Характеристики микромеханических реле на основе тонких слоистых исполнительных элементов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Анализ принципа действия, конструкции и технологии изготовления микромеханических реле (обзор литературы)

1.1 Принцип действия и особенности конструкции исполнительных элементов микромеханических реле

1.2 Технология изготовления исполнительных элементов микрореле.

1.3 Физико-технологические ограничения при изготовлении исполнительных элементов микромеханических реле, полученных методом гальванического осаждения

1.4 Общие сведения о методе получения гальванических покрытий.

1.5 Состав электролитов никелирования, меднения и золочения

2. Исследование характеристик исполнительных элементов, полученных методом гальванического осаждения, для применения в устройствах МСТ (экспериментальная часть)

2.1 Цель

2.2 Объекты исследования

2.3 Методы исследования

2.4 Описание эксперимента

2.5 Экспериментальные результаты

2.5.1 Выбор оптимальных режимов и условий осаждения никеля из сульфаминовокислого электролита для применений МСТ

2.5.2 Морфология гальванических пленок никеля, меди и золота, полученных при оптимальных режимах и условиях гальванического осаждения

2.5.3 Механические свойства исполнительных элементов УМСТ на основе системы металлов «золото-никель-золото»

3. Оптимизация исполнительных элементов УМСТ

3.1 Рекомендации по снижению влияния физико-технологических ограничений исполнительных элементов, полученных методом гальванического осаждения, на характеристики микрореле

3.2 Характеристики исполнительных элементов микрореле, изготовленных с учетом рекомендуемых технологических и конструктивных решений

Заключение

Приложения

Расчет напряжения срабатывания исполнительного элемента при различных жесткостях упругого подвеса

Расчет давления срабатывания исполнительного элемента при различных жесткостях упругого подвеса

Исследование сил молекулярного взаимодействия между гальваническими пленками никеля, золота и кремниевым зондом атомно-силового микроскопа

Расчет сил адгезии кантилевера к никелевым и золотым балочным подвижным элементам. Обработка экспериментальных данных Mathcad

Расчет сил адгезии кантилевера к никелевым и золотым балочным подвижным элементам по модели леннард-джонса. Mathcad

Список сокращений

Список литературы

ВВЕДЕНИЕ

микромеханический реле гальванический электролит

Механические микросистемы находят широкое применение в космическом приборостроении, а также в других отраслях как гражданской, так и военной промышленности. Под механическими микросистемами понимаются такие устройства, как микродатчики и микроприводы, способные реагировать на изменение окружающей среды, используя для этого внутренние средства управления. В состав таких систем могут входить различные микрокомпоненты в зависимости от функционального назначения устройства, например: микроисточники питания, микрореле, сигнальные микропроцессоры, и др. Микрокомпоненты позволяют повысить быстродействие и надежность системы, снизить стоимость, расширить ряд функциональных возможностей.

В работе исследовались микросистемы на основе микромеханических реле c электростатическим механизмом управления.

Цель работы. Оптимизация технологии изготовления и конструкции исполнительных элементов устройств микросистемной техники для улучшения характеристик микромеханических реле.

Для достижения цели требуется решить следующие задачи:

1. Провести анализ принципа действия типовых конструкций микрореле и основных методов изготовления.

2. Выявить основные физико-технологические ограничения при изготовлении микромеханических реле.

3. Провести экспериментальную работу.

4. Сформулировать рекомендации по преодолению физико-технологических ограничений.

5. Сформулировать выводы.

1. АНАЛИЗ ПРИНЦИПА ДЕЙСТВИЯ, КОНСТРУКЦИИ И ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МИКРОМЕХАНИЧЕСКИХ РЕЛЕ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)

1.1 Принцип действия и особенности конструкции исполнительных элементов микромеханических реле

Микромеханическое реле - это силовое микроустройство, осуществляющее разрыв или соединение линии передач при помощи исполнительного механизма, управляемого специальным сигналом. Микрореле используются в высокочастотных схемах для перенаправления сигналов (в том числе сигналов большой мощности и высокой частоты), а также в цепях согласования импеданса и для изменения усилительного коэффициента усилителей.

Любое микроэлектромеханическое устройство состоит из некоторого набора микроструктур, объединяющих механические и электронные компоненты, изготовленные по единой технологии (за исключением гибридных микроприборов). В общем случае, ЭКБ можно разделить на преобразователи, упругие подвесы, и электронные средства [ 1-4].

Принцип действия исполнительного механизма микрореле основан на преобразовании электрической энергии в механическую и наоборот, для чего применяются частотно-зависимые преобразователи. Преобразователи бывают пьезоэлектрическими, электрострикционными, магнитострикционными, электромагнитными, электродинамическими, электростатическими и др. [1].

