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研究生: 楊念庭
Nani-Ting Yang
論文名稱: 高導磁合金膜之機械性質研究-楊氏模數與硬度
Mechanical Properties of Permally Flims-Youngs Modulus and Hardness
指導教授: 鄭偉鈞
Wei-Chun Cheng
口試委員: 任盛源
Shien-Uang Jen
陳元宗
Yuan-Zong Chen
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工程學院 - 機械工程系
Department of Mechanical Engineering
論文出版年: 2007
畢業學年度: 95
語文別: 中文
論文頁數: 120
中文關鍵詞: 楊氏模數硬度
外文關鍵詞: youngs modulus and hardness
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  • 本研究以奈米壓痕及表面聲波量測技術,來量測鍍鐵-鎳合金薄膜的楊係模數及硬度。蒸鍍鐵鎳薄膜時基板溫度為27℃及270℃,蒸鍍薄膜厚度為10 nm到130 nm。可用原子力顯微鏡量測其表面粗糙度。從XRD的繞射圖了解晶粒大小及I111/I220強度比,I111及I220是鐵-鎳合金薄膜上(111)及(220)二平面的繞射波峰。我們從試驗中發現,楊氏模數及硬度和薄膜厚度間有關係。從薄膜厚度從10 nm到70 nm時,楊氏模數會上升,而厚度在70nm時,楊氏模數達到最大值,薄膜厚度從70 nm到130 nm時,楊氏模數會開始下降;隨薄膜厚度增加及結構愈鬆散硬度會逐漸下降,晶粒大小及緻密度為影響硬度變化的主因。影響鐵-鎳合金薄膜的楊氏係數為結構性質,如繞射強度比和密度,而影響硬度大小為薄膜厚度、晶粒大小及緻密度。


    Young`s modulus Ef and hardness Hf of Fe-Ni thin films were measured by the nano-indentation and Surface Acoustic Waves technique. Fe-Ni were made under various conditions with the film thickness tf varied form 10 to 130 nm and deposition temperature Ts from 27℃ to 270℃ in vacuum.The surface morphology of each film was examined by an atomic force microscope, and the surface roughness parameters . From XRD diffraction studies we estimated the grain size D and the ratio I111/I220 , where I111/I220 are the peak amplitudes of the (111) and (220) diffraction lines , of the Fe-Ni films . We also find that both Ef and Hf are dependent on tf .In short , Ef increases when 10< Ef <70, reaches a maximum at tf = 70 nm ,and decreases afterwards , Tf increasing and structure of low densification would decrease Hf gradually .The Ef data are analyzed based on the structural properties , such as the ratio I111/I220 and the density δ, of each Fe-Ni film . The Hf data are discussed based on the tf dependence of grain size D and densification .

    隨著科技的演進、時代的進步,微型化或奈米化已成為材料、元件或產品的發展趨勢,尤其是機電產品,而研發微小構件的製造、安裝、夾持、微驅動或測量等力學性能技術也越來越受重視,顯而易見的,薄膜的機械性質為積體電路製程整合上重要的考慮因素之一,因為積體電路中有很多重要的破壞機制,例如應力和電場遷移所產生的孔洞,基本上是與機械特性相關的,而低介電質薄膜的硬度更是整合至化學機械研磨製程的重要課題[1]。 另一方面,機電領域近幾年的主要發展為縮小化,其元件或系統常常配合控制的電路,利用積體電路的製程技術來製造,常見的應用包含加速度計、和致動器等,微機電系統亦成為非常具有潛力的高科技產業,應用產品涵蓋廣大的範圍,例如微光機電、高頻與積體電路、顯示器、資料儲存、慣性感測器等導致成本的增加與生產良率的偏低,成為微機電系統產品商業化的重大瓶頸之一,雖然改善結構或增加薄膜厚度,可能增進元件的可靠性與壽命,但將增加製程整合上的困難度,根本之道,可從開發新材料或改善材料特性著手,以善加運用積體電路的優勢,因而薄膜的機械性質在微機電系統技術中亦扮演著舉足輕重的角色。 材料的楊氏模數,浦松比,密度,薄膜厚度等,對於微機電系統元件而言是重要的參數。表面聲波是另一項可行的方式。利用脈衝雷射產生表面聲波,再以光學干涉儀或壓電換能器來偵測波動行為,更是具有非破壞量測的優點。由波傳遞特性反算材料特性的過程中,需要用到高且寬頻的表面波,如此量測的誤差才有可能減小。表面聲波方式對單層薄膜的量測,已有充分驗證數據的彈性力學理論模型之建立,在某些情況下可達相當準確地步,本實驗之目的即在量測薄膜硬度與浦松比及楊氏模數的奈米壓痕量測與表面聲波量測二不同原理所量測到的數據加以比較之間之差異。 實驗製程以熱蒸鍍(Thermal Evaporation)的方式,在康寧玻璃(Corning 0211)及矽(111)平面基板上,加熱溫度下鍍上鐵鎳合金,亦是所謂的高導磁合金(Permalloy)薄膜。沈積鐵鎳合金於玻璃基板及矽基板,以製作成各種金屬薄膜試片,而後分別作機械性質量測觀察金屬薄膜在受溫度變化及薄膜厚度不同,在矽和玻璃上之不同變化及影響、愛克斯光繞射儀(XRD)進行相鑑定、穿透式電子顯微鏡(TEM)量測鐵鎳合金原子截面之結晶情形和觀察在不同溫度其粒徑成長大小、原子力顯微鏡(AFM)及掃瞄式電子顯微鏡(SEM)觀察試片表面型態及使用奈米壓痕儀量測薄膜之機械性質。

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