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CN115274478B - 硬质磨料与衬底在纳米尺度下的界面化学反应的实现装置及其实现方法 - Google Patents

硬质磨料与衬底在纳米尺度下的界面化学反应的实现装置及其实现方法 Download PDF

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CN115274478B CN202210784511.1A CN202210784511A CN115274478B CN 115274478 B CN115274478 B CN 115274478B CN 202210784511 A CN202210784511 A CN 202210784511A CN 115274478 B CN115274478 B CN 115274478B
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Abstract

本发明公开了一种硬质磨料与衬底在纳米尺度下的界面化学反应的实现装置及其实现方法，包括液气模块、控温模块和主轴模块，液气模块用于在液气箱内存在不同的液气介质，控温模块包括加热装置和降温装置，主轴模块包括带有压力控制的标准纳米划痕装置、光学镜头、转换盘和运动装置，光学镜头用于寻找衬底上的划擦位置，标准纳米划痕装置用于在衬底上施加不同的载荷并划擦，转换盘用于将光学镜头与纳米划痕压头进行切换，控温模块用于控制不同的温度，实现在不同的温度、液气介质和/或载荷条件下纳米划痕压头在衬底表面低速划擦，有助于观察在不同介质作用下硬质磨料与衬底之间纳米尺度的界面化学反应，在半导体超精密加工领域具有良好的应用前景。

Description

硬质磨料与衬底在纳米尺度下的界面化学反应的实现装置及 其实现方法
技术领域
本发明涉及半导体晶圆的超精密加工领域，特别是一种硬质磨料与衬底在纳米尺度下的界面化学反应的实现装置及其实现方法。
背景技术
第三代半导体材料由于具有宽禁带、高击穿电场、高热导率、高饱和电子迁移率以及更小的体积等特点，在高温、高频、大功率、光电子以及抗辐射器件等方面具有巨大的应用潜力，所以新型半导体材料也迅速运用到5G通讯、新能源汽车、智能电网等新兴产业，其中以碳化硅、氮化镓便是新型半导体材料的代表。
然而，新型半导体材料硬度极高，具有十分稳定的化学性质，且整体表现出较大的硬脆性，导致半导体晶片超精密加工上难度极大。传统加工工艺加工新型半导体材料表面质量差、效率低、成本高，而且传统工艺中所使用的化学试剂也会对环境产生较大的污染，为了提高加工效率，提升晶片表面质量，减小环境污染，必须要深入分析纳米磨粒与晶圆的界面作用过程，有助于掌握新型半导体晶圆的磨粒抛光去除机理，进而实现新型半导体晶圆的高效绿色超精密无损伤加工。
由于硬脆材料的硬度高、脆性大、化学稳定等特点，导致加工表面易损伤、界面反应难，通过研究磨粒与晶圆的界面反应作用过程来突破加工瓶颈。现有的文献检索发现，目前界面反应作用的研究主要针对在材料的宏观层面，例如专利：“磨料与晶圆衬底摩擦化学反应的实现装置(CN214923387U)”提出一种高速和润滑介质下磨粒与晶圆衬底摩擦化学反应的实现装置，虽然通过划擦速度、润滑状态、载荷来揭示了接近加工过程中硬质磨料和晶圆的界面作用关系，但该装置无法研究低速下纳米尺度下的界面化学作用关系。“一种真空高温往复式摩擦磨损测试系统(CN112945844A)”提出一种真空高温往复式摩擦磨损测试仪，虽然通过真空高温环境重载测试出材料的摩擦学性能，但具有一定的限制性，无法实际模拟材料在各种介质下的作用，以及无法精确研究纳米尺度的化学反应作用。也有一些针对于材料的微观层面，比如“一种微纳米划痕仪及其应用方法(CN106840929A)”提出一种可观察微纳米划痕仪器，虽然能精确研究材料纳米尺度性能，但无法研究不同液气介质下的界面作用。现有研究手段中使用纳米压痕划痕仪上来探究纳米尺度界面作用，由于缺少足够的加工对应的条件，如不同温度下的不同液体介质和气体介质条件，很难达到研究其纳米尺度下的界面作用的效果。