Несмотря на то, что каждый из указанных типов преобразователей имеет свои достинства и недостатки, электромеханические приводы являются самыми распространенными в микросистемах [2]. Преимущество электростатических исполнительных механизмов заключается в отсутствии потребления тока, а недостаток - в высоком напряжении срабатывания (от 5 до 100 В). Электростатические реле применяются в системах, для которых важным является низкая потребляемая мощность [1].

Исполнительный элемент электростатического микрореле, в самом простом случае, представляет собой систему из двух коммутирующих электродов (подвижного и неподвижного), электрически изолированных друг от друга в разомкнутом состоянии [5].

В консольном микрореле такой элемент выполнен в виде свободно подвешенной консольной балки (см. рис.1) [2].

Рис.1.1. Консольное микромеханическое реле.

а) Ключ разомкнут; б) Ключ замкнут.

При подаче управляющего напряжения между металлическими поверхностями происходит перераспределение зарядов, что приводит к возникновению электростатических сил. Под действием этих сил, заставляющих свободно подвешенный контакт двигаться навстречу нижнему электроду, балочка прогибается. В ней возникают силы упругости, направленные в противоположных воздействию направлениях. В момент, когда электростатические силы превзойдут силы упругости - консоль резко упадет на нижний электрод, что приведет к замыканию электрических контактов (рис.1.1-б).

Консоль вернется в исходное положение (рис 1.1-а) после того, как приложенное напряжение станет ниже порогового значения размыкания контактов (которое, как правило, бывает значительно ниже напряжения срабатывания) [2].

Рассмотрим подробнее процессы, возникающие в балочке консольного микромеханического реле под действием внешней силы (рис. 1.2-а). Любой объем, расположенный в напряженном теле, подвержен воздействию двух типов сил: объемных и поверхностных [3].

Объемные силы действуют на все части упругого элемента извне, к ним относятся, например, сила тяжести и сила инерции. Поверхностные силы приобретают огромное значение для наноразмерных объектов, в частности, наноструктурированных пленок. Дальнейшая миниатюризация микроустройств и развитие планарных технологий в полупроводниковой промышленности уже происходит с учетом эффектов в приповерхностном слое, таких как, например, реконструкция атомов и возникновение другого порядка из-за ненасыщенности связей на поверхности [4].

Поверхностные силы в рассматриваемых микро- и нанотолщинных балочных подвижных элементах действуют через поверхность любого удельного объема со стороны окружающих частей. Через них выражаются механические напряжения. В свою очередь, связь между механическими напряжениями и деформациями определяет закон Гука. Если принять упругие свойства материала консоли анизотропными, то закон Гука в тензорной форме примет вид:

е_ij = s_ijklЧT_kl (1.1)

где: s_ijkl - тензор упругих податливостей; T_kl - тензор мех. напряжений [3].

Выделим часть консольной балочки сечением S, левую часть упругого элемента отбросим. Уравновесим отсутствующую левую часть силами, распространяющимися по сечению, как показано на рис. 1.2-б.

Рис.1.2. а) Балочка консольного микрореле под действием силы Q.

б) Выделенная сечением S часть консольной балки.

Вертикальную составляющую смещения балочного исполнительного элемента можно найти на основе вычисленных компонент тензора механических напряжений и тензора упругих деформаций:

(1.2)

где: а - толщина балочки; b - ширина балочки; L - длина балочки;

Q - действующая сила; S_ij - тензор упругих деформаций.

Выражение (1.2) справедливо для случая, когда кристаллографическая ориентация молекул материала балочки совпадает с осями x₁, x₂, x₃ (см. рис. 1.2). Расчет смещения консольной балки для всех случаев кристаллографической ориентации рассмотрены подробно в [3]. Четыре года спустя, другая группа ученых [5] также выяснила, что отклонение конца балки пропорционально L³/a³b.

Рассмотренный выше балочный подвижный элемент применяется при последовательном электрическом соединении, в случае параллельного соединения используют, например, двухконсольные микромеханические реле (рис.1.3), в которых роль исполнительного элемента выполняет жестко зафиксированная мембрана [6].

Рис.1.3. Двухконсольное (мембранное) микромеханическое реле.

а) Ключ разомкнут; б) Ключ замкнут [2].

При подачи сигнала на пластину действует равномерно распределенная нагрузка. Расчет напряжений и деформаций в таком балочном подвижном элементе сводится к решению уравнений на прогибы [4]. Таким образом, мы рассмотрели самые простые конструктивные схемы исполнительных элементов УМСТ - консоли и мембраны. В зависимости от поставленных задач и функционального назначения устройства в электростатических микрореле и других УМСТ могут применяться более сложные типовые конструкции исполнительных элементов.

