[논문 리뷰] Is the second harmonic method applicable for thin films mechanical properties characterization by nanoindentation? Is the second harmonic method applicable for thin films mechanical properties characterization by nanoindentation?

Gaylord Guillonneau, Guillaume Kermouche외 4명|arXiv (Cornell University)|2015. 02. 02.

Metal and Thin Film Mechanics인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 나노인덴테이션을 통한 박막의 기계적 성질을 특성화하기 위해 제2고조파 방법(ShM)을 평가하며, 전통적인 방법들인 CSM가 실패하는 100 nm 이하의 깊이, 특히 두께가 500 nm 미만인 박막에서도 정확성을 입증한다. ShM은 직접적인 깊이 측정을 피하고 동적 반응 분석에 의존하며, 낮은 깊이에서는 AFM 및 FEM 시뮬레이션과 강한 일치를 보이며, 접촉 깊이 모델의 한계로 인해 높은 깊이에서는 차이가 발생한다.

ABSTRACT

The second harmonic method is a dynamic indentation technique independent of the direct indentation depth measurement. It can be used to determine near-surface mechanical properties of bulk materials more precisely than classical dynamic nano-indentation. In this paper, the second harmonic method is extended to the measurement of the mechanical properties of thin PMMA layers deposited onto silicon wafers. It is shown that this new technique gives precise results at small depths (less than 100nm), even for films with a thickness lower than 500nm, which was not possible to achieve with the classical CSM method. However, experimental and numerical results obtained both with classical nanoindentation and second harmonic methods differ at high indentation depth. Using FE simulations and AFM measurements, it is shown that the contact depth calculation with classical models can explain this difference.

연구 동기 및 목표

• 박막 폴리머의 기계적 성질을 측정하기 위한 제2고조파 방법(SHM)의 적용 가능성을 평가하는 것.
• 낮은 인덴테이션 깊이에서 SHM 결과를 전통적인 나노인덴테이션 및 CSM 방법과 비교하는 것.
• 높은 인덴테이션 깊이에서 전통적 모델과 실험 결과 간의 격리 원인을 조사하는 것.
• 유한요소법(FEM) 시뮬레이션과 원자력 현미경(AFM)을 이용한 SHM 성능 검증.
• 기존 방법이 실패하는 경우 근표면 기계적 성질을 신뢰성 있게 특성화할 수 있는가를 판단하는 것.

제안 방법

• PMMA 박막을 실리콘 웨이퍼에 증착한 후, 고조파 주파수 자극을 가진 동적 나노인덴테이션을 이용해 제2고조파 방법(SHM)을 적용한다.
• SHM은 하중-변위 신호의 제2고조파 반응에서 기계적 성질을 추출하며, 직접적인 깊이 측정을 피한다.
• 접촉 역학을 모델링하고 접촉 깊이 계산을 검증하기 위해 유한요소법(FEM) 시뮬레이션을 사용한다.
• 정확한 샘플 특성화를 위해 박막 두께와 표면 형상도를 측정하기 위해 원자력 현미경(AFM)을 활용한다.
• 동일한 조건에서 비교 분석을 위해 전통적인 나노인덴테이션 및 CSM 방법을 사용한다.
• 실험 데이터는 표준 접촉역학 모델을 사용해 탄성율과 경도를 추출하며, 박막 두께 영향을 고려한 보정을 가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 두께가 500 nm 이하인 박막의 기계적 성질을 제2고조파 방법이 정확하게 측정할 수 있는가?
• RQ2 낮은 인덴테이션 깊이(<100 nm)에서 SHM 성능이 전통적인 나노인덴테이션 및 CSM 방법과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ3 높은 인덴테이션 깊이에서 전통적 모델과 실험 결과 간 격리가 발생하는 원인은 무엇인가?
• RQ4 FEM 시뮬레이션과 AFM 측정 결과가 SHM 결과의 타당성을 어느 정도 지지하는가?
• RQ5 깊이 측정이 신뢰할 수 없을 경우, SHM이 근표면 기계적 특성 특성화에 실용적인 대안이 될 수 있는가?

주요 결과

• 제2고조파 방법은 인덴테이션 깊이가 100 nm 이하일 경우, 두께가 500 nm 미만인 박막에서도 정밀한 기계적 성질 측정을 가능하게 한다.
• 낮은 깊이에서 SHM 결과는 AFM 및 FEM 시뮬레이션과 강한 일치를 보이며, 근표면 특성화에 대한 신뢰성을 확인한다.
• 높은 깊이에서 전통적 모델과 실험 결과 간 격리는 접촉 깊이 계산의 부정확성 때문인 것으로 밝혀졌다.
• 전통적 모델은 침투 깊이를 과대평가하여, 특히 박막 두께가 작은 경우 탄성율과 경도 추출에 오차를 유발한다.
• 이 연구는 SHM이 직접적인 깊이 측정에 의존하지 않아 기존 방법보다 박막 응용에 더 견고함을 확인한다.
• FEM 시뮬레이션과 AFM 측정 결과는 SHM 결과를 검증하며, 모델 기반의 깊이 추정이 전통적 접근법에서 오류의 주요 원인임을 뒷받침한다.