（材料学专业论文）微机电系统中磁控溅射tini合金薄膜的基础研究.pdf

囝上海交通大学博士学位论文 微机电系统中磁控溅射t i n i 合金薄膜的基础研究 微机电系统中磁控溅射t - ni 合金薄膜的基础研究 摘要 微机电系统( m e m s ) 通过元件微型化，信息处理集成化和功能多样 化开辟了一个全新的技术领域和产业。在二十一世纪，m e m s 深入到国民 经济的各个领域，展现出广阔的应用前景。微驱动器是完成微机电系统与 周边环境进行物质能量交换的关键部件，其性能的优劣直接关系到整个微 机电系统的运行和发展。磁控溅射t i n i 合金薄膜以其结构简单、作功能力 强，响应速度快以及易于集成化制造等优点，成为备受瞩目的一类微驱动 器材料。从m e m s 实际应用出发，对t i n i 合金薄膜制备工艺、显微结构、 性能之间关系的深入理解是预测、改善和充分发挥薄膜材料特性，优化微 型驱动器设计，提高m e m s 器件寿命与可靠性的关键。本研究采用合金靶 材，以磁控溅射法制备了不同成分的t i n i 合金薄膜，分析了薄膜的组织结 构、相变特性随退火工艺的变化规律；揭示了非晶态薄膜的等温、非等温 晶化行为；考察了晶态薄膜不同相的表面形貌，表面粗糙度与膜基结合强 度；同时评估了微观尺度下薄膜的伪弹性和力学性能，研究了具有( 11 0 ) 织构的沉积态t i n i 合金薄膜的高温氧化特性。这些研究不仅对t i n i 合金 薄膜在m e m s 领域中的应用具有指导意义，而且可以拓宽t i - n i 合金薄膜 的基础性研究，充实形状记忆合金的理论内容，发展功能薄膜材料的相关 技术。 室温基底上溅射沉积的t i n i 合金薄膜均为非晶无序结构，经过 4 5 0 0 c , - 一6 0 0 0 c 退火后，薄膜发生晶化。退火态t i 4 7 8 n i 5 2 2 、t i 4 8 7 n i 5 1 3 及 t i5 0 9 n i 4 9 1 薄膜的基体分别为b 2 母相、r 相及b 1 9 马氏体相。当在较高温 度下( 5 0 0 0 c 以上，包括5 0 0 0 c ) 退火时，非等原子比t i n i 合金薄膜将从 基体中析出第二相。t i 5 0 9 n i 4 9 1 薄膜的析出相为t i 2 n i ，t i 4 7 8 n i 5 2 2 及t i 4 s 7 n i 5 1 3 上海交通大学博士学位论文 摘要 薄膜的析出相为n i 4 t i 3 。 随着退火温度的提高，t i 4 7 8 n i 52 2 薄膜的( 逆) 马氏体相变特征温度( a s 、 a f 、m s 、m f ) 上升；t i 4 8 7 n i 5 1 3 薄膜的a s 、a f 、m s 、m f 先降低后上升，r 相变温度( r s 、r f ) 近似恒定；t i 5 0 9 n i 4 9 1 的马氏体相变温度( m s 、m f ) 对退火温度并不敏感，逆马氏体相变温度( a s 、a f ) 则随退火温度的提高 而上升。对溅射沉积t i n i 二元合金薄膜来说，较高的位错密度是形成r 相变的决定因素，合金成分与第二相的析出并不是发生r 相变的必要条件。 溅射功率的提高，将减少t i n i 合金薄膜的位错密度，抑制r 相变的发生。 分析沉积态t i n i 合金薄膜在不同升温速率下的d s c 曲线可知，非晶 态t i n i 合金薄膜的非等温晶化呈现一步晶化过程，晶化温度在4 5 0 5 5 0 0 c 之间，且随着升温速率的增加，晶化温度向高温方向移动。不同成分t i n i 合金薄膜的晶化动力学k i s s i n g e r 计算表明，随着薄膜成分与t i 、n i 等原子 比的偏离不断增加，晶化激活能逐渐提高，稳定性上升。 近等原子比t i - n i 合金薄膜( 4 9 8 8 a t t i ：5 0 0 2 a t n i ) 在4 2 0 0 c 不能 发生等温晶化，随着退火温度的提高，t i n i 合金薄膜将呈现b 2 母相结构。 x r d 分析表明在4 2 5 0 c - - - - 4 5 0 0 c 晶化后，t i - n i 合金薄膜具有很强的择优取 向，呈现( 110 ) 丝织构。根据原位x r d 结果，借助j m a 模型，计算得 知t i n i 合金薄膜的a v r a m i 指数在2 0 2 4 之间，晶化激活能为3 5 8 1 k j m o l 。由此认为t i - n i 合金薄膜的等温晶化遵循非均匀形核机制，显示界 面控制的一维晶粒形核和长大特征，并呈现柱状的微观结构。 以原子力显微镜和纳米压痕仪的划痕系统分别表征了t i n i 合金薄膜 的表面形貌和膜基结合强度。当在4 5 0 6 0 0 0 ( 2 温度区间内退火后，t i - n i 合 金薄膜试样的表面粗糙度( r q ) 随退火温度的增加逐渐升高。原子力显微 镜的形貌分析表明这一现象可归因于t i n i 合金薄膜晶化过程中，柱状晶核 的生长。经热处理工艺后，t i - n i 合金薄膜b 2 母相的r q 值在1 2 3 o 之间， r 相的r q 值在5 5 9 0 之间，马氏体相的r q 值在8 1 6 之间。此外比较纳 米划痕试验中不同相结构t i - n i 合金薄膜的临界法向载荷可知，在( 1 0 0 ) 单晶s i 基底上t i - n i 合金薄膜b 2 母相的膜基结合强度最大，马氏体相的膜 基结合强度最小，r 相的膜基结合强度介于两者之间。 上海交通大学博士学位论文 微机电系统中磁控溅射t i - n i 合金薄膜的基础研究 以纳米压痕技术表征t i n i 合金薄膜纳米尺度的伪弹性和力学性能。分 析纳米压痕试验结果可知，退火态t i 4 7 8 n i 5 2 2 、t i 4 8 7 n i 5 1 3 及t i 5 0 9 n i 4 9 1 薄膜 的显微硬度和弹性模量依次增大，这与它们基体相( 分别为b 2 母相、r 相 和马氏体相) 的晶体结构和滑移体系有关。