MEMS結(jié)構(gòu)材料的微拉伸系統(tǒng)測(cè)試方法與應(yīng)用研究.pdf

1、微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)中微結(jié)構(gòu)的尺寸通常在毫微米量級(jí)甚至更小,當(dāng)材料特征長(zhǎng)度在微納米量級(jí)時(shí),材料具有很強(qiáng)的尺度效應(yīng),造成其性能與宏觀材料明顯不同。不僅如此,對(duì)于微結(jié)構(gòu)材料,即使具有相同的成分與尺寸,不同的制備方法也會(huì)造成組織結(jié)構(gòu)不同而使材料性能產(chǎn)生明顯差異。因此,掌握微尺度下MEMS結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能對(duì)于器件設(shè)計(jì)具有非常重要的意義。由于MEMS結(jié)構(gòu)材料種類越來越多,且需要對(duì)不同制備工藝下的同種材料進(jìn)行測(cè)試,所以亟需開發(fā)一套高效、準(zhǔn)確、集

2、成化程度較高的微尺寸MEMS結(jié)構(gòu)材料力學(xué)性能測(cè)試系統(tǒng)。為此,本文圍繞MEMS結(jié)構(gòu)材料力學(xué)性能微拉伸測(cè)試系統(tǒng)中的試樣設(shè)計(jì)與制備、數(shù)據(jù)采集與分析、以及應(yīng)用該系統(tǒng)測(cè)試不同鍍液體系下電鍍鎳薄膜的力學(xué)性能等方面展開了詳細(xì)的研究。首先,基于傳統(tǒng)單軸拉伸原理及非硅類薄膜材料的變形特性,提出了一種集成式微拉伸測(cè)試片,主要組成部分包括：用于減小微拉伸過程中支撐梁塑性變形引起測(cè)量誤差的支撐彈簧、連接力傳感器的移動(dòng)平臺(tái)及其上面的對(duì)接孔、用于激光位移傳感器采集

3、應(yīng)變的位移標(biāo)記、固定試樣的定位孔、以及對(duì)準(zhǔn)拉伸軸方向的標(biāo)記。通過有限元模擬分析,得到如下結(jié)論：1)所設(shè)計(jì)的S型支撐彈簧的剛度遠(yuǎn)小于所測(cè)試的金屬鎳的剛度,以保證測(cè)試過程中應(yīng)力測(cè)量的準(zhǔn)確性。2)略帶弧度的直線型薄膜樣在拉伸過程中應(yīng)力主要集中于直線部分,可防止拉伸過程中試樣在邊緣處斷裂；同時(shí),它能夠保證應(yīng)變等價(jià)為位移標(biāo)記的位移量。這種新型設(shè)計(jì)為微拉伸測(cè)試系統(tǒng)集成奠定了基礎(chǔ)。該試樣的標(biāo)準(zhǔn)尺寸為100μm長(zhǎng)、50μm寬、10μm厚,兩端略帶弧度。

4、在此基礎(chǔ)上,利用UV-LIGA工藝,分別制備出以金屬鎳和單晶硅為支撐結(jié)構(gòu)的兩種集成式微拉伸測(cè)試片。采用犧牲層工藝作為硅刻蝕工藝的補(bǔ)充,由于其工藝步驟相對(duì)簡(jiǎn)單、制備周期短、能夠避免試樣在高溫強(qiáng)堿刻蝕硅溶液中長(zhǎng)時(shí)間浸泡,犧牲層工藝具有較大的實(shí)用價(jià)值。同時(shí),通過調(diào)節(jié)電鍍鎳溶液添加劑含量,可以基本消除微拉伸測(cè)試片鎳層支撐結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力,得到了低應(yīng)力金屬鎳集成式微拉伸測(cè)試片,有效地提高了測(cè)量的準(zhǔn)確性。在制備過程中,為了提高試樣厚度的均勻性,本文還

5、提出了兩種有效方式：1)通過在試樣兩側(cè)添加片內(nèi)輔助電極的方式提高試樣自身厚度的均勻性；2)通過添加絕緣擋板和片外銅輔助環(huán)來減弱“邊緣效應(yīng)”對(duì)于晶圓不同位置試樣厚度的影響。另外,以Visual Basic為平臺(tái),編譯了一套微拉伸測(cè)試數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)微步進(jìn)馬達(dá)的控制,激光位移傳感器測(cè)量的位移值的采集,以及拉伸過程實(shí)時(shí)控制和拉伸曲線的計(jì)算。該系統(tǒng)輸出最小拉伸移動(dòng)量為0.1μm,最大移動(dòng)速度為70μm/s,最小移動(dòng)速度為0.2μm/s；

6、位移(應(yīng)變)測(cè)量分辨率達(dá)10nm。最后,利用該微拉伸測(cè)試系統(tǒng)對(duì)兩種氨基磺酸鎳、硫酸鎳和氯化鎳四種電鍍液得到的鎳薄膜試樣的力學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明,在所采用的鍍液組成、工藝條件下,四種電鍍鎳薄膜的抗拉強(qiáng)度均高于傳統(tǒng)體鎳材料,并且具有良好的延展性。此外,四種鎳薄膜的力學(xué)性能也存在明顯差異。硫酸鎳鍍液鍍層具有最高的抗拉強(qiáng)度(2178MPa),其次是氯化鎳鍍液鍍層(1525MPa),氨基磺酸鎳鍍液鍍層的抗拉強(qiáng)度最低(923Mpa)。另外

7、對(duì)于氨基磺酸鎳鍍液,同時(shí)添加了糖精和丁炔二醇兩種光亮劑的電鍍鎳的抗拉強(qiáng)度(1954Mpa)幾乎是只添加了糖精的鎳鍍層的抗拉強(qiáng)度(923Mpa)的兩倍。利用透射電鏡(TEM)明場(chǎng)和暗場(chǎng)分析了各種電鍍鎳的晶粒尺寸。同時(shí),XRD測(cè)試結(jié)果表明硫酸鎳電鍍液得到的鎳薄膜沒有明顯的擇優(yōu)取向,而其他三種電鍍鎳在鍍層生長(zhǎng)方向都有(200)的擇優(yōu)取向。通過比較這三種試樣微拉伸測(cè)試結(jié)果,在電鍍鎳薄膜具有相同擇優(yōu)取向的前提下,晶粒尺寸是決定抗拉強(qiáng)度和斷前應(yīng)變的