Исполнительный элемент является самым критическим узлом конструкции микромеханического устройства, что объясняется механической сложностью и подверженностью к износу [2,3].

Исполнительный элемент (чувствительный элемент) устройств микросистемной техники (УМСТ), таких как ВЧ переключатель, акселерометр, датчик давления, состоит из инерционной массы (ИМ), которая смонтирована в корпус с помощью упругих подвесов [2]. На рис. 1.1 представлена принципиальная схема исполнительного элемента УМСТ.

1 - корпус, 2 - упругий подвес, 3 - подвижный электрод,4 - неподвижный электрод,S - площадь перекрытия обкладок подвижного и неподвижного электродов.

Рис. 1.4. - Конструктивная схема подвижного узла РМП [1].

Чувствительные элементы изготавливаются из различных материалов в зависимости от функционального назначения микроустройства: по объемной технологии - из полупроводников или диэлектриков [1-4], по многоуровневой поверхностной технологии - из диэлектрических и/или металличеких микро- и нанотолщинных пленок [2,4].

Исполнительные элементы микроприборов, таких как ВЧ переключатель, акселерометр, датчик давления, изготавливаются на основе гальванических пленок металлов (в том числе золота, меди и никеля), что позволяет упростить и удешевить технологию изготовления конструктивных элементов микромеханических устройств с требуемыми свойствами [2-4].

Характеристики исполнительных элементов зависят от конструктивной схемы, которая выбирается исходя из функционального назначения микроустройства, и технологии изготовления [1-4].

Рис. 1.5. Принципиальные схемы осевых ЧЭ [1] электроуправляемых микроустройств: а), б) ЧЭ с крестообразным подвесом; в),г) ЧЭ с z-образным косо-симметричным подвесом; д) ЧЭ с симметричным подвесом; е) ЧЭ с параллельным подвесом. 1 - ИМ; 2 - упругий элемент; 3 - опорная рамка [1].

Типовую схему ЧЭ можно оптимизировать в соотвествии с поставленной задачей с помощью упругих подвесов, которые бывают трех типов [2]:

Рис. 1.6.Варианты креплений подвесных исполнительных элементов УМСТ для получения низких коээфициентов упругости системы.

ЧЭ на рис.1.5 а), б) имеют две пары упругих элементов, расположенных крестообразно вдоль осей х,z. Конструктивный вариант б) может быть изготволен с меньшей жесткостью подвеса в направлении оси y. Ось чувствительности ЧЭ на рис 1.5 а), б) совпадают с осью y (начало координат на всех рисунках 1.5. находится в геометрическом центре пластин) [1].

Схема рис.1.5 а) реализуется в микрореле, проектируемом в ОАО «Российские Космические Системы»

Рис. 1.7 - Исполнительный элемент с крестообразным подвесом на упругих пружинах.

ЧЭ на рис.1.5 в),г),д) имеют по две пары упругих элементов, параллельных одной из осей: x или z. Эти подвесы могут быть названы z-образными и между ними есть разница, определяемая местом соединения упругого элемента с пластиной ИМ. Оси чувствительности конструкций на рис. в),г),д) совпадают с осью y. Причем, подбирая геометрические размеры упругих элементов, ЧЭ можно спроектировать таким образом, что ИМ будет чувствительна к любой из осей (особенно это относится к схеме д) [1].

Модифицированная схема д) реализуется в микроэлектромеханических переключателях «Теравикта» - одного из ведущих производителей МЭМС.

Рис. 1.8 - Схема исполнительного элемента с симметричным подвесом СВЧ-микрореле «Теравикта» [I] .

Компания «Теравикта» анонсировала выход самого быстрого в мире MЭМС-коммутатора [а], работающего на частоте до 26,5 ГГц.

Исполнительный элемент по схеме (рис 1.5-е) может иметь ось чувствительности, совпадающую с осью y или x.

Схема реализуется в микромеханическом реле компании «Нортроп Грумман Корпарэйшн» (Northrop Grumman Corporation, Los Angeles, CA).



Рис 1.9 - Исполнительный элемент с параллельным подвесом на пружинных упругих элементах от «Нортроп Грумман Корпарэйшн» [II].

Исполнительные элементы на рис.1.5 действуют по тому же принципу, что и рассмотренные выше консоли (рис. 1.1) и мембраны (рис. 1.3).

