MEMS金属薄膜材料力学性能研究

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1、摘要MEMS薄膜材料力学性能的研究是目前国际上MEMS研究领域的一个重要研究方向但大都是针对非金属薄膜材料的微结构和力学特性研究对于金属薄膜材料其力学行为对MEMS器件和微结构具有极其重要的影响金属薄膜材料在MEMS器件中无论是作为连接线还是作为可动部件的结构材料都有着不可替代的作用然而大块金属材料的力学性能参数已远不能满足MEMS器件和微结构的设计要求因此从MEMS器件和微结构角度出发研究金属薄膜材料的力学特性具有重要的科学意义本论文选择MEMS器件中常用的几种金属薄膜材料如CuNi和NiFe作为研究对象对其硬度弹性模量残余应力屈服强度和断裂强度进行研究分析采用压

2、痕法研究了金属薄膜材料的硬度和弹性模量并对电镀的Cu膜分别测定了其显微硬度和纳米压痕硬度同时用纳米压痕仪测定了电镀Ni膜和NiFe膜的硬度和杨氏模量采用MEMS技术研制了宽度在毫米和微米两种不同尺度下的薄膜微桥结构试样利用纳米压痕仪NanoindenterXP系统测量了微桥载荷与位移的关系并结合力学理论模型得到了两种不同尺度金属薄膜如NiCuNiFe的弹性模量及残余应力与国内外文献报道的结果及与采用纳米压痕仪测得的带有Si基底的薄膜杨氏模量相符合利用硅悬臂梁微结构并结合WYKO仪器对NiFe薄膜的残余应力进行了初步研究为进一步利用悬臂梁法测定薄膜材料的残余应力提供了

3、良好的研究基础另外利用自由膜拉伸法测定了电镀CuNi和NiFe金属薄膜的断裂强度和屈服强度本文主要的创新点利用MEMS技术解决了金属薄膜微桥的制备难题成功的制备了不同尺寸的金属薄膜微桥应用陶瓷压条为承力单元并与纳米压痕仪XP系统的Berkovich三棱锥压头相结合解决了较宽尺寸金属薄膜微桥的加载技术并结合微桥理论模型分析了金属薄膜材料的力学特性另外采用悬臂梁法并结合WYKO分析了溅射薄膜的残余应力及采用拉伸法测定了金属薄膜的力学特性如屈服强度和断裂强度关键词硬度杨氏模量残余应力屈服强度断裂强度AbstractCharacterizing,understandinga

4、ndcontrollingthemechanicalpropertiesofMEMS(MicroelectromechanicalSystems)materialshavebeenanactiveresearchareaduringtherecentyears.ThemechanicalbehaviorofMEMSmaterialwiththicknessofafewmicronsmightdifferfromthoseofthebulkmaterialduetoitssizeeffect,whichhaveaveryimportantroleinMEMSdevic

5、es.Buttheearlyworkwasfocusedonnon-metalfilms,suchassiliconnitridesandoxides.Formetalfilms,itismoredifficulttoinvestigatethemechanicalpropertiesinmicrostructuresduetoitslowhardnessandlowYieldstrength.Here,themechanicalpropertiesofMEMSMetallicthinfilmsareinvestigated,suchascopper,nickela

6、ndNiFethinfilmsInordertostudythemechanicalpropertiesofthinfilms,severaltestingmethodsareused.Firstly,weusetheindentationmethodstoobtainthehardnessandyoung’smodulusofthinfilmofcopper,nickelandNiFe.Secondly,samplesoffreestandingfilmmicrobridgeofcopper,nickelandNiFearefabricatedbyMEMStech

7、nique.NanoindentorXPsystemwithawedgetipisusedtoapplyalineloadinordertogettheload-deflectioncurvesofthinfilmmicrobridges.Theoreticalanalysisofload-deflectioncurvesofthemicrobridgesisproposedtoevaluatetheyoung’smodulusandresidualstressofthefilmssimultaneously.Theresultsareclosedtotheda