微機(jī)電系統(tǒng)中磁控濺射Ti-Ni合金薄膜的基礎(chǔ)研究.pdf

1、微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)通過元件微型化，信息處理集成化和功能多樣化開辟了一個(gè)全新的技術(shù)領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)。在二十一世紀(jì)，MEMS深入到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。微驅(qū)動(dòng)器是完成微機(jī)電系統(tǒng)與周邊環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)能量交換的關(guān)鍵部件，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個(gè)微機(jī)電系統(tǒng)的運(yùn)行和發(fā)展。磁控濺射Ti-Ni合金薄膜以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、作功能力強(qiáng)，響應(yīng)速度快以及易于集成化制造等優(yōu)點(diǎn)，成為備受矚目的一類微驅(qū)動(dòng)器材料。從MEMS實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，對(duì)Ti-Ni合金薄

2、膜制備工藝、顯微結(jié)構(gòu)、性能之間關(guān)系的深入理解是預(yù)測(cè)、改善和充分發(fā)揮薄膜材料特性，優(yōu)化微型驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)，提高M(jìn)EMS器件壽命與可靠性的關(guān)鍵。本研究采用合金靶材，以磁控濺射法制備了不同成分的Ti-Ni合金薄膜，分析了薄膜的組織結(jié)構(gòu)、相變特性隨退火工藝的變化規(guī)律；揭示了非晶態(tài)薄膜的等溫、非等溫晶化行為；考察了晶態(tài)薄膜不同相的表面形貌，表面粗糙度與膜基結(jié)合強(qiáng)度；同時(shí)評(píng)估了微觀尺度下薄膜的偽彈性和力學(xué)性能，研究了具有(110)織構(gòu)的沉積態(tài)Ti-Ni

3、合金薄膜的高溫氧化特性。這些研究不僅對(duì)Ti-Ni合金薄膜在MEMS領(lǐng)域中的應(yīng)用具有指導(dǎo)意義，而且可以拓寬Ti-Ni合金薄膜的基礎(chǔ)性研究，充實(shí)形狀記憶合金的理論內(nèi)容，發(fā)展功能薄膜材料的相關(guān)技術(shù)。 ⑴室溫基底上濺射沉積的Ti-Ni合金薄膜均為非晶無序結(jié)構(gòu)，經(jīng)過450℃～600℃退火后，薄膜發(fā)生晶化。退火態(tài)Ti47.8Ni52.2、Ti48.7Ni51.3及Ti50.9Ni49.1薄膜的基體分別為B2母相、R相及B19’馬氏體相。當(dāng)在

4、較高溫度下(500℃以上，包括500℃)退火時(shí)，非等原子比Ti-Ni合金薄膜將從基體中析出第二相。Ti50.gNi49.1薄膜的析出相為Ti2Ni，Ti47.8Ni52.2及Ti48.7Ni51.3薄膜的析出相為Ni4Ti3。 ⑵隨著退火溫度的提高，Ti47.8Ni52.2薄膜的(逆)馬氏體相變特征溫度(As、Af、Ms、Mf)上升；Ti48.7Ni51.3薄膜的As、Af、Ms、Mf先降低后上升，R相變溫度(Rs、Rf)近似恒

5、定；Ti50.9Ni49.1的馬氏體相變溫度(Ms、Mf)對(duì)退火溫度并不敏感，逆馬氏體相變溫度(As、Af)則隨退火溫度的提高而上升。對(duì)濺射沉積Ti-Ni二元合金薄膜來說，較高的位錯(cuò)密度是形成R相變的決定因素，合金成分與第二相的析出并不是發(fā)生R相變的必要條件。濺射功率的提高，將減少Ti-Ni合金薄膜的位錯(cuò)密度，抑制R相變的發(fā)生。 ⑶分析沉積態(tài)Ti-Ni合金薄膜在不同升溫速率下的DSC曲線可知，非晶態(tài)Ti-Ni合金薄膜的非等溫晶化

6、呈現(xiàn)一步晶化過程，晶化溫度在450～550℃之間，且隨著升溫速率的增加，晶化溫度向高溫方向移動(dòng)。不同成分Ti-Ni合金薄膜的晶化動(dòng)力學(xué)Kissinger計(jì)算表明，隨著薄膜成分與Ti、Ni等原子比的偏離不斷增加，晶化激活能逐漸提高，穩(wěn)定性上升。 ⑷近等原子比Ti-Ni合金薄膜(49.88at.％Ti:50.02at,％Ni)在420℃不能發(fā)生等溫晶化，隨著退火溫度的提高，Ti-Ni合金薄膜將呈現(xiàn)B2母相結(jié)構(gòu)。XRD分析表明在425

