Embed Size (px)
Citation preview
42
第四章 實驗結果與討論
4-1 OES 設定值對試片外觀與薄膜微硬度值之影響
對於以反應氣體濺鍍 TiN 硬質薄膜而言，顏色的表徵具有指標性
的意義。當異色出現表示反應氣體的濃度不對，薄膜也較易剝落，與
基材附著性差，此時須調整 OES 的進氣的設定值。以初始參數為基
礎，從 60%的反應計量開始調變，即 OES 設定從 40%開始。
表 4-1 調整 OES(%)參數之製程表
靶面距基材：50 ~ 60 mm
圖 4-1 在不同的 OES%值所鍍試片之外觀顏色
階段任務 時 間 壓力(torr) 基材偏壓 靶電流值 OES(%) Ar N2 溫度
抽真空 30~40 min 3.0�10-6 － － － － － 80oC
離子轟擊清潔 15 min 4.5�10-4 400 V 0.3→1 A － ü － 100oC
鍍純鈦 5 min 4.5�10-4 120 V 0.9 A 100 % ü － 150oC
鍍 TiN 30 min 8.0�10-3 100 V 0.9 A 40% ü ü －鍍完破真空前
Nitrogen 之腔壓
10~20 min 1.0�10-1 － － － － ü －
(1) (2) (3) (4) (5)
Z
e
o
n
P
D
F
D
r
i
v
e
r
T
r
i
a
l
w
w
w
.
z
e
o
n
.
c
o
m
.
t
w
43
圖 4-2 反應氣體濃度 OES%為 62%時所鍍之試片(6)
OES(%)的調整依序分別為 40%，45%，70%，62%，55%。如圖
4-1 所示之編號 1，2，3，4，5 的試片對應。圖中 Ti 與反應氣體 N2
化合為濃度 60%，55%，30%，38%與 45%左右，顯示出顏色變化是
隨著反應氣體的濃度多寡由深褐變藍漸變至金黃。
以製程表中各項參數固定情形下，OES 為 62%再試鍍一次。本
次基材將只做簡易清洗(丙酮、酒精及去離子水超音波振盪 25min)，
主要是觀察所鍍出之顏色為何！其結果如圖 4-2 所示。將試片(5)、(6)
檢驗鍍層 TiN 之維克氏硬度值，分別在試片上選擇任五個點，以
100gf、20sec 之條件壓下，得如下表 4-2：
表 4-2 試片維氏硬度檢測
條件：負荷→100 gf 時間→20 sec
第一點 第二點 第三點 第四點 第五點 平均硬度值
試片(5) 1524 1499 1451 1428 1524 1485.2
試片(6) 1698 1524 1814 1524 1457 1604.4
當 OES(%)的設定在 60~62%時(即有 38~40%的 Ti 與氮氣化合)
會使維氏硬度值提升，去趨近 TiN 薄膜真硬度。而此維氏硬度的測試
隨所施力之大小其值亦會有所改變，若儀器解析度及觀察設備良好，
可施 50gf以下的力量會更佳。在此為避免觀測誤差故選擇施力 100gf。
(6)
Z
e
o
n
P
D
F
D
r
i
v
e
r
T
r
i
a
l
w
w
w
.
z
e
o
n
.
c
o
m
.
t
w
44
由表 4-2 比較所得出的硬度值較低於文獻 32.的 Hv=1900~2400，
此乃因基材比膜材軟所引致的基材效應。一般而言，薄膜的硬度極易
受基材的硬度所影響，尤其對於膜厚愈小的薄膜而言。對於膜材比基
材軟的情形，文獻研究表明[38,39]：當壓入深度小於膜厚時，薄膜的硬
度值維持一定值，不隨壓入深度而改變，因壓入深度小於膜厚時，塑
性變形被侷限在薄膜，壓入深度大於膜厚時，基材的塑性變形產生。
另一方面，對於膜比基材硬的情況，當壓入深度小於膜厚的 1/10，薄
膜的硬度值維持一定值，壓入深度加大時，薄膜硬度隨壓入深度增加
而變小。圖 4-3 為其上述之圖示說明。
(a)
(b)
圖 4-3 (a)膜材比基材為軟，(b)膜材比基材為硬 之說明圖示
Al 薄膜
Sapphire 基材塑性變形被侷限在薄膜區域
壓頭
W 薄膜
Al 基材
基材有塑
性變形
Z
e
o
n
P
D
F
D
r
i
v
e
r
T
r
i
a
l
w
w
w
.
z
e
o
n
.
c
o
m
.
