MEMS結構材料的微拉伸系統(tǒng)測試方法與應用研究.pdf

1、微機電系統(tǒng)(MEMS)中微結構的尺寸通常在毫微米量級甚至更小,當材料特征長度在微納米量級時,材料具有很強的尺度效應,造成其性能與宏觀材料明顯不同。不僅如此,對于微結構材料,即使具有相同的成分與尺寸,不同的制備方法也會造成組織結構不同而使材料性能產生明顯差異。因此,掌握微尺度下MEMS結構材料的力學性能對于器件設計具有非常重要的意義。由于MEMS結構材料種類越來越多,且需要對不同制備工藝下的同種材料進行測試,所以亟需開發(fā)一套高效、準確、集

2、成化程度較高的微尺寸MEMS結構材料力學性能測試系統(tǒng)。為此,本文圍繞MEMS結構材料力學性能微拉伸測試系統(tǒng)中的試樣設計與制備、數據采集與分析、以及應用該系統(tǒng)測試不同鍍液體系下電鍍鎳薄膜的力學性能等方面展開了詳細的研究。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量誤差的支撐彈簧、連接力傳感器的移動平臺及其上面的對接孔、用于激光位移傳感器采集

3、應變的位移標記、固定試樣的定位孔、以及對準拉伸軸方向的標記。通過有限元模擬分析,得到如下結論：1)所設計的S型支撐彈簧的剛度遠小于所測試的金屬鎳的剛度,以保證測試過程中應力測量的準確性。2)略帶弧度的直線型薄膜樣在拉伸過程中應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,它能夠保證應變等價為位移標記的位移量。這種新型設計為微拉伸測試系統(tǒng)集成奠定了基礎。該試樣的標準尺寸為100μm長、50μm寬、10μm厚,兩端略帶弧度。

4、在此基礎上,利用UV-LIGA工藝,分別制備出以金屬鎳和單晶硅為支撐結構的兩種集成式微拉伸測試片。采用犧牲層工藝作為硅刻蝕工藝的補充,由于其工藝步驟相對簡單、制備周期短、能夠避免試樣在高溫強堿刻蝕硅溶液中長時間浸泡,犧牲層工藝具有較大的實用價值。同時,通過調節(jié)電鍍鎳溶液添加劑含量,可以基本消除微拉伸測試片鎳層支撐結構的殘余應力,得到了低應力金屬鎳集成式微拉伸測試片,有效地提高了測量的準確性。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)通過在試樣兩側添加片內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”對于晶圓不同位置試樣厚度的影響。另外,以Visual Basic為平臺,編譯了一套微拉伸測試數據采集與分析系統(tǒng)。實現微步進馬達的控制,激光位移傳感器測量的位移值的采集,以及拉伸過程實時控制和拉伸曲線的計算。該系統(tǒng)輸出最小拉伸移動量為0.1μm,最大移動速度為70μm/s,最小移動速度為0.2μm/s；

6、位移(應變)測量分辨率達10nm。最后,利用該微拉伸測試系統(tǒng)對兩種氨基磺酸鎳、硫酸鎳和氯化鎳四種電鍍液得到的鎳薄膜試樣的力學性能進行了測試。測試結果表明,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,四種鎳薄膜的力學性能也存在明顯差異。硫酸鎳鍍液鍍層具有最高的抗拉強度(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度最低(923Mpa)。另外

7、對于氨基磺酸鎳鍍液,同時添加了糖精和丁炔二醇兩種光亮劑的電鍍鎳的抗拉強度(1954Mpa)幾乎是只添加了糖精的鎳鍍層的抗拉強度(923Mpa)的兩倍。利用透射電鏡(TEM)明場和暗場分析了各種電鍍鎳的晶粒尺寸。同時,XRD測試結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方向都有(200)的擇優(yōu)取向。通過比較這三種試樣微拉伸測試結果,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度和斷前應變的