发明内容
针对目前难以探究衬底材料在极低速下的纳米尺度的界面化学反应和探究衬底材料在不同环境下(温度、液相、气相相互综合)所表现性质等问题，本申请的实施例提出了一种硬质磨料与衬底在纳米尺度下的界面化学反应的实现装置及其实现方法来解决以上的问题。
为了实现以上目的，本发明的技术方案为：
一种硬质磨料与衬底在纳米尺度下的界面化学反应的实现装置，包括液气模块、控温模块和主轴模块，液气模块包括液气箱、密封盖、进气口、出气口、进水口和出水口，密封盖设置在液气箱上并与液气箱密封连接，液气箱内设有样品台，进气口、出气口、进水口和出水口与液气箱连接使得在液气箱内存在不同的液气介质，控温模块包括加热装置和降温装置，加热装置与样品台连接，降温装置与加热装置和样品台连接，主轴模块包括带有压力控制的标准纳米划痕装置、光学镜头、转换盘和运动装置，运动装置包括XY轴运动装置和Z轴运动装置，Z轴运动装置与密封盖相连接，XY轴运动装置与Z轴运动装置连接，标准纳米划痕装置和光学镜头安装在转换盘上，标准纳米划痕装置上设有纳米划痕压头，转换盘固定在XY轴运动装置的下端，实现纳米划痕压头和光学镜头在XYZ方向上的移动，衬底固定在样品台上，光学镜头用于寻找衬底上的划擦位置，标准纳米划痕装置用于在衬底上施加不同的载荷并进行划擦，转换盘用于将光学镜头与纳米划痕压头进行切换，控温模块用于控制不同的温度，实现在不同的温度、液气介质和/或载荷条件下纳米划痕压头在衬底表面低速划擦。
作为优选，液气模块还包括密封垫圈、固定环，密封垫圈设置在密封盖和液气箱之间以及样品台与液气箱之间，固定环以六角螺丝固定在密封盖上。
作为优选，液气箱为长方体形状的密闭容器，长度为120mm，宽度为100mm，高度为110mm，材料为不锈钢。
作为优选，样品台通过螺纹密封连接在液气箱内，衬底采用热熔胶黏贴在样品台上。
作为优选，进气口和出气口设置在进水口和出水口的上方，进气口上外接进气管，可通入气体介质，进水口上外接进水管，可通入液体介质，出气口上外接出气管，用于抽取气体，出水口外接出水管，用于排出废液。
作为优选，液气介质中的液体介质为弱酸性、弱碱性或中性介质，PH为5-9，气体介质为空气、氧气和二氧化碳。
作为优选，加热装置可对样品台进行加热，加热温度为40-80℃，降温装置采用液冷的方式对加热装置和样品台进行降温。
作为优选，标准纳米划痕装置固定在转换盘下并施加载荷，载荷控制精度在0.1mN，范围在0.1mN-500mN，加载后纳米划痕压头通过XY轴运动装置在恒定方向以1-100μm/s的划擦速度在衬底上形成划擦。
作为优选，纳米划痕压头为硬质磨料，纳米划痕压头的曲率为1-50μm，硬质磨料包括金刚石、氧化铝、立方氮化硼或碳化硼，衬底为硬脆材料，衬底包括金刚石、氮化镓、氧化镓、蓝宝石或碳化硅。
一种根据上述的硬质磨料与衬底在纳米尺度下的界面化学反应的实现装置的实现方法，包括以下步骤：
1)将黏贴有衬底的样品台通过螺纹连接固定于液气箱内，将密封垫圈固定在样品台和液气箱之间；
2)将主轴模块固定在密封盖上，将密封盖通过螺纹固定在液气箱上，将密封垫圈固定在密封盖和液气箱之间，固定环以六角螺丝固定在密封盖上；
3)使用光学镜头寻找衬底上的划擦位置，在划擦位置设定一定的载荷、速度、真空度、气体介质、液体介质和温度，通过转换盘将光学镜头转换为纳米划痕压头，将纳米划痕压头在衬底表面进行划擦；