7、℃～450℃晶化后，Ti-Ni合金薄膜具有很強(qiáng)的擇優(yōu)取向，呈現(xiàn)(110)絲織構(gòu)。根據(jù)原位XRD結(jié)果，借助JMA模型，計(jì)算得知Ti-Ni合金薄膜的Avrami指數(shù)在2.0～2.4之間，晶化激活能為358.1kJ/mol。由此認(rèn)為Ti-Ni合金薄膜的等溫晶化遵循非均勻形核機(jī)制，顯示界面控制的一維晶粒形核和長(zhǎng)大特征，并呈現(xiàn)柱狀的微觀結(jié)構(gòu)。 ⑸以原子力顯微鏡和納米壓痕儀的劃痕系統(tǒng)分別表征了Ti-Ni合金薄膜的表面形貌和膜基結(jié)合強(qiáng)度。當(dāng)在

8、450-600℃溫度區(qū)間內(nèi)退火后，Ti-Ni合金薄膜試樣的表面粗糙度(Rq)隨退火溫度的增加逐漸升高。原子力顯微鏡的形貌分析表明這一現(xiàn)象可歸因于Ti-Ni合金薄膜晶化過程中，柱狀晶核的生長(zhǎng)。經(jīng)熱處理工藝后，Ti-Ni合金薄膜B2母相的Rq值在1.2～3.0之間，R相的Rq值在5.5～9.0之間，馬氏體相的Rq值在8～16之間。此外比較納米劃痕試驗(yàn)中不同相結(jié)構(gòu)Ti-Ni合金薄膜的臨界法向載荷可知，在(100)單晶Si基底上Ti-Ni合金薄

9、膜B2母相的膜基結(jié)合強(qiáng)度最大，馬氏體相的膜基結(jié)合強(qiáng)度最小，R相的膜基結(jié)合強(qiáng)度介于兩者之間。 ⑹以納米壓痕技術(shù)表征Ti-Ni合金薄膜納米尺度的偽彈性和力學(xué)性能。分析納米壓痕試驗(yàn)結(jié)果可知，退火態(tài)Ti47.8Ni52.2、Ti48.7Ni51.3及Ti50.9Ni49.1薄膜的顯微硬度和彈性模量依次增大，這與它們基體相(分別為B2母相、R相和馬氏體相)的晶體結(jié)構(gòu)和滑移體系有關(guān)。此外退火態(tài)Ti-Ni合金薄膜的顯微硬度及彈性模量一般隨退火

10、溫度的提高而逐漸增加。但值得注意的是Ti48.7Ni51.3薄膜在500℃退火時(shí)，薄膜顯示最大的顯微硬度和彈性模量，這與Ni4Ti3相的析出效應(yīng)有關(guān)。 ⑺沉積態(tài)Ti-Ni合金薄膜和退火態(tài)Ti48.7Ni51.3、Ti50.9Ni49.1薄膜不顯示納米偽彈性。Ti47.8Ni52.2薄膜由于基體為B2母相，逆馬氏體相變起始溫度在室溫以上，將在納米壓痕試驗(yàn)中展示完整的偽彈性過程。當(dāng)Ti47.8Ni52.2薄膜在450℃-600℃退火

11、時(shí)，隨退火溫度的提高，薄膜的偽彈性回復(fù)率η先增大后減小，其值在44.9％～72.7％之間。此外，Ti47.8Ni52.2薄膜的η值與施加載荷的大小也有關(guān)。當(dāng)最大載荷為10mN時(shí)，550℃退火的Ti47.8Ni52.2薄膜偽彈性回復(fù)率η達(dá)到72.7％。研究表明Ti-Ni合金薄膜的偽彈性回復(fù)率高于Ti-Ni塊體合金的偽彈性回復(fù)率(均在45％以下)。 ⑻在高溫基底上沉積得到具有(110)織構(gòu)的沉積態(tài)Ti-Ni合金薄膜，考察了薄膜分別在

12、550℃、600℃和650℃的氧化行為。發(fā)現(xiàn)Ti-Ni合金薄膜在550℃、600℃和650℃的等溫氧化動(dòng)力學(xué)遵循拋物線規(guī)律，并隨著氧化溫度的提高，氧化速率常數(shù)增大。氧化Ti-Ni合金薄膜由TiO2，TiNi3和B2相組成。隨著氧化溫度的提高，TiO2和TiNi3的含量增加，B2相的含量減少。對(duì)Ti-Ni合金薄膜氧化膜的俄歇成分-深度分析表明，氧化膜由最外層和富Ni層組成，在這兩層中均含有TiO2，且TiO2含量隨著薄膜深度的增加而遞減。