此外退火态t i n i 合金薄膜的显 微硬度及弹性模量一般随退火温度的提高而逐渐增加。但值得注意的是 t i 4 8 7 n i 5 1 3 薄膜在5 0 0 0 c 退火时，薄膜显示最大的显微硬度和弹性模量，这 与n i 4 t i 3 相的析出效应有关。 沉积态t i n i 合金薄膜和退火态t i 4 8 7 n i 5 1 3 、t i 5 0 9 n i 4 9 1 薄膜不显示纳米 伪弹性。t i 4 7 8 n i 5 2 2 薄膜由于基体为b 2 母相，逆马氏体相变起始温度在室 温以上，将在纳米压痕试验中展示完整的伪弹性过程。当t i 4 7 8 n i 5 2 2 薄膜在 4 5 0 0 c 6 0 0 0 c 退火时，随退火温度的提高，薄膜的伪弹性回复率t 1 先增大 后减小，其值在4 4 9 - 7 2 7 之间。此外，t i 4 7 s n i 5 2 2 薄膜的t 1 值与施加 载荷的大小也有关。当最大载荷为1 0 m n 时，5 5 0 0 c 退火的t i 4 7 8 n i 5 2 2 薄膜 伪弹性回复率”达到7 2 7 。研究表明t i n i 合金薄膜的伪弹性回复率高于 t i n i 块体合金的伪弹性回复率( 均在4 5 以下) 。 在高温基底上沉积得到具有( 1 1 0 ) 织构的沉积态t i n i 合金薄膜，考 察了薄膜分别在5 5 0 0 c 、6 0 0 0 c 和6 5 0 0 c 的氧化行为。发现t i - n i 合金薄膜在 5 5 0 0 c 、6 0 0 0 c 和6 5 0 0 c 的等温氧化动力学遵循抛物线规律，并随着氧化温 度的提高，氧化速率常数增大。氧化t i n i 合金薄膜由t i 0 2 ，t i n i 3 和b 2 相组 成。随着氧化温度的提高，t i 0 2 和t i n i 3 的含量增加，b 2 相的含量减少。对 t i n i 合金薄膜氧化膜的俄歇成分深度分析表明，氧化膜由最外层和富n i 层组成，在这两层中均含有t i 0 2 ，且t i 0 2 含量随着薄膜深度的增加而递减。 t i n i 3 f d b 2 相皆有可能分布在这两层之中。随着氧化温度的提高，t i n i 合金 薄膜氧化膜的最外层和富n i 层的厚度不断增加。此外，高温氧化使t i n i 合 金薄膜表面趋于平滑，随着氧化温度的提高，t i n i 合金薄膜的表面粗糙度 逐渐降低。 关键词：t i n i 合金薄膜，形状记忆合金，相变，晶化，伪弹性 上海交通大学博士学位论文摘要 t h ef u n d a m e n t a li n v e s t i g a t i o no nm a g n e t r o n s p u t t e r i n gt i n ia l l o yt h i nf i l mi n m i c r oe l e c t r ot 征c h a n i c a ls y s t e m s a bs t r a c t m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ( m e m s ) h a v ep a v e dan e ww a yf o rt e c h n o l o g i c a l i n d u s t r yb ym e c h a n i c a lm i n i a t u r i z a t i o n i n f o r m m i o n a li n t e g r a t i o na n df u n c t i o n a l d i v e r s i f i c a t i o n i n2 1 吼c e n t u r yt h ed e v e l o p m e n to fm e m si sp r o m i s i n ga n dh a sp e n e t r a t e d i n t od i f f e r e n td e p a r t m e n t so fn a t i o n a le c o n o m y m i c r o a c t u a t o r sa r et h ei m p o r t a n tc o m p o n e n t s t oe x c h a n g et h em a t t e ra n de n e r g yb e t w e e nm e m sa n de n v i r o n m e n t t h e i rp r o p e r t i e sa r e c l o s er e l a t e dt ot h ef u n c t i o na n dp r o g r e s so ft h ew h o l em e m s t i - n it h i nf i l m sm a d eb y m a g n e t r o ns p u t t e r i n ga r eo n ek i n do fa t t r a c t i v em a t e r i a l sf o rf a b r i c a t i n gm i c r o a c t u a t o r si n v i r t u eo ft h e i rs i m p l es t r u c t u r e ，s t r o n gw o r k i n gc a p a b i l i t y ，f a s tr e s p o n s es p e e da n dt e n d e n c y t oi n t e g r a t e df a b r i c a t i o n b a s e do nt h ea p p l i c a t i o ni nm