4)将密封盖打开，取出样品台，将划擦后的衬底放置于X射线光电子能谱仪上，观察划擦衬底的表面状态，以及对衬底表面划痕处的化学成分进行检测。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明通过加热装置在不同液气介质环境下硬质磨料压头与衬底的纳米划擦实验，有效弥补了现有的纳米划痕仪的缺点，通过将加温、液体、气体相结合，还原了加工过程中的温度和液/气介质条件，与实际加工条件相契合，有助于揭示在纳米尺度下硬质磨料与衬底之间界面化学反应的作用机制，再通过X射线光电子能谱仪对样品表面的划痕区域进行化学成分检测，从而确定硬质磨粒与衬底的纳米尺度下界面化学反应机理。该实现装置简单、操作方便，有效弥补了现有的纳米划痕仪的缺点，通过将加温、液体、气体相结合，与实际加工条件相契合，有助于揭示在不同介质辅助作用下硬质磨料与衬底之间纳米尺度下界面化学反应的作用机制，在半导体晶圆衬底的高效超精密加工领域具有良好的应用前景。
附图说明
包括附图以提供对实施例的进一步理解并且附图被并入本说明书中并且构成本说明书的一部分。附图图示了实施例并且与描述一起用于解释本发明的原理。将容易认识到其它实施例和实施例的很多预期优点，因为通过引用以下详细描述，它们变得被更好地理解。附图的元件不一定是相互按照比例的。同样的附图标记指代对应的类似部件。
图1为本申请的实施例的硬质磨料与衬底在纳米尺度下的界面化学反应的实现装置的剖面图；
图2为本申请的实施例的硬质磨料与衬底在纳米尺度下的界面化学反应的实现装置的俯视图；
图3为本申请的实施例的硬质磨料与衬底在纳米尺度下的界面化学反应的实现装置的爆炸图；
图4为本申请的实施例的硬质磨料与衬底在纳米尺度下的界面化学反应的实现装置的立体图；
图5为本申请的实施例的硬质磨料与衬底在纳米尺度下的界面化学反应的实现装置的纳米划痕压头的示意图和实物图，其中图(a)为示意图，图(b)为实物图；
图6为本申请的实施例的硬质磨料与衬底在纳米尺度下的界面化学反应的实现装置的纳米划痕压头在衬底表面的划擦示意图；
图7为本申请的实施例的硬质磨料与衬底在纳米尺度下的界面化学反应的实现装置的纳米划痕压头在碳化硅衬底表面的划擦检测结果一；
图8为本申请的实施例的硬质磨料与衬底在纳米尺度下的界面化学反应的实现装置的纳米划痕压头在碳化硅衬底表面的划擦检测结果一。
附图标记：1、六角螺丝；2、固定环；3、六角螺母；4、第一密封垫圈；5、密封盖；6、Z轴运动装置；7、XY运动装置外壳；8、X轴运动装置；9、Y轴运动装置；10、主轴杆；11、轴承；12、转换盘；13、第二密封垫圈；14、样品台；15、冷凝进水管；16、加热装置；17、降温装置；18、控温装置盖板；19、六角螺丝螺栓；20、耐热管；23、液气箱；21、进气管；24、出气管；22、进水管；25、出水管；26、冷凝出水管。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
参考图1-4，本发明的实施例中提出了一种硬质磨料与衬底在纳米尺度下的界面化学反应的实现装置，包括液气模块、控温模块和主轴模块，液气模块包括液气箱23、密封盖5、进气口、出气口、进水口和出水口，密封盖5设置在液气箱23上并与液气箱23密封连接，液气箱23设有内样品台14，进气口、出气口、进水口和出水口与液气箱23连接使得在液气箱23内存在不同的液气介质，控温模块包括加热装置16和降温装置17，加热装置16与样品台14连接，降温装置17与加热装置16和样品台14连接，主轴模块包括带有压力控制的标准纳米划痕装置、光学镜头、转换盘12和运动装置，运动装置包括XY轴运动装置和Z轴运动装置6，XY轴运动装置包括X轴运动装置8和Y轴运动装置9，X轴运动装置8和Y轴运动装置9连接并与Z轴运动装置6连接，实现标准纳米划痕装置和光学镜头在XYZ方向上一定范围内的移动。