t
w
Z
e
o
n
P
D
F
D
r
i
v
e
r
T
r
i
a
l
w
w
w
.
z
e
o
n
.
c
o
m
.
t
w
45
4-2 製程時間與鍍層厚度關係
由製程表中來調整時間變項檢測時間與鍍層厚度之關係，並且觀
察鍍層斷面輪廓形狀。表面輪廓儀探針是以由左至右的方向移動，掃
描長度 1000μm，掃描速度 100μm/sec，探針下探接觸力為 10.4mgf，
在此條件下分別得到製鍍時間 40min、20min、10min 三張 2D 的表面
輪廓斷面圖，圖 4-4、圖 4-5、圖 4-6。
由三張圖中可以發現在鍍層邊緣附近皆有一類似半導體製程中
階梯覆蓋(Step Coverage)的尖端效應問題。這是因為反應氣體與 Ti 形
成 TiN 沉積到基板時，若是真空度十分良好(平均自由徑長)，則動能
損失較少，粒子還有多餘的活動能力向左右橫向遷移，直至與先前已
形成之穩定核團(Cluster)進行吸附凝結，形成島狀結構，島狀結構經
擴散聚結形成薄膜，進而使薄膜成長時厚度較為均勻[40]。而本實驗中
腔體內製鍍 TiN 之工作壓力是在 10-3 torr，尚無達到較高的真空度，
故在靠近遮蓋基板之不銹鋼箔片處(即薄膜邊緣處)，沉積較多而形成
尖端。再觀其圖 4-5 與圖 4-6，因經過先前濺鍍 40min 製程之爐次，
腔體真空度受影響，尖端效應更為明顯。
表 4-3 為說明由製鍍 TiN 的時間與鍍層厚度關係，並得出本系統
之概略平均沉積速率約在 0.05μm/min 左右。圖 4-7 則是利用 SEM
更近距離地觀察膜層斷面厚度與狀態。
表 4-3 經 2D Surface profiler 鍍層厚度測量所得本機之沉積速率
爐次 第一爐 第二爐 第三爐
製鍍時間 40min 20min 10min
鍍層厚度 2.013μm 0.96μm (9600Å ) 0.555μm (5550Å )
沉積速率 0.05μm/m 0.048μm/m 0.055μm/m
Z
e
o
n
P
D
F
D
r
i
v
e
r
T
r
i
a
l
w
w
w
.
z
e
o
n
.
c
o
m
.
t
w
Z
e
o
n
P
D
F
D
r
i
v
e
r
T
r
i
a
l
w
w
w
.
z
e
o
n
.
c
o
m
.
t
w
46
表 4-4 鍍膜時間為 40min 之製程表
靶面距基材：50 ~ 60 mm
調整 固定
圖 4-4 濺鍍時間 40min 之鍍層斷面形狀與厚度
階段任務 時 間 壓力(torr) 基材偏壓 靶電流值 OES(%) Ar N2 溫度
抽真空 30~40 min 3.0�10-6 － － － － － 80oC
離子轟擊清潔 15 min 4.5�10-4 400 V 0.3→1 A － ü － 100oC
鍍純鈦 5 min 4.5�10-4 120 V 0.9 A 100 % ü － 150oC
鍍 TiN 40 min 8.0�10-3 100 V 0.9 A 62% ü ü －鍍完破真空前
Nitrogen 之腔壓
10~20 min 1.0�10-1 － － － － ü －
Z
e
o
n
P
D
F
D
r
i
v
e
r
T
r
i
a
l
w
w
w
.
z
e
o
n
.
c
o
m
.
t
w
Z
e
o
n
P
D
F
D
r
i
v
e
r
T
r
i
a
l
w
w
w
.
z
e
o
n
.
c
o
m
.
t
w
47
表 4-5 鍍膜時間為 20min 之製程表
靶面距基材：50 ~ 60 mm
圖 4-5 濺鍍時間 20min 之鍍層斷面形狀與厚度
階段任務 時 間 壓力(torr) 基材偏壓 靶電流值 OES(%) Ar N2 溫度
抽真空 30~40 min 3.0�10-6 － － － － － 80oC
離子轟擊清潔 15 min 4.5�10-4 400 V 0.3→1 A － ü － 100oC
鍍純鈦 5 min 4.5�10-4 120 V 0.9 A 100 % ü － 150oC
鍍 TiN 20 min 8.0�10-3 100 V 0.9 A 62% ü ü －鍍完破真空前
Nitrogen 之腔壓
10~20 min 1.0�10-1 － － － － ü －
Z
e
o
n
P
D
F
D
r
i
v
e
r
T
r
i
a
l
w
w
w
.