Уравнение движения ИМ (прогиба) при условии, что центра масс и геометрический центр пластины совпадают, а также совпадают направление действующего ускорения с одной из координатных осей, например с осью y, имеет вид [1]:

my' + b_yy' + G_yy = ma_y, (1.3),

где m - масса ИМ; b_y - коэффициент демпфирования вдоль оси y; G_y - суммарная жесткость подвеса в направлении оси y; a_y - действующее ускорение.

В установившемся режиме (y'=y”=0)

y = ma_y/ G_y (1.4),

Расчет смещения исполнительных элементов разной конструкции подробно рассмотрен в [4,6,7,8].

Таким образом, чувствительность исполнительного элемента зависит от конструкции ЧЭ и ряда параметров: y, y', b_y, G_y, m.

На рабочие характеристики исполнительных элементов УМСТ влияют: величина зазора между ЧЭ и нижним электродом; напряжение срабатывания; коэффициент демпфирования; инерционная масса; жесткость упругого элемента. Первые три из них в значительной степени зависят от типа конструкции, оставшиеся два - инерционная масса и жесткость упругих элементов зависит от технологии изготовления.

ЧЭ для электроуправляемых УМСТ делают по многоуровневой поверхностной технологии на основе гальванических пленок металлов [3,7]. В зависимости от режимов формирования можно получать исполнительные элементы с различными механическими и электрофизическими характеристиками [5-7,10,13]. Масса и жесткость упругих подвессов может регулироваться временем гальванического осаждения.

В настоящей работе рассматриваются чувствительные элементы типовой конструкции (см рис. 1.7) для коммутационных микроустройств с ЧЭ, изготовленными на основе гальванических пленок золота [12] и никеля [13]. Режимы гальванического осаждения, обеспечивающие требуемые физико-механические свойства определены в [19,20].

Выбор адекватных режимов формирования исполнительных элементов - нетривиальная задача, обусловленная функциональным назначением микроустройства. Например, конструктивные особенности и режимы изготовления ЧЭ микропереключателей позволяют снизить себестоимость и вносимые энергопотери, обеспечить высокое отношение емкостей во включенном и выключенном состояниях, получить добротность того же порядка, что и у существующих электронных аналогов (диод Шотки, MOSFET, PIN-диод) [1-4,10].

Ввиду широкого применения коммутационных микроустройств в космическом приборостроении и других отраслях промышленности, большой интерес представляют пути улучшения рабочих характеристик УМСТ на основе таких исполнительных элементов. В связи с этим особое внимание уделяется технологии изготовления исполнительных элементов УМСТ.

1.2 Технология изготовления исполнительных элементов микрореле

Рассмотрим подробнее основные методы изготовления микроустройств. Техника изготовления микросистем на кремниевых подложках основана на использовании двух методов микрообработки: объемного и поверхностного. Выбор кремния в качестве основы для МЭМС обусловлен хорошими механическими характеристиками (кремниевые структуры могут выдерживать давления p>0.35 ГПа и ускорения до 100000g [4]), электрическими [7] и термическими [4] свойствами. Объемная технология заключается в локальном удалении кремния с одной из сторон подложки с последующим формированием конструктивных элементов, таких как мембраны, консоли и т.д. Для создания микроструктур с помощью поверхностной технологии используются тонкие слои, создаваемые диффузией, ионным легированием и осаждением. Воспроизведение размеров и форм структур приборов, экспонирование фоторезистов осуществляется методом фотолитографии.

Главное достоинство компонентов, реализованных методами поверхностной микрообработки кремния - это простота их объединения с интегральными схемами. МЭМС на кремниевых подложках изготавливаются по групповой технологии, что позволяет получать сотни кристаллов на одной производственной единице, каждый из которых является функционально законченным устройством и может применяться при разработки аппаратуры различного назначения. Следствие - снижение себестоимости. Поэтому, исследуемые микромеханические реле формировались методами поверхностной микрообработки.

Для изготовления микроустройств по поверхностной технологии требуются следующие материалы [1-3]:

1. Материалы для формирования микроструктур (структурные материалы),

2. Материалы для формирования защитных слоев (защитные материалы),

В качестве структурного материала в балочных исполнительных элементах микромеханических реле могут использоваться гальванически осажденный никель, золото или др. Золотые покрытия превосходят никелевые по электрическим свойствам, но уступают по механическим характеристикам. Твердость HV для золотых гальванических покрытий лежит в диапазоне 1,05..3,00 ГПа [9]. Устройства с золотыми консолями подробнее рассмотрены в [5] и [9].

Рассмотрим основные технологические операции в процессе формирования микроустройств (например, микрореле) методом поверхностной микрообработки.