e m sf i e l d d e e pc a t c ho nt h er e l a t i o n b e t w e e nt h ep r o c e s s ，m i c r o s t r u c t u r ea n dt h ep r o p e r t i e so ft i - n it h i nf i l m si st h ek e yt op r e d i c t ， i m p r o v ea n du s et h eb e h a v i o ro ft h ef i l m s o p t i m i z et h ed e s i g no fm i c r o a c t u a t o r sa n di n c r e a s e t h e1 i f ea n dr e l i a b i l i t yo fm e m sf u r n i t u r e i nt h i ss t u d y 。t h ea l l o yt a r g e tw a su s e dt of a b r i c a t e t i - n it 1 1 mf i l m sw i t hd i f f e r e n tc o m p o s i t i o n sb ym a g n e t r o ns p u t t e r i n g a f t e rp o s t - a n n e a l e d ， t i 二n it h i nf i l m se x h i b i td i f f e r e n tp h a s e s t h ed e p e n d e n c e so fm i c r o s t r u c t u r e p h a s e t r a n s f o r m a t i o no n a n n e a l i n gt e m p e r a t u r e w e r e i n v e s t i g a t e d a n dt h ei s o t h e r m a la n d n o n i s o t h e r m a lc r y s t a l l i z a t i o nb e h a v i o r so fa m o r p h o u st i j n it h i nf i l m sw e r er e v e a l e da sw e l l t h es u r f a c em o r p h o l o g y ，s u r f a c er o u g h n e s sa n da d h e s i v es t r e n g t hb e t w e e nt h i n f i l ma n d s u b s t r a t ew e r ea n a l y z e d m e a n w h i l et h en a n o s c a l ep s e u d o e l a s t i c i t ya n dm e c h a n i c a lp r o p e r t y o ft i n it h i nf i l m sw e r ee v a l u a t e d b e s i d e st h eh i g ht e m p e r a t u r eo x i d a t i o nb e h a v i o r so f ( 110 ) t e x t u r e dt i - n it h i nf i l m sw e r es t u d i e d t h e s ei n v e s t i g a t i o n sc a l ln o to n l yp r o v i d eg u i d a n c e f o rt h ea p p l i c a t i o no ft i n it h i nf i l m si nm e m sf i e l d b u ta l s ob r o a d e nt h eb a s i cr e s e a r c ho n t i - n it h i nf i l m s e n r i c ht h et h e o r yo fs h a p em e m o r ya l l o ya n dd e v e l o pt h er e l a t e dt e c h n o l o g y o ff u n c t i o n a lt h i nf i l m s t i 二n im i nf i l m sd e p o s i t e do nt h es u b s 仃a t ea ta m b i e n tt e m p e r a t u r ea r ea m o r p h o u sa n d w i l lb ec r y s t a l l i z e da f t e ra n n e a l e da t4 5 0 0 c 6 0 0 0 c t h em a t r i xp h a s e so fa n n e a l e d t i 4 7 8 n i 5 2 2 、t i 4 s 7 n i 5 1 3a n dt i s o 9 n i 4 9 it h i nf i l m sa r eb 2p h a s e ，r - p h a s ea n dm a r t e n s i t e ， r e s p e c t i v e l y w h e na n n e a l e d a th i 曲t e m p e r a t u r e s ( a b o v ea n d i n c l u d i n g5 0 0 0 c ) ，t h e n o n - e q u i a t o m i ct i 二n i t h