Characterization of stress gradients in electroplated nickel thin films

Nikel elastisite modülü, korozyon direnci gibi üstün mekanik ve ayrıca manyetik özellikleri dolayısıyla MEMS alanında çok kullanılan ve çalışılan bir malzemedir. Birçok farklı nikel biriktirme tekniği içerisinde, elektrokimyasal kaplama makro ve mikro seviyede üretim aşamalarında kullanılabilen, iyi çalışılmış ve ticarileşmiş bir yöntem olarak birçok avantajının yanında üretim parametrelerini değiştirerek elastisite modülü ve artık gerilmeleri gibi mekanik özellikleri basitçe ayarlama yeteneği avantajına sahiptir.İnce filmlerdeki artık gerilmelerin belirlenmesi, cihaz performansının optimizasyonu ve üretim maliyetlerinin düşürülmesi için gereklidir. İnce filmlerdeki düzlem içi yer değiştirmeleri kontrol eden düzgün artık gerilmelere ek olarak, parçaların düzlem dışı eğilmelerini belirleyen artık gerilme gradyanlarının karakterizasyonu, MEMS uygulamalarında hareketli parça olarak tasarlanan mikro-yapıların dosdoğru olarak üretilmesinde gereklidir.Bu çalışmanın literatüre ana katkısı, bir ölçüm aracı olarak mikro-çubukları kullanarak, elektrokimyasal kaplanmış 1 µm kalınlığındaki nikel filmlerin artık gerilme gradyanlarının sistematik karakterizasyonudur. Bu ise, elektrokimyasal kaplama parametrelerinden akım yoğunluğu ve çözelti sıcaklığının sırasıyla 1 ? 20 mA/cm2 ve 30 ? 60 °C aralığında değiştirilmesi ile sağlanmıştır. Nikel filmlerdeki artık gerilme gradyanlarının elde edilmesi, çubuk uç eğilmelerinin belirlenmesi ve elastisite modülü ölçümleri ile gerçekleştirilmiştir. Nikel elastisite modülü, yaklaşık 200 GPa olan yığın elastik modülünden küçük olarak 128,2 ? 175,9 GPa aralığında bulunmuştur. Daha sonra DC-kaplanmış çubukların artık gerilme gradyanlarının, 129.95 ile -67.91 MPa/µm aralığında değiştiği hesaplanmıştır. Ölçümler, 30 ve 45 °C elektrokaplama banyo sıcaklıkları için sırasıyla 8 ve 14 mA/cm2 akım yoğunluklarında sıfır artık gerilme gradyanına yani düzgün çubuklara ulaşılabileceğini göstermektedir. Buna karşılık, 60 °C elektrokaplama banyo sıcaklığı için çalışılan akım yoğunluğu aralığında düzgün çubuk üretilmesine yol açan uygun bir akım yoğunluğu bulunamamıştır.Farklı nikel film kalınlığına sahip numunelerin XRD ölçümlerini ve film yüzeylerinin ve ara kesitlerinin SEM morfoloji analizlerini içeren mikro-yapı analizleri büyüyen nikel film karakteristiklerinin araştırmak için kullanılmıştır.