1. Термоокисление. (Формирование защитных пленок окислением под действием высоких температур 1200..1500 К) Толщина пленки линейно зависит от толщины слоя исходного окисляющегося материала [4]. Процесс термоокисления накладывает ограничения на материалы подложки в связи с высокими температурами при формировании окислов.

2. Осаждение тонких пленок и наноструктурированных слоев. (Осаждение из плазмы, магнетронное распыление, осаждение из коллоидных растворов) При осаждении из плазмы вещество бомбардируют низкоэнергетическими ионами из плазмы газового разряда, распыленные атомы, достигая подложки, конденсируются на ней. С помощью метода можно получить не просто пленки нанометровой толщины, а наноструктурные пленки. Качество покрытий во многом зависит от режимов распыления: давления рабочего газа в вакуумной камере, температуры подложки, напряжения и тока разряда и др. К нежелательным эффектам, характеризующим плазмохимические процессы, относятся перегрев и статическое электричество на металлических элементах подложки, если таковы имеются. Магнетронное распыление характеризуется более интенсивным распылением. Для повышения эффективности процесс проводят на высоких частотах [10]. При формировании пленок методом магнетронного распыления особое внимание следует уделить очищению и подготовке подложки. Для улучшения адгезионных свойств рекомендуется прогревать подложку перед процесом распыления [11]. Осаждением из коллоидных растворов формируются оксидные полупроводниковые пленки (ZnO, SnO₂, TiO₂, WO₃). Температурный интервал осаждения - 1200..1400 К, скорость осаждения - 0.03..0.2 мкм/мин. Температура осаждения снижается до 600..900 К при использовании лазерного излучения. Методы позволяют получить аморфные нанокристаллические пленки [11].

3. Нанесение «жертвенного» слоя (например, полиимида или фоторезиста) центрифугированием. Метод позволяет получить слой полиимида толщиной в несколько микрон, на котором и будет сформирован исполнительный элемент с верхним электродом. Требования к установке - постоянная частота вращения центрефуги, требования к фоторезисту - небольшая шероховатость. Режимы нанесения сильно зависят от свойств материала. При некорректном выборе режимов нанесения - «жертвенный» слой ложится волнообразно, что негативно скажется на рельефе и морфологии последующих функциональных слоев.

4. Получение микро- и нанотолщинных пленок методом гальванического осаждения. Качество покрытий, их физико-химические и механические свойства во многом зависят от режимов гальванического осаждения. В работе исследованы режимы по плотности тока, температуре и времени осаждения, обеспечивающие воспроизводимое формирования балочных подвижных элементов. Гальваническим осаждением можно формировать как нижние электроды микрореле, так и верхний подвижный элемент.

5. Фотолитография. При экспонировании пятен нанометровых размеров ток луча приходится понижать (из-за эффектов объемного заряда и электронно оптических аббераций), что приводит к относительному увеличению времени экспонирования субмикронных элементов фоторезиста (Время экспонирования единичного пятна обычно не превышает 0.1 с при плотности тока до 50 А/см²). Современная литография продолжает развиваться, и уже превзошла ранее предсказанные пределы по разрешающей способности: оптическая литография - 100 нм, рентгеновская литография - 80 нм, электронная литография - 50 нм, ионно-лучевая литография - 10 нм [11]. В настоящее время, в промышленном масштабе, удается устойчиво получать структуры разрешением 500 нм, что свидетельствует о том, что реальная ситуация в фотолитографической технике пока еще отстает от показателей в источнике [11].

6. Жидкостное травление. Удаление защитных слоев.

Рассмотрим технологический маршрут производства микромеханических реле методом поверхностной микрообработки кремния.

1. Химическая обработка.

Кремниевые пластины проходят гидромеханическую очистку, очистку в перекисно-серном растворе (растворе Каро) После этого пластина попадает на трехкаскадную промывку в деионизованной воде с удельным сопротивлением не менее 18 Мом. Далее, промывка в аммиачно-перекисном растворе (состав: вода, аммиак, перекись водорода). И, наконец, повторная промывка в деионизованной воде.

После химической обработки получаем специально подготовленную кремниевую пластину с полированной рабочей стороной. Пластина готова к формированию микроструктур.

2. Нанесение изоляционного слоя SiO₂ методом термического осаждения.



Рис. 1.10. Кремниевая подложка с изоляционным слоем SiO₂

3. Формирование нижнего электрода методом вакуумного напыления и многослойного гальванического осаждения.

Рис. 1.11. Образец с нижним электродом

4. Формирование опор для балочного подвижного элемента методом гальванического осаждения.

5. Нанесение полиимидной пленки (3..5) мкм. центрифугированием (n = 2000 об/мин; t = 40 c).

Рис 1.12. Кремниевая подложка, защищенная слоем полиимида.

