行业应用 | 纳米划痕测试：揭秘芯片“不脱落”的秘密
2026-07-03 14:51:59, Anton Paar China 安东帕（上海）商贸有限公司
在半导体制造领域，芯片由许多层极薄的材料堆叠而成。微芯片的性能与可靠性高度依赖于各薄膜层与硅晶圆基板之间的附着力。一旦附着力不足，可能导致涂层过早分层，直接影响芯片功能甚至引发元件失效。那么，如何科学、高效地评估这种附着力呢？
纳米划痕测试技术是评估微芯片薄膜附着力最科学、最高效的核心手段。
01
什么是纳米划痕测试？
图1：安东帕 NST³ 是最适合半导体材料附着力测试的仪器
纳米划痕测试是一种通过在涂层表面施加逐渐增大的法向载荷，金刚石压头同时划过样品，并实时监测涂层失效过程中深度等信号的测试方法。它能够精确测定临界载荷——即涂层开始脱层或发生失效时的法向载荷。一般来说，临界载荷越高，附着力越强。
02
实验设计：三种常见钝化层的对比研究
本研究选用硅片上三种典型的钝化层进行测试：
样品 | 钝化层材料 | 厚度 (nm) | 压头半径 (μm) | 载荷范围 (mN) | 划痕长度 (μm) |
样品1 | SiO₂ | 400 | 2 | 1–20 | 500 |
样品2 | Si₃N₄ | 300 | 5 | 0.5–100 | 300 |
样品3 | Al₂O₃ | 500 | 2 | 0.3–75 | 500 |
所有测试使用安东帕 NST³ 纳米划痕仪和球形金刚石针尖完成。
03
关键发现：附着力差异显著
通过对每个样品进行三次渐进载荷划痕测试，研究人员确定了两个关键的临界载荷：
▶ Lc₁（第一临界载荷）：涂层本身首次出现变化（颜色变化、裂纹）。
▶ Lc₂（第二临界载荷）：涂层与基体开始分层，基底暴露。
图2：三个样品的划痕全景图，垂直线标示临界载荷位置
测试结果汇总
样品 | Lc₁ (mN) | Lc₂ (mN) |
样品1 (SiO₂) | 5.33 ± 0.55 | 17.28 ± 0.28 |
样品2 (Si₃N₄) | 43.56 ± 0.07 | 68.50 ± 0.98 |
样品3 (Al₂O₃) | 2.49 ± 0.32 | 23.70 ± 0.09 |
核心结论
✅ 样品2（Si₃N₄）附着力最佳——尽管厚度最薄（300 nm），但其 Lc₁ 值高达43.56 mN，远超其他两种涂层，且涂层本身开始变化的载荷大，表现出优异的抗划伤性。
❌ 样品3（Al₂O₃）附着力最小——几乎从划痕起始阶段涂层本身发生失效，对划伤极为敏感。
04
为什么这项技术如此重要？
图3：样品1的划痕深度信号，深度信号波动对应涂层开裂脱落，稳定段对应基底暴露
安东帕 NST³ 的一大独特优势在于其内置高质量光学显微镜，能够记录整个划痕轨迹的全景图像，并与所有测试信号（划痕深度、残留深度、摩擦力等）同步，实现快速、直观的失效识别。
对于半导体行业而言，这一技术在研发阶段尤为重要——帮助工程师在新沉积工艺开发过程中，精准控制钝化层与基底的附着力，从而提升微芯片的可靠性和使用寿命。
⏩纳米划痕测试不仅是评估钝化层附着力的高效工具，更是保障半导体器件品质的关键技术手段。
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