z
e
o
n
.
c
o
m
.
t
w
Z
e
o
n
P
D
F
D
r
i
v
e
r
T
r
i
a
l
w
w
w
.
z
e
o
n
.
c
o
m
.
t
w
48
表 4-6 鍍膜時間為 10min 之製程表
靶面距基材：50 ~ 60 mm
圖 4-6 濺鍍時間 10min 之鍍層斷面形狀與厚度
階段任務 時 間 壓力(torr) 基材偏壓 靶電流值 OES(%) Ar N2 溫度
抽真空 30~40 min 3.0�10-6 － － － － － 80oC
離子轟擊清潔 15 min 4.5�10-4 400 V 0.3→1 A － ü － 100oC
鍍純鈦 5 min 4.5�10-4 120 V 0.9 A 100 % ü － 150oC
鍍 TiN 10 min 8.0�10-3 100 V 0.9 A 62% ü ü －鍍完破真空前
Nitrogen 之腔壓
10~20 min 1.0�10-1 － － － － ü －
Z
e
o
n
P
D
F
D
r
i
v
e
r
T
r
i
a
l
w
w
w
.
z
e
o
n
.
c
o
m
.
t
w
Z
e
o
n
P
D
F
D
r
i
v
e
r
T
r
i
a
l
w
w
w
.
z
e
o
n
.
c
o
m
.
t
w
49
(a)濺鍍時間為 40min (b)濺鍍時間為 20min
(c)濺鍍時間 10min
圖 4-7 不同濺鍍時間下試片斷面 SEM 照片
2D 表面輪廓儀亦可在探針掃描之同時，量測該路徑上之表面粗
糙度 Ra 值。觀其圖 4-4 左上方處之 Ra 值為 4096.1 Å，約為 0.41μm。
但此粗糙度僅表示該處局部，吾人可藉由 3D 表面輪廓儀來更直觀、
更多點的檢視表面粗糙度與斷面形狀。圖 4-8 為濺鍍 40min 製程之爐
次的試片其三維表面輪廓圖。圖 4-8(a)右方，為探針掃描之後真實的
顯微鏡影像，利用軟體標定薄膜與基材交接處顏色(膜材為綠色，基
材為藍色)並選擇長寬2mm×1mm見方大小的區域(即如圖4-8(a)左方
所示)。而由掃描資料運算結果可得知此處鍍層厚度為 1.73μm。
圖 4-8(b)是由薄膜中(圖 4-8(a)左方綠色部分)任選之區域，此區域
Z
e
o
n
P
D
F
D
r
i
v
e
r
T
r
i
a
l
w
w
w
.
z
e
o
n
.
c
o
m
.
t
w
Z
e
o
n
P
D
F
D
r
i
v
e
r
T
r
i
a
l
w
w
w
.
z
e
o
n
.
c
o
m
.
t
w
50
為 80μm×40μm 大小見方，粗糙度為 40.6nm，再從此區域選擇 20
μm×20μm(圖 4-8(c))來觀其此處三維形貌(如圖 4-8(d)所示)。由 3D
立體的圖示，可具體而形象地來觀察。同理，圖 4-8(e)、(f)、(g) 亦
為顯示同一區域內某點的 3D 表面輪廓。此外，圖 4-8(h)、(i)、(j)為
另外任選區域的粗糙度之表示。由色階帶上標示的尺度觀察，皆在幾
十奈米左右。此表明了製鍍 40min 製程之爐次的試片，在濺鍍過程中
真空度的維持相對穩定，薄膜成長較為均勻。
(a)
Z
e
o
n
P
D
F
D
r
i
v
e
r
T
r
i
a
l
w
w
w
.
z
e
o
n
.
c
o
m
.
t
w
Z
e
o
n
P
D
F
D
r
i
v
e
r
T
r
i
a
l
w
w
w
.
z
e
o
n
.
c
o
m
.
t
w
51
(b)
(d)
(C)
Z
e
o
n
P
D
F
D
r
i
v
e
r
T
r
i
a
l
w
w
w
.
z
e
o
n
.
c
o
m
.
t
w
Z
e
o
n
P
D
F
D
r
i
v
e
r
T
r
i
a
l
w
w
w
.
z
e
o
n
.
c
o
m
.
t
w
52
(e)
(f)
(g)
Z
e
o
n
P
D
F
D
r
i
v
e
r
T
r
i
a
l
w
w
w
.