6. Термоимидизация. Подсушивание в два этапа: 30 мин при 400 К; 30 мин. при 600 К.

7. Контроль. (Измерение толщины плёнки.)

8. Напыление вспомогательного слоя (ванадий - никель).

Толщина пленки ванадия - 100 нм, толщина пленки никеля - 300 нм.

9. Химическая обработка поверхности перед фотолитографией №2.

10. Гальваника. Нанесение слоя или нескольких слоев металлов разной толщины.

11. Измерение толщины осаждённого никеля.

12. Формирование технологических отверстий.

13. Травление металла (ванадия - никеля).

Рис.1.13. Образец с никелевой мембраной после формирования технологических отверстий

14. Плазмохимическое сухое травление полиимидной плёнки.

Рис 1.14. Конечный продукт.

15. Контроль.

Таким образом:

1. Рассмотрены явления, протекающие в исполнительных элементах микромеханических реле в процессе работы.

2. Рассмотрены основные типовые конструкции исполнительных элементов (см. рис. 1.1, 1.3 и 1.5)

3. Показано, что микросистемы, изготовленные по поверхностной технологии обладают рядом преимуществ по сравнению с микроустройствами, изготовленными по объемной технологии. Дана классификация материалов, применяемых при поверхностной микрообработки, перечислены основные технологические операции в процессе формирования подвижных элементов.

4. Показано, что свойства УМСТ зависят от типа конструкции и технологии изготовления. Процесс изготовления микрореле может насчитывать более полусотни операций. Некоторые операции могут накладывать технологические ограничения на изготовления исполнительных элементов, а принцип работы и свойства материалов - физические ограничения на устройство в целом.

В связи с этим, необходимо рассмотреть физико-технологические ограничения при изготовлении микромеханических реле и проанализировать пути их частичного или полного устранения.

1.3 Физико-технологические ограничения при изготовлении исполнительных элементов микромеханических реле, полученных методом гальванического осаждения

Интеграция микромеханических реле в УМСТ сопряжена с рядом практических трудностей. Для улучшения функциональных возможностей микрореле необходимо преодалеть физико-технологические ограничения основного элемента конструкции - исполнительного механизма.

В состав исполнительного механизма микрореле входят упругие элементы (подвесы - см. рис. 1.6), которые деформируются под действием сил различного характера, что приводит к изменению их потенциальной энергии. Эти изменения энергии в микросистемах могут использоваться различным образом. В настоящее время существует несколько основных типов упругих элементов, которые получили широкое применение в микросистемной технике. Выбор конфигурации упругого элемента в значительной мере зависит от технологии изотовления и от функциональной задачи микроустройства. Существуют упругие подвижные элементы балочного, мембранного и гребенчатого типов [12].

Исполнительный механизм микромеханических реле на основе балочных и мембранных упругих подвижных элементов обладает рядом преимуществ по сравнению с ключами на PIN диодах. Во-первых, процесс переключения не требует больших затрат энергии (обычно не более нескольких микроджоулей), во-вторых, переключение характеризуется высоким отношением емкостей во включенном и выключенном состоянии. Однако механический исполнительный механизм обладает и серьезными недостатками: низкой скоростью переключения и довольно высоким напряжением срабатывания, обычно 5..100 В [4].

Остановимся подробнее на недостатках или физико-технологических ограничениях микромеханических реле:

Скорость переключения. Механические ключи всегда уступают электронным в быстродействии, их скорость переключения лежит в диапазоне от микросекунд до миллисекунд в зависимости от материала и конструкции. Микромеханические реле, использующие мембрану небольшого веса, являются более быстродействующими по сравнению с консольными переключателями. Время переключения зависит от приложенного напряжения, эффективной жесткости балки и зазора между контактами. Скорость переключения можно снизить, уменьшая габаритные размеры деталей исполнительного механизма микрореле. Следует отметить, что уменьшение размеров балочного элемента помимо снижения времени переключения приводит к расширению полосы пропускаемых частот, уменьшению перемещаемой массы и к сокращению длительности процесса изменения состояния. При этом также снижается значение допустимого тока через контакт, превышение которого может привести к ухудшению характеристик микрореле после определенного числа циклов замыкания-размыкания [2].

Высокое напряжение срабатывания существенно ограничивает применение микромеханических реле в МЭМС, так как для применения в ВЧ и микроэлектронных системах напряжения должны быть не выше 5 В. Напряжение срабатывания можно уменьшить тремя способами [2]:

1. увеличением площади электродов;

2. уменьшением зазора между исполнительным механизмом (балкой, мембраной) и нижним электродом;

3. уменьшением упругости структуры.

