论文总字数：24021字

摘 要

实现薄膜材料力学测试对于研究MEMS器件性能有重大意义。MEMS薄膜材料和体材料有着不同的力学特性，在不同工艺条件（如成膜装置、成膜条件及热处理等）下，相同的薄膜材料也往往呈现出不同的特性。本论文研究基于纳米压痕仪的MEMS薄膜材料杨氏模量测试，对所选样品上的多晶硅以及金属铝进行弹性模量的测量，并探究影响弹性模量的几个因素。根据研究方法，论文根据研究需要可分为三部分： 1） 介绍薄膜材料杨氏模量测试方法的相关论文以及MEMS薄膜的基本测试结构和测试原理。 2）建立薄膜杨氏模量的提取模型，推导相关公式，确定测试方法。 3）对测试结构进行仿真和实验验证。4）根据结果改进优化测试结构和测试方案。通过以上几个方面的研究，最终得出用纳米压痕法测量杨氏模量是一种较为准确的方法。

关键词：纳米压痕，多晶硅，金属铝，杨氏模量和残余用力

Abstract

It is significant to study the performance of MEMS device by the mechanical testing of thin film materials. MEMS thin films and bulk materials have different mechanical properties. In different conditions (such as film forming device, film forming condition and heat treatment), the same film materials often show different characteristics. In this paper, the young modulus of MEMS thin film based on nano indentation tester was studied, and the elastic modulus of polycrystalline silicon and aluminum on the selected samples were measured, and several factors affecting the elastic modulus were also studied. According to the research methods, the paper can be divided into three parts according to the research needs: 1) the paper introduces the measurement method of Young's modulus of thin film materials and the basic structure and testing principles of MEMS thin films. 2) the extraction model of Young's modulus of the thin film, the related formula, the determination of the test method. 3) simulation and experimental verification of the test structure. 4) according to the results to improve the optimization of the test structure and test program. Through the research of the above aspects, it is concluded that the measurement of Young's modulus by nano indentation method is a more accurate method.

Key Words: Nano indentation, Polysilicon ,Aluminum ,Young's modulus and residual stress

目录

摘 要 I

Abstract I

第一章 绪论 1

1.1MEMS基本介绍 1

1.2MEMS的特点 1

1.3MEMS实践上的基本特征 1

1.4MEMS分类及其涉及领域 2

1.4.1分类 2

1.4.2涉及领域 2

1.5MEMS发展目标 2

1.6研究MEMS薄膜材料的意义 3

1.7本论文研究内容与意义 3

第二章 纳米压痕法模型建立 5

2.1纳米压痕法理论 5

2.2有限元分析 6

2.3 Hysitron压痕仪软件简介 8

2.3.1 Hysitron的总体描述 8

2.3.2Hysitron系统组成及其主要用途 8

2.4实验准备与讨论 10

2.4.1实验准备 10

2.4.2 Berkovich 压头 10

2.5本章总结 13

第三章 测量弹性模量的实验 14

3.1待测样品加工工艺简介 14

3.1.1待测样品加工工艺基础 14

3.1.2固定样品 15

3.2软件操作设计 15

3.2.1多晶硅的实验流程 15

3.2.2金属铝的试验流程 16

3.3实验结果 17

3.3.1多晶硅的实验结果 17

3.3.2金属铝的实验结果 18

3.4数据分析 20

3.4.1多晶硅的数据分析 20

3.4.2金属铝的数据分析 21

3.4.3实验结果分析 22

3.5本章总结 22

第四章 总结及展望 23

4.1实验总结 23

4.2误差分析 23

4.2.1 多晶硅的误差分析 23

4.2.2 金属铝的误差分析 23

4.3本章总结 29

致谢 30

参考文献 31

绪论

1.1MEMS基本介绍

MEMS是微电子机械系统（Micro-Electro-Mechanical Systems）的缩写，是指利用可批量化制造的微电子工艺，结合电、力、热、光、电磁和流体等技术，设计、制作和集成各类微小机械结构与系统的尖端科技，被誉为“微观世界的建筑学”。在欧洲，该技术也被称为“微系统”（Micro Systems，MS），但是 “MEMS”在世界范围内逐渐被广泛接受。“微电子机械系统”这一术语准确地描述了这个新领域的研究对象尺寸为微米级，实现方式为机械电子相结合，研究的目标是系统。虽然“MEMS”于1988年在美国首先被启用，但是MEMS技术的基础和原理可以追溯到20世纪50年代，贝尔实验室的C. S. Smith等人对硅、锗压阻特性的研究以及W. P. Mason等人对压电材料的研究，分别成为了今日压阻传感器和压电传感器与执行器研究的先导。20世纪60年代至80年代，MEMS经历了大约20年的萌芽阶段，在20世纪六七十年代，诸如体微加工等各种硅刻蚀技术得到发展，20世纪80年代，研究者开始利用集成电路加工技术制造MEMS器件，表面微加工技术迅速发展成熟。随后从20世纪90年代起至今，MEMS技术如火如荼地发展起来，得益于其体积小、功能多、单价低等优势，MEMS技术得到了广泛应用。

1.2MEMS的特点

MEMS器件具有“3M”特点，即小型化（Miniaturization）、微电子集成（Microelectronics Integration）以及高精度批量制造（Mass Fabrication with Precision）^[2]。典型的MEMS器件特征尺寸大约在0.1m~1000m范围内，并且近年来随着NEMS的发展，研究的特征尺寸正在向1nm甚至更小的尺寸发展。由于尺寸变小，MEMS器件在很多方面体现出不同于宏观尺寸下传统器件的性能，具有高谐振频率、低热惯性等诸多优点。在小型化和小尺寸的前提下，MEMS器件的数量和性能也在提高。利用集成电路加工技术，微机械传感器和执行器可以与信号处理电路和控制电路同时集成在一块芯片上，通过这种单片集成方式，可以制造出多部件、功能复杂的MEMS器件与系统，为器件带来性能上的优越。而通过集成电路加工技术，MEMS加工技术可以高精度、批量生产微器件与微系统，无需传统机械加工中机器拾取或人工装配等组装方法，从而降低了成本，并且整体工艺一致性好、批量制造的可重复性也好。MEMS器件正在朝更小、更便宜、更好的方向不断发展。

1.3MEMS实践上的基本特征

在实践中，微机械（MEMS）共享几个基本的共同的特征：

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