z
e
o
n
.
c
o
m
.
t
w
Z
e
o
n
P
D
F
D
r
i
v
e
r
T
r
i
a
l
w
w
w
.
z
e
o
n
.
c
o
m
.
t
w
53
(h)
(i)
(j)
圖 4-8 以 3D 表面輪廓儀量測多點之表面粗糙度
Z
e
o
n
P
D
F
D
r
i
v
e
r
T
r
i
a
l
w
w
w
.
z
e
o
n
.
c
o
m
.
t
w
Z
e
o
n
P
D
F
D
r
i
v
e
r
T
r
i
a
l
w
w
w
.
z
e
o
n
.
c
o
m
.
t
w
54
4-3 試片前處理對鍍層附著性的影響
以表 4-4 為固定之製程參數，改變某些前處理方式(指圖 3-6 藍色
虛線內框部分之處理)，在製鍍三爐試片(A)、 (B)、 (c)後檢測其不同
附著程度。圖 4-9 所示為試片(A)僅使用工業酒精(Ethyl Alcohol，甲
醇 C2H5OH)浸泡擦拭後即進爐製鍍之結果。以洛氏硬度試驗機之鑽石
圓錐在 150Kgf荷重、15sec 時間的條件下任取二點壓裂薄膜，再以光
學顯微鏡放大檢測壓痕情況；其中，中央白點部分為基材，圓形壓痕
顯示附近的膜破裂剝離情形嚴重，附著性不佳。
圖 4-10 則為將試片(B)置於丙酮(Acetone，(CH3)2CO )超音波振盪
25min，以 DI Water 清洗後，再浸於工業酒精繼續振盪 30min，DI Water
清洗後進爐製鍍。選取薄膜任三個點測試，由圖中發現附著性有得到
顯著改善，圓形壓痕附近裂紋成環形坍陷分佈而非徑向分佈(受剪)，
尤其第三點較位於薄膜中間，裂紋更少，顯示此處附著性甚佳。
圖 4-11 為將試片(C)完全依照圖 3-6 之前處理流程順序所得之結
果，而在試片置入腔體前亦已先空爐，作 15min 離子轟擊清潔靶材。
圖中顯示任選薄膜兩處壓下的圓形壓痕附近，裂紋已不易顯見，對於
高度強調硬質薄膜附著性之 SKH9 高速鋼刀具而言，這是理想的附著
情況。再以未經磨拋的同樣基材製鍍一次，圖 4-12 顯示依此前處理
程序其附著性相當理想。
圖 4-9 試片薄膜破裂剝離情形
Z
e
o
n
P
D
F
D
r
i
v
e
r
T
r
i
a
l
w
w
w
.
z
e
o
n
.
c
o
m
.
t
w
Z
e
o
n
P
D
F
D
r
i
v
e
r
T
r
i
a
l
w
w
w
.
z
e
o
n
.
c
o
m
.
t
w
55
(a) (b)
(c)
圖 4-10 壓痕附近裂紋較少且呈環形分佈情形
圖 4-11 薄膜附著性良好
(a) (b)
Z
e
o
n
P
D
F
D
r
i
v
e
r
T
r
i
a
l
w
w
w
.
z
e
o
n
.
c
o
m
.
t
w
Z
e
o
n
P
D
F
D
r
i
v
e
r
T
r
i
a
l
w
w
w
.
z
e
o
n
.
c
o
m
.
t
w
56
圖 4-12 在未經磨拋之表面鍍膜，因經圖 3-6 之前處理，附著性仍然
理想。
前述方式以薄膜之壓裂的情形檢測附著性，是較為定性的方法。
以刮傷試驗測出薄膜與基材在探針刮擦下，視其破裂瞬間之載荷(gf)
可以在有實際數據的情形下進行比對。設定刮傷試驗儀參數，其中最
大負荷值為 20gf(Full Scale Load)且為自動等速下壓負載(下降速度為
2μm/sec)，刮擦進給速度為 2μm/sec，掃描之餘弦幅度大小 50μm，
探針尖端半徑為 25μm。
在此條件下，將試片(A)選擇三處進行刮傷測試，圖 4-13(a)、(b)、
(c)顯示負荷在橫軸 3.0gf、1.0gf 與 1.4gf 的地方，薄膜即告破裂；圖
4-14(a)、(b)、(c)顯示試片(B)在負荷 11.7gf、8.1gf 與 10.2gf 的地方，
薄膜才破；圖 4-15(a)、(b)、(c)顯示試片(C)經圖 3-6 之前處理方式在
附著性上又更為理想，直至 12.4gf、10.8gf與 14.0gf的地方才破裂。
一般而言，我們只對膜層與基材間所能承受的最大附著力感興
趣，而試片(C)經維克氏硬度試驗後得 Hv 值約為 832，轉換成勃氏硬
度約為 739，代入式(3-2)，經計算得到附著力 F 約為 19.4kgf。儘管這
數值不算十分精確，但可以提供鍍膜者在製程中初步瞭解薄膜附著品
質的概略情形。
Z
e
o
n
P
D
F
D
r
i
v
e
r
T
r
i
a
l
w
w
w
.