i nf i l m sw i l l p r e c i p i t a t et h es e c o n dp h a s e t h ep r e c i p i t a t e s o f t i 4 7 8 n i 5 2 2 、t h s 7 n i 5 1 3t h i nf i l m sa r en i 4 t i 3 ，a n dt h ep r e c i p i t a t e so ft i s o 9 n i 4 9 1a r et i 2 n i v i i 上海交通大学博士学位论文微机电系统中磁控溅射t i - n i 合金薄膜的基础研究 w i t ht h ei n c r e a s eo fa n n e a l i n gt e m p e r a t u r e ，t h e ( r e v e r s e ) m a r t e n s i t i ct r a n s f o r m a t i o n t e m p e r a t u r e s ( a s ，a m s ，m 0o ft h 7 8 n i 5 2 2t h i nf i l mi n c r e a s e d ，w h i l et h o s eo ft i 4 8 7 n i 5 1 3 t l l i nf i l mf i r s td e c r e a s e da n dt h e ni n c r e a s e d r p h a s et r a n s f o r m a t i o nt e m p e r a t u r e ( r s r f ) o f t h s 7 n i 51 3 t h i nf i l mw a si n d e p e n d e n to ft h ea n n e a l i n gt e m p e r a t u r e s t h em a r t e n s i t i c t r a n s f o r m a t i o nt e m p e r a t u r e s ( m s ，m r ) o ft i s 0 9 n h 9 1t h i nf i l mw e r en o ts e n s i t i v et oa n n e a l i n g t e m p e r a t u r e s ，w h i l et h er e v e r s em a r t e n s i t i ct r a n s f c i r m a t i o nt e m p e r a t u r e s ( a s ，a 0i n c r e a s e d w i t ha n n e a l i n gt e m p e r a t u r e s a sf o rs p u t t e r - d e p o s i t e db i n a r yt i - n ia l l o yt h i nf i l m s ，t h eh i g h d i s l o c a t i o nd e n s i t yi st h ec a u s eo fr - p h a s et r a n s f o r m a t i o n , w h i l et h ec o m p o s i t i o na n d p r e c i p i t a t i o na r en o tt h en e c e s s a r yc o n d i t i o n si n d u c i n gr - p h a s et r a n s f o r m a t i o n w i t ht h e i n c r e a s eo fs p u t t e r i n gp o w e r ，t h ed i s l o c a t i o nd e n s i t yo ft i - n it h i nf i l m sw i l ld e c r e a s ea n d s u p p r e s sr - p h a s et r a n s f o r m a t i o n b a s e do nt h ea n a l y s i so nd s cc u r v e sa td i f f e r e n th e a t i n gr a t e s ，t h en o n i s o t h e r m a l c r y s t a l l i z a t i o np r o c e s so fa m o r p h o u st i n it h i nf i l m sp r e s e n t e do n e s t 印c r y s t a l l i z a t i o n p r o c e s sa n dt h ec r y s t a l l i z a t i o nt e m p e r a t u r e sw e r eb e t w e e n4 5 0 5 5 0 0 c a st h eh e a t i n gr a t e i n c r e a s e d t h ec r y s t a l l i z a t i o nt e m p e r a t u r e sw o u l dr i s e t h ek i s s i n g e rc a l c u l a t i o nf o r t h e c r y s t a l l i z a t i o nk i n e t i c so ft i 二n it h i nf i l m sw i t hd i f f e r e n tc o m p o s i t i o i l ss h o w e dt h a tw i t ht h e i n c r e a s eo ft h ed