基于显微干涉术与AFM的薄膜力学性能表征方法及系统研究

摘要

近年来，薄膜/基底结构被广泛应用于微电子、生物、航天等领域，有效地实现了系统的微型化和信息化。然而膜/基结构在外载作用下易出现薄膜屈曲、断裂、脱粘等失效形式，从而影响到器件及系统的性能。因此，对膜/基结构的力学性能和界面性能的研究具有重要的意义。
　　本文将结合原子力显微镜悬臂梁探针的微纳力加载和显微干涉形貌测量，对膜/基结构的屈曲形貌、力学性能与界面性能展开研究。论文的主要工作如下:
　　1.设计并搭建了基于AFM的微纳力学测试系统，该系统主要包含了AFM微力加载模块和显微干涉模块，同步实现了微纳力加载与样品表面微结构的三维形貌测量。
　　2.为了提高后续薄膜力学特性测量和研究的准确性，本文基于弯曲法原位标定了两种型号超硬悬臂梁的弹性常数。
　　3.基于Linnik显微干涉结构和工作原理，本文利用五步相移算法、去包裹算法、图像处理算法等编程实现了微结构物体的相位计算及截断相位的恢复，并将其应用于薄膜屈曲的形貌测量及高度获取。
　　4.采用磁控溅射法在有机玻璃基底上沉积不同厚度的铜膜。利用光学显微镜观测薄膜在单轴力加载和卸载过程中表面直线型屈曲生成，而后转化为泡状屈曲的现象。结合显微干涉形貌测量和微悬臂梁探针的力加载，研究了薄膜表面泡状屈曲的形貌及其力学特性。
　　5.基于界面能量释放率的理论模型，利用原子力显微镜探针分别在薄膜脱粘区域和粘接良好区域进行力加载，通过分析两个区域等位移加载下的不同压痕响应，并对界面释放率进行了定量表征。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 薄膜的制备手段

1．2．1 物理方式镀膜

1．2．2 化学方式镀膜

1．3 薄膜的力学研究

1．3．1 薄膜屈曲形貌研究

1．3．2 界面粘接能研究进展

1．4 本文主要工作

第二章 薄膜力学特性测试方法与系统

2．1 基于纳米压痕技术的AFM力学测试

2．2 界面粘接能的表征及测量

2．3 基于弯曲法与显微干涉的界面性能测试

2．4 系统总体设计

2．4．1 AFM测头

2．4．2 超精密电磁补偿天平

2．4．3 显微干涉测量单元

第三章 AFM悬臂梁弹性常数标定

3．1 悬臂梁弹性系数标定技术

3．2 基于天平与光杠杆相结合的弹性系数标定方法

3．2．1 光杠杆灵敏度标定

3．2．2 悬臂梁弹性常数标定

3．2．3 标定结果

第四章 基于显微干涉的薄膜屈曲形貌测量

4．1 基于显微相移干涉术的形貌测量

4．1．1 显微相移干涉术的基本原理

4．1．2 时间相移干涉法

4．1．3 五步相移相位提取算法

4．1．4 表面形貌信息获取

4．2 相位展开技术

4．2．1 相位展开原理及方法

4．2．2 基于质量图导引的路径积分相位展开算法

4．2．3 两种质量图结合的新质量图展开方法

4．3 基于轮廓提取的屈曲脱粘面积计算

4．4 干涉系统校准

第五章 薄膜力学及界面粘接性能研究

5．1 屈曲形貌测量

5．1．1 薄膜制备

5．1．2 泡状屈曲形貌

5．2 泡状屈曲的刚度分析

5．2．1 400nm泡状屈曲的刚度测量

5．2．2 300nm泡状屈曲的刚度测量

5．3 薄膜界面性能的研究

第六章 工作总结与展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