Метод увеличения площади электродов практически никогда не применяется в связи с тенденцией к миниатюризации в МЭМС. В методе уменьшения зазора расстояние между исполнительным элементом (консолью или мембраной) и электродом обуславливают два фактора: толщина жертвенного слоя и изгиб мембраны. Изгиб мембраны проявляется за счет наличия механического напряжения и его градиента в исполнительном элементе. Механические напряжения появляются в результате осаждения исполнительного элемента, а также процессов в слоеной структуре, имеющей слои с различными коэффициентами теплового расширения [12]. При уменьшении зазора между исполнительным элементом и электродом следует учесть ограничения на величину зазора, вызванные потерями на отражение ВЧ сигнала. Метод уменьшения упругости структуры является самым гибким подходом, так как снижение упругости конструкции не приводит к значительному изменению размеров, веса и ВЧ характеристик микромеханических реле. Использование в ключах очень эластичных складчатых подвесных пружин и увеличение зоны действия электростатического поля позволяет значительно снизить напряжение срабатывания. В последних разработках микромеханических реле: с использованием серпантинных и консольных пружин [12], а также подвесных консольных конструкций [13], удалось снизить напряжение срабатывания до 14... 16 В.

Рассмотрим еще один критический момент микромеханических реле за счет управляющего напряжения. Выключение ключа осуществляется путем снижения напряжения, однако балочный подвижный элемент возвращается в исходное состояние при меньшем напряжении, чем напряжение срабатывания, т. е. в системе появляется гистерезис. От гистерезиса можно избавиться, если механические микропереключатели изготавливать по многоуровневой поверхностной технологии с нанесением никеля гальваническим способом.

Изоляция ВЧ линий. При переключении микромеханического реле линии подачи управляющего напряжения должны быть хорошо изолированы от линий ВЧ сигнала, поэтому необходимо тщательно продумывать топологию схемы для обеспечения надежной изоляции ВЧ и управляющих линий друг от друга. При попадании постоянного напряжения срабатывания в ВЧ тракт может произойти выход из строя ВЧ микрореле и тестирующих систем. Проблема решается с помощью элементов, блокирующих сигналы постоянного напряжения в ВЧ линиях. Другой вариант - с помощью спаренных линий. Благодаря низкому уровню рассеиваемой энергии и небольшому току срабатывания, изоляция ВЧ тракта от управляющих цепей в микрореле осуществляется весьма успешно [2].

Механические свойства. Изготовление балочного подвижного элемента сопровождается практическими трудностями, обусловленными механическими свойствами используемых материалов, например, напряжением в материале. Механическое напряжение в мостовых микрореле определяется, в основном, растяжением, которое составляет порядка 10⁷ Па. Это напряжение меняет константу упругости материала, за счет чего увеличивается пороговое напряжение. Структурные материалы, применяемые для построения микроструктур, должны удовлетворять механическим требованиям: выдерживать высокое разрушающее напряжение, быть устойчивыми к пластическим деформациям, обладать низким уровнем ползучести и усталости, быть износостойкими. К механическим свойствам защитных материалов предъявляются не менее жесткие требования. Это необходимо для того, чтобы в процессе изготовления микросистемы не произошла поломка ее внутренних структур. К наиболее распространенным защитным материалам относятся: диоксид кремния, полимеры (полиимид), металлы (в основном алюминий) и диэлектрики для изоляции структурных слоев микроустройства друг от друга [2]. Исполнительные подвижные элементы с требуемыми механическими свойствами можно получить, регулируя параметры гальванического осаждения. В работе исследовались режимы гальванического осаждения никеля по плотности тока, температуре и времени осаждения, обеспечивающих воспроизводимое формирование балочных подвижных элементов на основе гальванически осажденного никеля.

Проблема залипания стоит особенно остро для ключей с металлическими контактами [2]. Залипание - это нежелательный эффект при контакте верхнего и нижнего электродов, возникающий за счет действия микроскопических сил на поверхности электродов, имеющих плоскую форму. В значительной степени залипание контактов микрореле определяется морфологией поверхностей электродов. В работе исследовались механические свойства балочных подвижных элементов, такие как микрошероховатость и адгезия к подложке. При использовании биметаллических контактов помимо залипания необходимо также учитывать возникающие в цепи термоэлектрические эффекты [10].

Физико-химические и механические свойства электроосажденного никеля изменяются в широких пределах в зависимости от природы электролита, состава, условий осаждения. Так, твердость, HV может изменяться от 1,3 до 5,0 ГПа, а напряжения у в осадке меняются в пределах 0,3..1,4 ГПа [17,18].

