奈米壓痕儀技術與應用

S 值會隨薄膜中 sp

³

²

(3)G-band 的半高寬[66]：

G-band 的半高寬(FWHM，the full width at half maximum)與 D-band

對G-band 的強度比一致。而此參數使用在分析含氫的類鑽薄膜時，

十分地方便與正確。G-band 的半高寬會隨著薄膜的 sp

³

²

而增加。在拉曼分析薄膜時，所測得之拉曼光譜中D-band 的強度越 弱，膜的結構就越偏向鑽石化(sp

³

片。奈米壓痕技術是一項革命性的檢測科技，它藉由連續深度量測技 術(Depth Sensing Technique)去量測材料在微觀下的機械特性，奈米壓 痕系統可控制於很小的負載，而產生很小的壓痕，是非常適用於測量 奈米尺度下的材料。此外配合更進一步發展出的周邊檢測設備，可檢 測更多於奈米尺度下的機械性質圖2-14為壓痕機械性質測試範疇，壓 痕機械性質測試區分成:

(1) 巨觀尺度: 2N < F < 30KN (2) 微觀尺度: F < 2N ; h > 200 nm (3) 奈米尺度: h < 200 nm

F: 壓痕荷重; h: 壓痕深度

圖2-14 為壓痕機械性質測試範疇[89]

壓痕試驗可以說是測試材料機械性質最常見的方法，其基本作法 是用堅硬的探針以一定的力量壓入試片表面，當力量釋放及探針移去 後，會在試片表面形成壓痕，量測壓痕的面積，將壓痕力量除以壓痕

面積即一般所定義的硬度。目前有許多種奈米壓痕儀，圖2-15 和圖 圖2-16 為典型的奈米壓痕儀結構，圖 2-15 的結構是以電磁線圈驅動 探針對試片進行壓痕動作，探針壓痕的深度再由電容片記錄，圖2-16 為另一種結構，力量和位移由三片電容片產生和紀錄。奈米壓痕儀主 要的功能就是能精確的紀錄壓痕過程的力量和位移，且能有效克服外 在環境對壓痕的干擾。

圖2-15、圖 2-16 典型的奈米壓痕儀結構[89]

2.7.1 奈米壓痕量測原理與結構

奈米壓痕分析儀是目前科學研究領域中，少數可用來分析在奈米 尺度下，測試工作表面及微小結構機械性質之工具。與一般傳統微硬 度機不同的是，微硬度機只能量測硬度；而奈米壓痕分析儀不但能分 析硬度與獲得彈性係數，更重要的是它能即時的紀錄，並在量測的過

(unloading)的過程中，藉由偵測連續的負載與位移曲線設法得到試件 的硬度與楊氏係數。奈米壓痕與傳統壓痕試驗不同的是它並不是藉由 光學顯微鏡量測壓痕面積，而是利用壓痕的深度來推算面積，進而求 得硬度。而楊氏係數可由unloading curve 的斜率來求得。

在鑽石壓痕器的施加負載過程，當壓入試片的深度會隨著負載力 量的增加而增加，同時造成試片表面的變形，則在卸除負載過程，鑽 石壓痕器離開試片表面，並在試片表面留下凹痕，但材料會因彈性變 形逐漸恢復，導致壓痕深度也隨之變小。藉由壓痕頭壓印薄膜，利用 壓痕的深度與所對應的負載變化量關係來量測薄膜之機械性質。如圖 2-18 所示，為奈米壓痕實驗之壓痕器及試片剖面情況。

圖2-17 奈米壓痕實驗之負載及位移曲線圖[89]

圖 2-18 奈米壓痕實驗之壓痕器及試片剖面圖[89]

奈米壓痕儀主要組成的架構如圖2-19 所示，其架構包括掃瞄式 探針顯微鏡(SPM)的控制器、電腦與螢幕，顯微器系統中的 3-D 壓電 趨動器(3-D Piezo Actuator)、轉換器(Transducer)與控制單位，並包含 分析與顯示系統。