剝離能的變化

綜合比較兩種方法，納米壓痕結(jié)合有限元校正能夠提供穩(wěn)定、定量的界面能數(shù)據(jù)，且對加載速率不敏感，表現(xiàn)出良好的可靠性；而納米劃痕雖能有效模擬實際摩擦工況，但因能量成分復(fù)雜、參數(shù)依賴性強，更適合作為定性或半定量的研究工具。在此基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步針對韌性透明涂層（如PC）開展研究，結(jié)合原位觀測與載荷曲線，區(qū)分界面剝離與涂層本體斷裂過程，以提高臨界載荷識別的準(zhǔn)確性，得到較為準(zhǔn)確的界面剝離能。