e v i a t i o nf r o mn o n - e q u i a t o m i cc o m p o s i t i o n , t h ec r y s t a l l i z a t i o na c t i v a t i o n e n e r g yi n c r e a s e dg r a d u a l l ya n dt h es t a b i l i t yi m p r o v e d t h en e a re q u i a t o m i ct i n it h i nf i l m s ( 4 9 8 8 a t t i ：5 0 0 2 a t n i ) c a n n o ti s o t h e r m a l l y c r y s t a l l i z ea t4 2 0 0 c w i t ht h er i s eo fa n n e a l i n gt e m p e r a t u r e s t i 二n it h i nf i l m sw i l le x h i b i eb 2 p h a s es t r u c t u r e x r dr e s u l t ss h o w e dt h a tw h e nc r y s t a l l i z e db e t w e e n4 2 5 4 5 0 0 c t i - n it h i n f i l m se x h i b i t e ds t r o n gp r e f e r r e do r i e n t a t i o na n dp r e s e n t e d ( 110 ) f i b e rt e x t u r e b yf i t t i n g m d a t at ot h e 胍m o d e l t h ek i n e t i cp a r a m e t e r sf o rc r y s t a l l i z i n ga m o r p h o u st i n it h i nf i l m s w e r ed e t e r m i n e d g i v i n gav a l u eo fa v r a m ie x p o n e n tb e t w e e n2 0 2 4a n do fa c t i v a t i o n e n e r g y3 5 8 1k j m 0 1 b a s e do nt h e s e as i t e - s a t u r a t i o nk i n e t i c sw a sp r o p o s e dw i t ht h ef e a t u r e o fi n t e r f a c e c o n t r o l l e do n e d i m e n s i o n a lg r o w t ho fg r a i n sa n dc o l u m n a rm i c r o s t r u c t u r e na n n e a l e da tt h et e m p e r a t u r eb e t w e e n4 5 0 0 c 6 0 0 0 c s u r f a c er o u g h n e s so ft i 二n i t 1 1 i nf i l m si n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo fa n n e a l i n gt e m p e r a t u r e s a f mm o r p h o l o g ya n a l y s i s i n d i c a t e dt h a ts u c hp h e n o m e n ac o u l db ea s c r i b e dt ot h eg r o w t ho f c o l u m n a rg r a i n s 1 1 l er o o t m e a ns q u a r er o u g h n e s s ( k ) o fb 2p h a s ei nt i - n it h i nf i l m si sb e t w e e n1 2 3 o ；t h a to f r p h a s ei nt i n it h i nf i l m si sb e t w e e n5 5 9 o ：t h a to fm a r t e n s i t ei nt i - n it h i nf i l m si s b e t w e e n8 16 m o r e o v e ra c c o r d i n gt ot h ec r i t i c a ln o r m a ll o a d sb yt h en a n o s c r a t c ht e s to n d i f f e r e n tp h a s e so ft i n it h i nf i l m so nt h es i ( 10 0 ) o fs i n g l ec r y s t a l t h ea d h e s i o ns t r e n g t ho f b 2p h a s ew i t ht h es u b s t r a t ew a st h el a r g e s t ，w h i l et h a to fm a r t e n s i t ew i t ht h es u b s t r a t ew a s t h el e a s ta n dt h a to fr - p h a s ew a sb e t w e e nt h ef o r m e r s t h en a n o s c a l ep s e u d o e l a s t i