z
e
o
n
.
c
o
m
.
t
w
Z
e
o
n
P
D
F
D
r
i
v
e
r
T
r
i
a
l
w
w
w
.
z
e
o
n
.
c
o
m
.
t
w
57
(a)
(b)
(c)
圖 4-13 試片(A)三處刮傷試驗之薄膜破裂載荷位置
Z
e
o
n
P
D
F
D
r
i
v
e
r
T
r
i
a
l
w
w
w
.
z
e
o
n
.
c
o
m
.
t
w
Z
e
o
n
P
D
F
D
r
i
v
e
r
T
r
i
a
l
w
w
w
.
z
e
o
n
.
c
o
m
.
t
w
58
(a)
(b)
(c)
圖 4-14 試片(B)三處刮傷試驗之薄膜破裂載荷位置
Z
e
o
n
P
D
F
D
r
i
v
e
r
T
r
i
a
l
w
w
w
.
z
e
o
n
.
c
o
m
.
t
w
Z
e
o
n
P
D
F
D
r
i
v
e
r
T
r
i
a
l
w
w
w
.
z
e
o
n
.
c
o
m
.
t
w
59
(a)
(b)
(c)
圖 4-15 試片(C)三處刮傷試驗之薄膜破裂載荷位置
Z
e
o
n
P
D
F
D
r
i
v
e
r
T
r
i
a
l
w
w
w
.
z
e
o
n
.
c
o
m
.
t
w
Z
e
o
n
P
D
F
D
r
i
v
e
r
T
r
i
a
l
w
w
w
.
z
e
o
n
.
c
o
m
.
t
w
60
另一種刮傷試驗則是使刮痕路徑走直線，持續自動加壓力(通常
TiN 薄膜設定下壓力量終值為不超過 100 N)，當刮穿膜層，探針一接
觸至基板時所偵測到的聲音響應發生改變，曲線斜率則有遽變，類似
如圖 4-13、4-14、4-15 所示一樣。在此我們將從 SEM 照片中更精確
地觀察到鍍層與基材開始剝離處之刮痕，以及完全刮穿薄膜的情形。
圖 4-16 所示。
(a)直線刮痕測試 SEM 圖示
(b)刮至基材部分 (c)鍍層初始破裂之處
圖 4-16 試片(C)之直線刮痕測試
由圖 4-16 可知，探針行經至 7.172mm 之處時，薄膜附著力已無
法抵抗壓頭刮擦薄膜的下壓力，開始剝離破碎，至此之後膜層逐漸脫
落直至 9.862mm 處已完全刮穿膜層，此時壓頭與基材的行為是為切
削。由於壓頭於 0 N 開始施力，以 100N/min 的加載速度，10mm/min
的行經速度，最終施力100N的條件下，可算出膜層附著力約在67N(即
圖 4-16(c)鍍層與基材開始破裂剝離處之力)。
10.706 mm
7.172mm
9.862mm
Z
e
o
n
P
D
F
D
r
i
v
e
r
T
r
i
a
l
w
w
w
.
z
e
o
n
.
c
o
m
.
t
w
Z
e
o
n
P
D
F
D
r
i
v
e
r
T
r
i
a
l
w
w
w
.
z
e
o
n
.
c
o
m
.