Z轴运动装置6与密封盖5相连接，标准纳米划痕装置和光学镜头安装在转换盘12上，标准纳米划痕装置上设有纳米划痕压头，转换盘12固定在XY轴运动装置的下端，实现纳米划痕压头和光学镜头在XYZ方向上的移动，衬底固定在样品台14上，光学镜头用于寻找衬底上的划擦位置，标准纳米划痕装置用于在衬底上施加不同的载荷并进行划擦，转换盘12用于将光学镜头与纳米划痕压头进行切换，控温模块用于控制不同的温度，实现在不同的温度、液气介质和/或载荷条件下纳米划痕压头在衬底表面低速划擦。通过调控不同温度、液气介质、载荷实现硬质磨料低速划擦硬脆材料的衬底表面，再将划擦后的衬底取出，放在X射线光电子能谱仪上，观察衬底表面划痕处的化学态变化。
在具体的实施例中，液气模块还包括密封垫圈、固定环2，密封垫圈设置在密封盖5和液气箱23之间以及样品台14与液气箱23之间，确保液气箱23的密封性。密封垫圈材质为碳纤维填充的聚四氟乙烯。固定环2以六角螺丝1固定在密封盖5上。液气箱23为长方体形状的密闭容器，长度为120mm，宽度为100mm，高度为110mm，材料为不锈钢，可以将标准纳米划痕装置及样品台14密封在普通液气环境或真空液气环境。
在具体的实施例中，样品台14通过螺纹密封连接在液气箱23内，衬底采用热熔胶黏贴在样品台14上。加热装置16可对样品台14进行加热，加热装置16采用激光加温模块，加热温度为40-80℃，降温装置17采用液冷的方式对加热装置16和样品台14进行降温。激光加温外设降温装置17，降温装置17外接进冷凝出水管26，以去离子水为冷却液，冷凝进水管15通入去离子水，出水管25排出去离子水，形成冷凝水回流，实现降温。
在具体的实施例中，进气口和出气口设置在进水口和出水口的上方，进气口上外接进气管21，可通入气体介质，进水口上外接进水管22，可通入液体介质，出气口上外接出气管24，用于抽取气体，出水口外接出水管25，用于排出废液。参考图5和图6，液气介质中的液体介质为弱酸性、弱碱性或中性介质，PH为5-9，气体介质为空气、氧气和二氧化碳。也可以设置一定的真空度，如设定的真空度为10-3Pa，精度±10-5Pa。因此可以提供不同的液气介质，使得纳米划痕压头在不同的液气介质下进行划擦。
在具体的实施例中，纳米划痕压头固定在带有压力传感的标准纳米划痕装置上，该标准纳米划痕装置能将载荷控制精度在0.1mN，范围在0.1mN-500mN，加载后纳米划痕压头通过XY轴运动装置9在恒定方向以一定速度在衬底上形成划擦。具体的，纳米划痕压头为硬质磨料，纳米划痕压头的曲率为1-50μm，硬质磨料包括金刚石、氧化铝、立方氮化硼或碳化硼。施加在纳米划痕压头的载荷为0.1-500mN，划擦速度为1-100μm/s。衬底为硬脆材料，衬底包括金刚石、氮化镓、氧化镓、蓝宝石或碳化硅。衬底可为不规则形状，固定圆形尺寸在5-30mm。X射线光电子能谱仪品牌为：PHI Quantera II，是可用结合能的信息表征不同元素信息的装置，可以实现划痕处的变质层的化学态检测。
本申请的实施例的硬质磨料与衬底在纳米尺度下的界面化学反应的实现装置的安装流程如下：
首先将轴承11安装在转换盘12内，将主轴杆10安装在转换盘12上，将X轴运动装置8、Y轴运动装置9、XY运动装置外壳7安装在主轴杆10上，将Z轴运动装置6安装在XY运动装置外壳7上，将密封盖5安装在Z轴运动装置6上。
先将第二密封垫圈13放于样品台14凹槽内，将样品台14通过螺栓密封连接固定在液气箱23上，样品台14上采用热溶胶黏贴衬底；将加热装置16固定于样品台14下，将降温装置17连接在加热装置16上，将冷凝进水管15、冷凝出水管26连接在降温装置17上，将耐热管20连接于加热装置16，将控温装置盖板18通过六角螺丝螺栓19连接固定在液气箱23。