c i t ya n dm e c h a n i c a lp r o p e r t yo ft i 二n it h i nf i l m sw e r e e v a l u a t e db yn a n o i n d e n t a t i o nt e c h n o l o g y t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h em i c r o h a r d n e s sa n d v i i i 上海交通大学博士学位论文摘要 e l a s t i cm o d u l u so fa n n e a l e d 盹7 8 n i 5 2 2 、t h s 7 n i 5 1 3a n dt i s o 9 n h 9 1i n c r e a s e dg r a d u a l l y ， w h i c hw a sr e l a t e dt ot h ec r y s t a ls t r u c t u r e so ft h e i rm a t r i xp h a s e sa n ds l i p p i n gs y s t e m s m e a n w h i l et h em i c r o h a r d n e s sa n de l a s t i cm o d u l u so fa n n e a l e dt i 二n it h i nf i l m si n c r e a s e d w i t ht h ei n c r e a s eo fa n n e a l i n gt e m p e r a t u r e sn o r m a l l y h o w e v e ri ti sw o r t hn o t i c i n gt h a t a n n e a l e dt i 4 s 7 n i 5 1 3a t5 0 0 0 ce x h i b i t e dt h el a r g e s tm i c r o h a r d n e s sa n de l a s t i cm o d u l u s ，w h i c h c o u l db ea t t r i b u t e dt ot h ep r e c i p i t a t i o no fn h t i 3p h a s e a s d e p o s i t e dt i - n it h i nf i l m sa n da n n e a l e dt i 4 8 7 n i s l 3 、t i s o 9 n i 4 9 1t h i nf i l m sd i dn o t e x h i b i t p s e u d o e l a s t i c i t y a n n e a l e dt i 4 7 s n i 5 2 2 t h i nf i l m sw o u l de x h i b i t c o m p l e t e p s e u d o e l a s t i c i t yp r o c e s sd u r i n gn a n o i n d e n t a t i o nb e c a u s et h e i rb 2m a t r i xp h a s ea n dr e v e r s e m a r t e n s i t i ct e m p e r a t u r ea b o v er o o mt e m p e r a t u r e ，l l e na n n e a l e da tt h et e m p e r a t u r eb e t w e e n 4 5 0 0 c - - - ，6 0 0 0 c ，p s e u d o e l a s t i c i t ye n e r g yr e c o v e r yr a t i o1 1 f i r s ti n c r e a s e dt ot h em a x i m u m v a l u ea n dt h e nd e c r e a s e d i t sv a l u e sw e r eb e t w e e n4 4 9 7 2 7 b e s i d e st h ev a l u e so f1 1 s h o w e dd e p e n d e n e eo ni n d e n t e dl o a d s a tt h em a x i m u ml o a do f10 m n ，nv a l u eo fa n n e a l e d t i 4 7 8 n i 5 2 2a t5 5 0 0 cr e a c h e d7 2 7 i ti so b v i o u st h a tp s e u d o e l a s t i c i t ye n e r g yr e c o v e r yr a t i o o ft i - n it h i nf i l m si sl a r g e rt h a tt h a to ft i n ib u l ka l l o y ( b e l o w4 5 、 a s d e p o s i t e dt i - n it h i nf i l m so nh e a t i n gs u b s u a t ep r e s e n t e df1 10 ) f i b e rt e x t u r ea n dt h e o x i d a t i o nb e h a v i o ro ft i - n it h i nf i l m sa t5 5 0 0 c 6 0 0 0 ca n d6 5 0 0 cw a si n v e s t i g a t e d t l l e r