벌지 실험을 통한 Ti 박막의 크기 효과 관찰 및 기계적 물성 측정

Observation of Size Effect and Measurement of Mechanical Properties of Ti Thin Film by Bulge Test

본 연구에서는 벌지 실험을 이용하여 티타늄 박막의 기계적 물성을 측정하였다. 벌지 실험은 외적 지지구조를 가지지 않는 박막 시편의 한 면에 일정한 압력을 가하여 박막의 변위를 측정, 압력과 변위의 관계를 이용하여 박막의 기계적 물성을 측정하는 실험이다. 스퍼터링을 이용해 증착된 티타늄 박막의 두께는 1.0, 1.5, $2.0{\mu}m$ 이고, 물성의 열처리 시간에 대한 영향을 알아보기 위해 증착된 시편은 $600^{\circ}C$에서 각각 150, 300, 600 초 동안 열처리 되었다. 박막의 탄성 계수, 잔류 응력, 항복 응력이 벌지 실험을 통해 측정되었고, 실험 결과 항복 응력은 열처리 시간에 의존하는 특성을 확인하였다. 또한 시편 두께가 감소할수록 강도가 증가하는 크기효과를 관찰하였다.

In this study, the mechanical properties of a Ti thin film are measured by a bulge test. In the bulge test, uniform pressure is applied to one side of the film. Measurement of the membrane deflection as a function of the applied pressure allows one to determine the mechanical properties of the film. Ti thin films with thicknesses of 1.0, 1.5, and $2.0{\mu}m$ were deposited on a Si wafer by using an RF magnetron sputtering system. These specimens were annealed at $600^{\circ}C$ for 150, 300, and 600 s to investigate the effect of temperature on the yield stress and mechanical properties of the Ti films. The elastic modulus, residual stress, and yield stress of these membranes are measured by a bulge test. The experimental results suggest that the yield stress is sensitive to the film thickness and annealing time.