MEMS结构材料的微拉伸系统测试方法与应用研究
微机电系统(MEMS)中微结构的尺寸通常在毫微米量级甚至更小,当材料特征长度在微纳米量级时,材料具有很强的尺度效应,造成其性能与宏观材料明显不同。不仅如此,对于微结构材料,即使具有相同的成分与尺寸,不同的制备方法也会造成组织结构不同而使材料性能产生明显差异。因此,掌握微尺度下MEMS结构材料的力学性能对于器件设计具有非常重要的意义。由于MEMS结构材料种类越来越多,且需要对不同制备工艺下的同种材料进行测试,所以亟需开发一套高效、准确、集成化程度较高的微尺寸MEMS结构材料力学性能测试系统。为此,本文围绕MEMS结构材料力学性能微拉伸测试系统中的试样设计与制备、数据采集与分析、以及应用该系统测试不同镀液体系下电镀镍薄膜的力学性能等方面展开了详细的研究。首先,基于传统单轴拉伸原理及非硅类薄膜材料的变形特性,提出了一种集成式微拉伸测试片,主要组成部分包括：用于减小微拉伸过程中支撑梁塑性变形引起测量误差的支撑弹簧、连接力传感器的移动平台及其上面的对接孔、用于激光位移传感器采集应变的位移标记、固定试样的定位孔、以及对准拉伸轴方向的标记。通过有限元模拟分析,得到如下结论：1)所设计的S型支撑弹簧的刚度远小于所测试的金属镍的刚度,以保证测试过程中应力测量的准确性。2)略带弧度的直线型薄膜样在拉伸过程中应力主要集中于直线部分,可防止拉伸过程中试样在边缘处断裂；同时,它能够保证应变等价为位移标记的位移量。这种新型设计为微拉伸测试系统集成奠定了基础。该试样的标准尺寸为100μm长、50μm宽、10μm厚,两端略带弧度。在此基础上,利用UV-LIGA工艺,分别制备出以金属镍和单晶硅为支撑结构的两种集成式微拉伸测试片。采用牺牲层工艺作为硅刻蚀工艺的补充,由于其工艺步骤相对简单、制备周期短、能够避免试样在高温强碱刻蚀硅溶液中长时间浸泡,牺牲层工艺具有较大的实用价值。同时,通过调节电镀镍溶液添加剂含量,可以基本消除微拉伸测试片镍层支撑结构的残余应力,得到了低应力金属镍集成式微拉伸测试片,有效地提高了测量的准确性。在制备过程中,为了提高试样厚度的均匀性,本文还提出了两种有效方式：1)通过在试样两侧添加片内辅助电极的方式提高试样自身厚度的均匀性；2)通过添加绝缘挡板和片外铜辅助环来减弱“边缘效应”对于晶圆不同位置试样厚度的影响。另外,以Visual Basic为平台,编译了一套微拉伸测试数据采集与分析系统。实现微步进马达的控制,激光位移传感器测量的位移值的采集,以及拉伸过程实时控制和拉伸曲线的计算。该系统输出最小拉伸移动量为0.1μm,最大移动速度为70μm/s,最小移动速度为0.2μm/s；位移(应变)测量分辨率达10nm。最后,利用该微拉伸测试系统对两种氨基磺酸镍、硫酸镍和氯化镍四种电镀液得到的镍薄膜试样的力学性能进行了测试。测试结果表明,在所采用的镀液组成、工艺条件下,四种电镀镍薄膜的抗拉强度均高于传统体镍材料,并且具有良好的延展性。此外,四种镍薄膜的力学性能也存在明显差异。硫酸镍镀液镀层具有最高的抗拉强度(2178MPa),其次是氯化镍镀液镀层(1525MPa),氨基磺酸镍镀液镀层的抗拉强度最低(923Mpa)。另外对于氨基磺酸镍镀液,同时添加了糖精和丁炔二醇两种光亮剂的电镀镍的抗拉强度(1954Mpa)几乎是只添加了糖精的镍镀层的抗拉强度(923Mpa)的两倍。利用透射电镜(TEM)明场和暗场分析了各种电镀镍的晶粒尺寸。同时,XRD测试结果表明硫酸镍电镀液得到的镍薄膜没有明显的择优取向,而其他三种电镀镍在镀层生长方向都有(200)的择优取向。通过比较这三种试样微拉伸测试结果,在电镀镍薄膜具有相同择优取向的前提下,晶粒尺寸是决定抗拉强度和断前应变的主要因素,并且它们的关系满足细晶强化机制：晶粒尺寸越小,抗拉强度越高,断前应变越小。
微机械系统;微拉伸;UV-LIGA;有限元仿真;镍薄膜;Visual Basic
上海交通大学
硕士
微电子学与固体电子学
汪红
2010
中文
TP211.4
2014-05-22（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）