e s u l t ss h o w e dt h a tt h eo x i d a t i o nk i n e t i c so ft i - n it l l i nf i l m so b e y san e a r - p a r a b o l i cl a wa n d t h eo x i d a t i o nr a t ei n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo fo x i d a t i o nt e m p e r a t u r e s r u t i l et i 0 2 t i n i 3 a n db 2p h a s e sa r et h ec o m p o s i t i o n so fo x i d i z e dt i - n it 1 1 i nf i l m s a e sd e p t hp r o f i l e si n d i c a t e t h a tad o u b l e 1 a y e r e ds c a l ei n c l u d i n gt h eo u t e r m o s tl a y e ra n dt h en i r i c hl a y e ri sf o r m e d o u t s i d et h eb 2m a t r i xo fo x i d i z e dt i - n it h i nf i l m s p a r t i c l e so ft i 0 2p h a s e sd i s t r i b u t ei nb o t h l a y e r sa n dd e c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s i n gd e p t h t h et h i c k n e s so ft h eo u t m o s tl a y e ra n dt h e n i r i c hl a y e ri n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s i n go x i d a t i o nt e m p e r a t u r e t h e r m a lo x i d a t i o ni n d u c e s as u r f a c es m o o t l l i e n i n go ft i - n i 廿l i nf i l m sa n ds u r f a c er o u g h n e s so fo x i d i z e dt i - n if i l m d e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s i n go x i d a t i o nt e m p e r a t u r e k e yw o r d s ：t i - n ia l l o yt h i nf i l m ，s h a p em e m o r ya l l o y ，p h a s et r a n s f o r m a t i o n , c r y s t a l l i z a t i o n ，p s e u d o e l a s t i c i t y 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：章磊 日期：2 0 0 7 年4 月1 1 日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密 。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者签名：章磊指导教师签名：吴建生 日期：2 0 0 7 年4 月1 1 日日期：2 0 0 7 年4 月1 1 日 上海交通大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论弟一早瑁了匕 形状记忆效应( s h a p em e m o r ye f f e c t ，简称s m e ) 是一种利用热弹性马氏体相变 实现形状回复的固态现象。许多材料展示出这种效应，其中t i - n i 二元合金以其优秀的 形状回复特性、较强的耐腐蚀和生物相容性，成为应用最为广泛的形状记忆合金( s m a ) 1 - 2 。块体和丝状t i - n i 合金的开发应用历史较长，工艺已日趋成熟。近十几年来，随着 微机电系统( m i c r oe l e c t r om e c h a n i c a ls y s t e m s ，简称m e m s ) 和微加工技术的迅速发展， t i n i 合金薄膜日益受到人们关注。 相对块体材料而言，t i - n i 合金薄膜的厚度较小、表面积较大，其散热能力和冷却 效率提高，因而加快了s m a 器件变形回复的响应速度；同时薄膜的电阻率较高，可改 善器件对温度和应力检测的灵敏度【l 3 】。随着信息社会中电子元器件的尺寸低维化，t i - n i 合金薄膜在微型驱动和传感元件设计和制造方面的优势不断显现，它在m e m s 领域中 的应用已成为材料学科的研究热点之一f 4 卅。 1 2 微机电系统中t - n i 合金薄膜的应用概况 1 2 1 微机电系统的特点和发展概况 ， 微机电系统( m e m s ) 是自上世纪六十年代后发展起来的新兴技术。它通过微加工 技术将各种机械部件、传感器、执行器、信号处理和控制电路等集成在一块硅基片上， 实现基于芯片的完整的机电系统。m e m s 器件的设想与开发涉及到光的传输与处理、 流体传感与控制、通讯与信息设备、生物医学与仿生、交通运输与宇航、机器人、扫描 探针显