将密封盖5安装在液气箱23上，将第一密封垫圈4放于密封盖5凹槽内，将固定环2通过六角螺丝螺栓19连接液气箱23，将六角螺母3固定于六角螺丝1下，再将进气管21、出气管24安装在液气箱23上，将进水管22、出水管25安装在液气箱23上；安装好主轴模块、控温模块、液气模块后，将纳米划痕压头和光学镜头固定在转换盘12上。
本申请的实施例还提出了一种根据上述的硬质磨料与衬底在纳米尺度下的界面化学反应的实现装置的实现方法，包括以下步骤：
1)将黏贴有衬底的样品台14通过螺纹连接固定于液气箱23内，将密封垫圈固定在样品台14和液气箱23之间；
2)将主轴模块固定在密封盖5上，将密封盖5通过螺纹固定在液气箱23上，将密封垫圈固定在密封盖5和液气箱23之间，固定环2以六角螺丝1固定在密封盖5上；
3)使用光学镜头寻找衬底上的划擦位置，在划擦位置设定一定的载荷、速度、真空度、气体介质、液体介质和温度，通过转换盘12将光学镜头转换为纳米划痕压头，将纳米划痕压头在衬底表面进行划擦；
4)将密封盖5打开，取出样品台14，将划擦后的衬底放置于X射线光电子能谱仪上，观察划擦衬底的表面状态，以及对衬底表面划痕处的化学成分进行检测。
下面通过具体的实施例进一步解释本发明的技术方案。
实施例1
(1)首先准备一组10mm×10mm的单晶碳化硅样品，样品装载入该实现装置中，通过光学镜头观察样品，设置五组划擦位置，其划擦参数都将纳米划痕压头施加载荷设为45mN，纳米划痕压头的速度设为1μm/s，选择去离子水为润滑液，PH＝7，设置通入空气；接通样品台上的控温装置，第一组将样品台设置为35℃，第二组将样品台设置为40℃，第三组将样品台设置为60℃，第四组将样品台设置为80℃，第五组将样品台设置为85℃，控温精度±0.5℃，划擦参数设置完毕后，转换盘将纳米划痕压头转向样品，力传感器自动进行接触划擦位置，压力达到设定值系统开始运转。按照设定好的参数完成实验后，取出样品。
(2)将步骤(1)所获得的五组划擦划痕，使用X射线光电子能谱仪对碳化硅表面的划痕区域进行化学成分检测，第一、五组划擦结果如图7所示。将XPS精细谱图进行分峰，在图7的Si2p分峰图中有两处出峰，其中100.3eV处对应碳化硅的出峰位置，101.6eV对应Si-N的出峰位置。而第二、三、四组划擦结果如图8所示，在图8的Si2p分峰图中有三处出峰，其中100.2eV处对应碳化硅的出峰位置，101.5eV对应Si-N的出峰位置，102.7eV处对应于二氧化硅的出峰位置。低于40℃时，单晶碳化硅不发生反应，而在40℃和80℃之间，去离子水通过机械力诱导单晶碳化硅进行界面化学反应，当高于80℃时，去离子水容易汽化形成水蒸气，无法进行反应。说明金刚石磨料与碳化硅晶圆在有去离子水作润滑液的情况、温度在40℃与80℃之间、处于空气环境发生下由机械力诱导的界面化学反应，单晶碳化硅受力发生非晶化转变，然后非晶化的碳化硅和高温水分子发生界面化学反应，生成非晶化的氧化硅。
实施例2
(1)首先准备一组10mm×10mm的单晶碳化硅样品，样品装载入该实现装置中，通过光学镜头观察样品，设置三组划擦位置，其划擦参数都将纳米划痕压头施加载荷设为45mN，纳米划痕压头的速度设为1μm/s，第一组选择HCl溶液为润滑液，PH＝5；第二组选择H2O2溶液为润滑液，PH＝9；第三组选择去离子水为润滑液，PH＝7；设置通入空气，接通样品台上的控温装置，第一、二、三组将样品台设置为25℃，控温精度±0.5℃。划擦参数设置完毕后，转换盘将纳米划痕压头转向样品，力传感器自动进行接触划擦位置，压力达到设定值系统开始运转。按照设定好的参数完成实验后，取出样品。