t
w
61
4-4 AFM 表面形貌觀察與奈米壓痕檢測
4-4-1 表面形貌之觀察
以原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope，AFM )檢測表面微區
之形貌，主要是瞭解某一微小區域在該製鍍條件下的表面粗糙度為
何，以利之後作奈米壓痕時，壓頭能選擇在該微區附近下針。由於此
台 AFM 操作模式為接觸式(Contact Mode)，在此模式下探針與樣品間
的作用力是排斥力，而排斥力對距離變化較敏感，故可得到原子級解
析度。但須注意的是量測時樣品是暴露在空氣中，而只要是在空氣中
樣品表面都會有一層水分子，會有毛細現象(Capillary Effect)的作用，
使探針與樣品間有很強的黏滯力，增加了取得高解析度影像的困難。
因此實驗室環境要求上須更為嚴格，建議溫度控制在 2261oC，濕度
在 4565%RH，即實驗室等級 Class 1000 為佳。
總結先前製程經驗，在圖 3-6(前處理流程)、表 4-4 的基礎上，調
整製鍍 TiN 階段時之溫度而得到表 4-7，如下所示。希望能嚴格控制
真空度的恆定及增加吸附粒子在基板的遷移能力；讓表面粗糙度維持
在不大於 10nm 或膜厚的 1/10；同時膜層與基材間的附著力佳，而膜
厚則控制在 2μm 左右，得到可以利用 AFM 檢測表面粗糙度和之後
作奈米壓痕量測的合適試片。
表 4-7 欲檢測 AFM 與奈米壓痕之試片之製程
靶面距基材：50 ~ 60 mm
階段任務 時 間 壓力(torr) 基材偏壓 靶電流值 OES(%) Ar N2 溫度
抽真空 30~40 min 3.0�10-6 － － － － － 80oC
離子轟擊清潔 15 min 4.5�10-4 400 V 0.3→1 A － ü － 100oC
鍍純鈦 5 min 4.5�10-4 120 V 0.9 A 100 % ü － 150oC
鍍 TiN 40 min 8.0�10-3 100 V 0.9 A 62% ü ü 120oC
鍍完破真空前
Nitrogen 之腔壓
10~20 min 1.0�10-1 － － － － ü －
Z
e
o
n
P
D
F
D
r
i
v
e
r
T
r
i
a
l
w
w
w
.
z
e
o
n
.
c
o
m
.
t
w
Z
e
o
n
P
D
F
D
r
i
v
e
r
T
r
i
a
l
w
w
w
.
z
e
o
n
.
c
o
m
.
t
w
62
(a) (b)
(c)
圖 4-17 依表 4-7 所製鍍的薄膜。在鍍層表面任選三個點，經 AFM 檢
測後其表面形貌圖。此三個微區之粗糙度分別為：(a)為
Ra=2.207nm，(b)為 Ra=6.427nm，(c)為 Ra=8.761nm
4-4-2 奈米壓痕測試
選擇量測力量各為 3000μN 與 6000μN，每一力量各壓五點求
取平均值，以避免樣品之區域效應。如下表 4-8 所示。而在實驗中所
加的荷重與時間的關係如下圖 4-18 所示，負載、卸載與施壓停留時
間皆為 5 sec。停留時間是為了消除在卸載過程中的 Creep Effect，一
般來說對大部分的材料而言，不會因停留時間的長短而造成影響，但
若對高分子材料來說 Creep Effect 尤其明顯。在壓痕測試後，可掃描
Z
e
o
n
P
D
F
D
r
i
v
e
r
T
r
i
a
l
w
w
w
.
z
e
o
n
.
c
o
m
.
t
w
Z
e
o
n
P
D
F
D
r
i
v
e
r
T
r
i
a
l
w
w
w
.
z
e
o
n
.
c
o
m
.
t
w
63
壓痕影像，且可以從荷重-深度曲線圖中算得硬度與楊氏係數。
表 4-8 奈米壓痕量測力量與所得性質數據
量測力量：3000μN
性質 1 2 3 4 5 平均
Er(Gpa) 235 249.2 251.3 276.6 241.3 250.68
Hardness(Gpa) 17.44 20.41 22.23 24.37 19.53 20.796
Contact Depth (nm) 49.8 43.4 40.2 36.9 45.1 43.08
Max depth (nm) 70.6 64.5 62.1 57.9 66.7 64.36
(μN)
Load
5 10 15
Time(sec)
圖 4-18 荷重-時間關係圖
量測力量：6000μN
性質 1 2 3 4 5 平均
Er(Gpa) 265.5 240.5 249 248.2 226.4 245.92
Hardness(Gpa) 26.72 21.48 25.02 24.4 22.44 24.012
Contact Depth (nm) 61.9 73.2 65.2 66.5 70.9 67.54
Max depth (nm) 94.1 104.9 98.5 99.1 105.0 100.32
Z
e
o
n
P
D
F
D
r
i
v
e
r
T
r
i
a
l
w
w
w
.
z
e
o
n
.
c
o
m
.
t
w
Z
e
o
n
P
D
F
D
r
i
v
e
r
T
r
i
a
l
w
w
w
.
z
e
o
n
.
c
o
m
.
t
w
64
由表 4-8 及圖 4-20、4-21、4-22 可得知：壓痕之總壓深度(Max.
