微构件的服役性能与其制备工艺之间关系的研究

　　1简介

　　微型机械近几年来发展迅速，随着微细加工技术的发展，部分正进入实用化阶段，如采用表面硅基技术加工的微型电机、微型泵等.欲真正进入实用化，除了微型机械的运动机理有待更深入的研究，以使其结构设计和运动形式更加完善外，微构件的制备工艺和服役性能之间的关系也是需要深入探讨的课题.目前，国际上对微构件服役性能多数只集中在性能指标本身的测试上，而对微构件制备工艺与材料之间的关系研究很少.因此开展这一领域研究具有重要的理论和实际意义.过去我们认为硅片是很少有缺陷的单晶体，具有较高的机械强度，没有材料潜在的蠕变和疲劳，有着良好的机械性能，没有对微构件的服役可靠性作更深一步的分析研究，对微构件的服役性能与其化学组成、制备工艺之间的关系也缺乏足够的了解，而这些是微型机械发展的重要基础.其它如IJGA和准LIGA制造技术，虽具发展前景，但也会遇到这样的问题.我们对微构件服役性能与其化学成分、微观组织制备工艺之间关系的研究将为微型机械研究打下一定的理论基础.

　　2微构件服役性能与其工艺之间的关系

　　微机械加工有其特殊性，即材料制备与构件制备同步完成.而微机械的应用决定了其构件必须满足某些机械性能，其性能取决于构件的化学组成及微观结构，化学组成及结构则取决于制备工艺.硅基表面技术加工微型机械借用了半导体微细加工手段，并发展了牺牲层技术.由于其制备工艺的特殊性，构件的晶粒非常细小，在液氮温度下沉积的大多数金属薄膜其晶粒尺寸仅有2一4nn，即使在常温下沉积，高熔点材料的晶粒很小，低熔点材料的晶粒也不过10nm.通常情况下，细晶材料不仅具有较高的强度而且具有良好的塑韧性.对薄膜来讲却不然，尚要考虑晶界的结构及其缺陷分布.如美国的J.Koshinonl等通过测量用低温化学气相沉积制备的、以不同的退火条件得到晶粒大小不同的多晶硅纤维的抗拉强度，一方面寻找抗拉强度最大的多晶硅对应的晶粒尺寸平均值，另一方面研究纤维抗拉强度与其内部组织间的关系.同时，构件在制备过程中容易产生内应力(也称残余应力).如化学气相沉积须经历三个基本过程:即沉淀粒子的产生及其向基极的运输并最终在基极上凝聚成膜.由于急冷度很高，薄膜粒子被固体表面俘获的同时还将产生尖峰效应和位移尖峰效应，在固体表面形成一个局部的强扰动区，局部压强高达数个GPa.因此成膜过程显示出极强的热力学非平衡性，微晶、准晶、非晶和各种亚稳相的形成机率大大增加，缺陷机率也远远高于一般的块体材料.薄膜内杂质、中空、位移会引起组织的变化，诸如粒子生长、再结晶等.这些及传递的不均匀造成内应力的产生最终可能会使薄膜发生变形或破坏.残余应力是微构件的一个重要的状态参量和力学参量，也是影响微构件服役性能的一个重要因素.它强烈地受控于微构件的组织与结构.微型机械残余应力基本上由热应力和本征应力组成.前者来源于膜与基体表面不同的热膨胀系数，后者决定于其生长方式和结构变化.如采用化学气相沉积，在不同的温度下可出现压应力和张应力.因而，定性和定量地研究微构件中残余应力的形成意义重大.