(2)将步骤(1)所获得的三组划擦划痕，使用X射线光电子能谱仪对碳化硅表面的划痕区域进行化学成分检测，第三组划擦结果都如图7所示，将XPS精细谱图进行分峰，在图7的Si2p分峰图中有两处出峰，其中100.3eV处对应碳化硅的出峰位置，101.6eV对应Si-N的出峰位置。第一组和第二组的划擦结果如图8所示，在图8的Si2p分峰图中有三处出峰，其中100.2eV处对应碳化硅的出峰位置，101.5eV对应Si-N的出峰位置，102.7eV处对应于二氧化硅的出峰位置。在25℃下，去离子水不能与单晶碳化硅进行反应，而HCl溶液和H2O2溶液下明显单晶碳化硅反应生成了二氧化硅。说明金刚石磨料与碳化硅晶圆在弱酸或弱碱介质作用下的情况下，温度为25℃下、处于空气环境下发生下界面化学反应。单晶碳化硅受力后进行了非晶化转变，然后处于弱酸介质下非晶化的碳化硅与25℃下的HCl溶液中的H+和H2O发生界面化学反应，生成非晶化的氧化硅，而处于弱碱介质下非晶化的碳化硅与H2O2溶液中的OH-和O2发生化学反应，生成非晶化的氧化硅。
实施例3
(1)首先准备一组10mm×10mm的单晶碳化硅样品，样品装载入该实现装置中，通过光学镜头观察样品，设置三组划擦位置，其划擦参数都将纳米划痕压头施加载荷设为45mN，压头速度设为1μm/s，未加入冷却液，第一组设置真空度为10-3Pa，精度±10-5Pa，再通入二氧化碳，保持该实现装置内外压强一致；第二组设置真空度为10-3Pa，精度±10-5Pa，再通入氧气，保持该实现装置内外压强一致；第三组设置通入空气。接通样品台上的控温装置，第一、二、三组将样品台设置为25℃，控温精度±0.5℃。划擦参数设置完毕后，转换盘将纳米划痕压头转向样品，力传感器自动进行接触划擦位置，压力达到设定值系统开始运转。按照设定好的参数完成实验后，取出样品。
(2)将步骤(1)所获得的三组划擦划痕，使用X射线光电子能谱仪对碳化硅表面的划痕区域进行化学成分检测，第一、三组划擦结果如图7所示。将XPS精细谱图进行分峰，在图7的Si2p分峰图中有两处出峰，其中100.3eV处对应碳化硅的出峰位置，101.6eV对应Si-N的出峰位置。而第二组划擦结果如图8所示，在图8的Si2p分峰图中有三处出峰，其中100.2eV处对应碳化硅的出峰位置，101.5eV对应Si-N的出峰位置，102.7eV处对应于二氧化硅的出峰位置。在25℃下，在二氧化碳或空气介质作用下单晶碳化硅受力未发生反应，在氧气作用下单晶碳化硅受力发生反应。说明金刚石磨料与碳化硅晶圆在可在无液体介质的情况、温度为25℃下、处于氧气的环境发生由机械力诱导的界面化学反应，单晶碳化硅受力发生非晶化转变，然后非晶化的碳化硅和氧气发生化学反应，生成非晶化的氧化硅。
以上描述了本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。措词‘包括’并不排除在权利要求未列出的元件或步骤的存在。元件前面的措词“一”或“一个”并不排除多个这样的元件的存在。在相互不同从属权利要求中记载某些措施的简单事实不表明这些措施的组合不能被用于改进。在权利要求中的任何参考符号不应当被解释为限制范围。

Claims (8)