Depth)大部分約控制在 100nm 以下，對量測薄膜的硬度與楊氏係數較
諸於用維氏硬度試驗精確不少，大大減少基材效應之影響，這可由圖
4-19 右邊立體圖觀察得知。壓痕附近三個角點有 Pile up 現象，此即
壓下硬膜軟基材試片的典型圖示，而非三角點坍陷下去。所得硬度分
別為 20.796GPa 與 24.012GPa，的確有達到 TiN 硬度值維氏 20GPa[41]
以上門檻之要求。
圖 4-19 尚未經壓痕測試之原始表面
圖 4-20 受力 3000μN 時所壓下之第二點
Z
e
o
n
P
D
F
D
r
i
v
e
r
T
r
i
a
l
w
w
w
.
z
e
o
n
.
c
o
m
.
t
w
Z
e
o
n
P
D
F
D
r
i
v
e
r
T
r
i
a
l
w
w
w
.
z
e
o
n
.
c
o
m
.
t
w
65
圖 4-21 受力 6000μN 時所壓下之第一點
圖 4-22 受力 6000μN 時所壓下之第二、四、五點
圖 4-22 顯示在 6000μN 荷重時所壓下的第二、四、五點。對於
實驗時的壓痕間隔而言，這是較不理想的。一般壓痕與壓痕之間的距
離應大於壓痕大小的 3~5 倍為宜，以避免應變硬化(Strain Hardening)
產生。而在圖 4-21 左邊有出現模糊雜訊干擾，此乃因奈米壓痕儀對
晃動敏感，若同時所壓區域表面粗糙度不佳，所得之壓痕力量與深度
會有些許誤差。
而在開始計算所鍍膜材的楊氏係數前，先說明本實驗所用軟體之
相關原理與概念。首先，對於許多簡單的壓痕器幾何形狀，負載-位
移之關係可以由指數定律(P=áhm)表示(所顯示之曲線如圖 4-24)。以負
載-位移壓痕實驗做為量測薄膜彈性模數(Young’s Modulus)的工具於
1970 年代初引起廣泛的研究興趣，Bulychev、Alekhin 和 Shorshorov
Z
e
o
n
P
D
F
D
r
i
v
e
r
T
r
i
a
l
w
w
w
.
z
e
o
n
.
c
o
m
.
t
w
Z
e
o
n
P
D
F
D
r
i
v
e
r
T
r
i
a
l
w
w
w
.
z
e
o
n
.
c
o
m
.
t
w
66
等人的工作獲得如圖 4-23(a)所示的壓痕負載-位移曲線[42]，其中
loading
Load
unloading
S
hf Displacement
hc hs
hmax
(a)
P
Indenter
hmax
(b)
圖 4-23 (a)負載-位移關係曲線 (b)壓痕側視圖
Pmax 為最大壓痕負載，hmax 為總壓深度，hf 為卸載後最後殘留壓痕深
度，hs 為接觸周邊表面的位移(其中 hmax=hc+hs)，S 為初始卸載剛性
(Initial Unloading Stiffness)；接著以下列方程式[43]來分析：
Pmax
Surface Profile after Load Removal
Surface Profile Under Loadhs hc
hfa
Initial Surface
Z
e
o
n
P
D
F
D
r
i
v
e
r
T
r
i
a
l
w
w
w
.
z
e
o
n
.
c
o
m
.
t
w
Z
e
o
n
P
D
F
D
r
i
v
e
r
T
r
i
a
l
w
w
w
.
z
e
o
n
.
c
o
m
.
t
w
67
… … … … … … … … … … … … … … … … … ..(4-1)
S=dP/dh 為卸載曲線上部實驗量測而得的剛性(Stiffness)，Er為變形模
數(Reduced Modulus)，A 為彈性接觸的投影面積(Projected Area of the
Elastic Contact)且 A = f(hc) = 24.5hc2 + C1hc
1 + C2hc1/2 + C3hc
1/4 +… … ..+
C8hc1/128，首項表示一完美的 Berkovich 壓頭，其餘項為描述尖端鈍化
導致與原來幾何形狀的偏差；另外，經由量測初始卸載剛性，並假設
接觸面積等於硬度壓痕光學量測的面積，便可推導出變形模數 Er；
又，當壓頭的彈性模數與蒲松氏比為已知且亦知樣品的蒲松氏比時，
可藉由(4-2)式[44]，計算出樣品的楊氏係數。
… … … … … … … … … … … … … … … … ..(4-2)
式中 E、v 與 Ei、vi分別為樣品(Specimen)與壓痕器(Indenter)的彈性模
數與蒲松氏比。
上述這些概念肇始於 1948 年 Tabor[45]首先提出由實驗偵測荷重
與位移方法來量測材料的機械性質；在此基礎上，1992 年 Oliver 與
Pharr 將式(4-1)應用於卸載的彈性變形，此即為本實驗軟體所使用分
析方法之理論基礎，目前已廣被採用於奈米壓痕技術之分析。
註 1：蒲松氏比 ，εx、εy、εz分別為 X、Y、Z
三個方向的應變，對大部分的材料而言 v=0.360.1，而本研究中的 TiN
試片蒲松氏比[46]為 0.25。
註 2：接觸周圍表面的位移，取決於壓頭的形狀，對 Berkovich 壓頭
而言，hs=0.75(Pmax / S)。
AEdhdPS rπ
2==
( ) ( )i
i
r Ev
Ev
E
22 111 −+
−=
−=
−≡
x
z
x
yvεε
εε
Z
e
o
n
P
D
F
D
r
i
v
e
r
T
r
i
a
l
w
w
w
.
z
e
o
n
.
c
o
m
.
t
w
Z
e
o
n
P
D
F
D
r
i
v
e
r
T
r
i
a
l
w
w
w
.
z
e
o
n
.
c
o
m
.
t
w
68
(a)第一點壓痕資料 (b)第二點壓痕資料
(c)第三點壓痕資料
(d)第四點壓痕資料 (e)第五點壓痕資料
圖 4-24 在施力 3000μN 下各點之負載－位移關係圖
Z
e
o
n
P
D
F
D
r
i
v
e
r
T
r
i
a
l
w
w
w
.
z
e
o
n
.
c
o
m
.
t
w
Z
e
o
n
P
D
F
D
r
i
v
e
r
T
r
i
a
l
w
w
w
.
z
e
o
n
.
c
o
m
.
t
w
69
(a)第一點壓痕資料 (b)第二點壓痕資料
(c)第三點壓痕資料
(d)第四點壓痕資料 (e)第五點壓痕資料
圖 4-25 在施力 6000μN 下各點之負載－位移關係圖
Z
e
o
n
P
D
F
D
r
i
v
e
r
T
r
i
a
l
w
w
w
.
z
e
o
n
.
c
o
m
.
t
w
Z
e
o
n
P
D
F
D
r
i
v
e
r
T
r
i
a
l
w
w
w
.
z
e
o
n
.
c
o
m
.
t
w
70
本實驗所用奈米壓痕儀之壓頭 Ei=1141GPa，vi=0.07；而 TiN 膜
材 v (Poisson’s Ratio)為 0.25，再代入式(4-2)求出其該點楊氏係數值，
最後算出在該施力下平均 E 值，如下表 4-9 所示。一般而言，薄膜厚
度在 2.1~4.0μm 時，其 Young’s Modulus 約在 260~350 GPa 左右[47]。
表 4-9 經由式(4-2)計算而得之不同施力下的楊氏係數值
施力為 3000μNEr (GPa) 第一點 235.0 第二點 249.2 第三點 251.3 第四點 276.6 第五點 241.3 平均值
E(TiN) 277.1GPa 298.5GPa 301.7GPa 341.8GPa 286.5GPa 301.1GPa
施力為 6000μNEr (GPa) 第一點 265.5 第二點 240.5 第三點 249.0 第四點 248.2 第五點 226.4 平均值
E(TiN) 323.9GPa 285.3GPa 290.2GPa 297.0GPa 264.5GPa 292.2GPa
經由奈米壓痕儀檢測顯示：依照圖 3-6 的前處理流程及表 4-7 的
製程條件，在壓頭量測力量為 3000μN 與 6000μN 情形下，樣品的
硬度值分別為 20.796GPa 與 24.012GPa，而楊氏係數為 301.1GPa 及
292.2GPa。
Z
e
o
n
P
D
F
D
r
i
v
e
r
T
r
i
a
l
w
w
w
.
z
e
o
n
.
c
o
m
.
t
w
Z
e
o
n
P
D
F
D
r
i
v
e
r
T
r
i
a
l
w
w
w
.
z
e
o
n
.
c
o
m
.
t
w
![[2016/01] 3. 儲值與購物車](https://img.pdfslide.tips/doc/110x75/589f906f1a28ab1b198b5423/201601-3-.jpg)