1.一种硬质磨料与衬底在纳米尺度下的界面化学反应的实现装置，其特征在于，包括液气模块、控温模块和主轴模块，所述液气模块包括液气箱、密封盖、进气口、出气口、进水口和出水口，所述密封盖设置在所述液气箱上并与所述液气箱密封连接，所述液气箱内设有样品台，所述进气口、出气口、进水口和出水口与所述液气箱连接使得在所述液气箱内存在不同的液气介质，所述控温模块包括加热装置和降温装置，所述加热装置与所述样品台连接，所述降温装置与所述加热装置和所述样品台连接，所述主轴模块包括带有压力控制的标准纳米划痕装置、光学镜头、转换盘和运动装置，所述运动装置包括XY轴运动装置和Z轴运动装置，所述Z轴运动装置与所述密封盖相连接，所述XY轴运动装置与所述Z轴运动装置连接，所述标准纳米划痕装置和光学镜头安装在所述转换盘上，所述标准纳米划痕装置上设有纳米划痕压头，所述转换盘固定在所述XY轴运动装置的下端，实现纳米划痕压头和光学镜头在XYZ方向上的移动，衬底固定在所述样品台上，所述光学镜头用于寻找所述衬底上的划擦位置，所述标准纳米划痕装置用于在所述衬底上施加不同的载荷并进行划擦，所述转换盘用于将所述光学镜头与所述纳米划痕压头进行切换，所述控温模块用于控制不同的温度，实现在不同的温度、液气介质和/或载荷条件下所述纳米划痕压头在衬底表面低速划擦，所述液气介质中的液体介质为弱酸性、弱碱性或中性介质，PH为5-9，气体介质为空气、氧气和二氧化碳，所述标准纳米划痕装置固定在转换盘下并施加载荷，载荷控制精度在0.1mN，范围在0.1mN-500mN，加载后所述纳米划痕压头通过所述XY轴运动装置在恒定方向以1-100μm/s的划擦速度在所述衬底上形成划擦。
2.根据权利要求1所述的硬质磨料与衬底在纳米尺度下的界面化学反应的实现装置，其特征在于，所述液气模块还包括密封垫圈、固定环，所述密封垫圈设置在所述密封盖和所述液气箱之间以及所述样品台与所述液气箱之间，所述固定环以六角螺丝固定在所述密封盖上。
3.根据权利要求1所述的硬质磨料与衬底在纳米尺度下的界面化学反应的实现装置，其特征在于，所述液气箱为长方体形状的密闭容器，长度为120mm，宽度为100mm，高度为110mm，材料为不锈钢。
4.根据权利要求1所述的硬质磨料与衬底在纳米尺度下的界面化学反应的实现装置，其特征在于，所述样品台通过螺纹密封连接在所述液气箱内，所述衬底采用热熔胶黏贴在所述样品台上。
5.根据权利要求1所述的硬质磨料与衬底在纳米尺度下的界面化学反应的实现装置，其特征在于，所述进气口和所述出气口设置在所述进水口和出水口的上方，所述进气口上外接进气管，可通入气体介质，所述进水口上外接进水管，可通入液体介质，所述出气口上外接出气管，用于抽取气体，所述出水口外接出水管，用于排出废液。
6.根据权利要求1所述的硬质磨料与衬底在纳米尺度下的界面化学反应的实现装置，其特征在于，所述加热装置可对所述样品台进行加热，加热温度为40-80℃，所述降温装置采用液冷的方式对所述加热装置和所述样品台进行降温。
7.根据权利要求1所述的硬质磨料与衬底在纳米尺度下的界面化学反应的实现装置，其特征在于，所述纳米划痕压头为硬质磨料，所述纳米划痕压头的曲率为1-50μm，所述硬质磨料包括金刚石、氧化铝、立方氮化硼或碳化硼，所述衬底为硬脆材料，所述衬底包括金刚石、氮化镓、氧化镓、蓝宝石或碳化硅。
8.一种根据权利要求1-7中任一项所述的硬质磨料与衬底在纳米尺度下的界面化学反应的实现装置的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将黏贴有衬底的样品台通过螺纹连接固定于液气箱内，将密封垫圈固定在样品台和液气箱之间；
2)将主轴模块固定在密封盖上，将密封盖通过螺纹固定在液气箱上，将密封垫圈固定在密封盖和液气箱之间，固定环以六角螺丝固定在密封盖上；
3)使用光学镜头寻找所述衬底上的划擦位置，在划擦位置设定一定的载荷、速度、真空度、气体介质、液体介质和温度，通过转换盘将光学镜头转换为纳米划痕压头，将所述纳米划痕压头在所述衬底表面进行划擦；
4)将所述密封盖打开，取出样品台，将划擦后的衬底放置于X射线光电子能谱仪上，观察划擦衬底的表面状态，以及对衬底表面划痕处的化学成分进行检测。
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