Методом гальванического осаждения формируются практически все конструктивные элементы исполнительного механизма: нижний электрод, контактные упоры, опоры для подвижного элемента и, непосредственно, сам подвижный элемент. В связи с этим, одной из задач при проектировании микромеханических реле является исследование режимов гальванического осаждения.

1.4 Общие сведения о методе получения гальванических покрытий. Состав электролитов никелирования, меднения и золочения

Исследуемые гальванические пленки металлов можно получать из сульфаминовокислого электролита никелирования, пирофосфатного электролита меднения и фосфатного электролита золочения.

Для получения гальванических покрытий выделяют металлы из растворов их солей под действием электрического тока. Принципиальная схема гальванической установки представлена на рисунке 2.1.

Анод (1) и катод (4 и 5) подключают к источнику постоянного тока к положительному и отрицательному выводам соответственно. При включении внешнего источника постоянного тока металл на аноде окисляется (становится катионом), приобретая положительный заряд [17].

Рис 2.1. Принципиальная схема гальванической установки

Катионы металла реагируют с анионами кислоты в водном растворе электролита (2), после чего металл осаждается на катоде. Для того, чтобы продукты окисления анионов не внедряли нежелательные примеси и для улучшения структуры гальванического покрытия в состав элетролита вводят поверхностно-активные вещества, например, при никелировании в сульфаминовокислом электролите применяют лаурилсульфат натрия, при золочении в фосфатном электролите - талий азотнокислый, а при меднении в пирофосфатном электролите - калий азотнокислый.

Отличительной чертой процессов осаждения никеля, меди и золота является их высокая чувствительность к pH.

1. Никель. При высокой кислотности pH<2.5 в процессе никелирования в сульфаминовокислом электролите интенсифицируется параллельный процесс выделения водорода, в результате чего снижается выход по току, а покрытия наводораживаются. Напротив, при pH>5.6 в прикатодном слое, особенно в случае повышенной плотности тока, выпадают основные соли никеля, которые сильно ухудшают свойства покрытий. Именно по этой причине электролиты никелирования обязательно содержат буферирующие добавки (например, борную кислоту), т.е. добавки таких веществ, которые не позволяют сильно измениться pH [9,17,18].

Таблица 2.1. Состав сульфаминовокислого электролита никелирования в объеме 1л. (кислотность pH = 2.0..4.0)

1. Деионизованная вода	до 0.5 л
2. Сульфаминовокислый никель, Ni (NH2 SO3)3	до 350 г/л
3. Никель двухлористый, NiCl2 6H20	до 30 г/л
4. Кислота борная, H3BO3	до 40 г/л
5. Лаурилсульфат натрия, CH3(CH2)11OSO3Na	до 0.1 г/л

Известно также, что показатель кислотности электролита pH влияет на физико-механические характеристики гальванических пленок. Твердость, пределы прочности и текучести возрастают с увеличением pH [9,18]. Кислотность pH сульфаминовокислого электролита никелирования можно варьировать в широком диапазоне от 1,0 до 6,0, получая при этом покрытия с различными механическими характеристиками. Таким образом, твердость гальванического никеля HV может изменяться от 1,3 до 5,0 ГПа, а напряжения у в осадке меняются в пределах 0,3..1,4 ГПа [18]. Никель может применяться для обеспечения требуемой жесткости конструкции в широком диапазоне. Золото и медь значительно уступают никелю по твердости, но превосходят по электрофизическим характеристикам.

Гальваническая медь содержит повышенное число примесей и дефектов по сравнению с медью, находящейся в равновесном состоянии [9].

Таблица 2.2. Состав пирофосфатного электролита меднения в объеме 1л. (кислотность pH = 6.0)

1. Деионизованная вода	До 0.5 л
2. Аммоний фосфорнокислый однозамещенный NH4H2PO4	До 40 г/л
3. Аммоний фосфорнокислый двузамещенный (NH4)2HPO4	До 80 г/л
4. Таллий азотноксилый NO3Tl	До 0.2 г/л

Осадки меди характеризуются текстурой [9], направление которой зависит от природы и состава электролита (пирофосфатный электролит [111]). Медь обладает сравнительно хорошей адгезией, проводимостью и может применяться для передачи сигналов высокой частоты.

Гальваническое золото обладает относительно высокой тепло- и электропроводностью при воздействии атмосферы и агрессивных сред.

Таблица 2.3. Состав пирофосфатного электролита меднения в объеме 1л. (кислотность pH = 6.0)

1. Деионизованная вода	До 0.5 л
2. Медь II сернокислая CuSO4	До 100 г/л
3. Калий фосфорнокислый K2HPO4	До 350 г/л
4. Калий азотноксилый KNO3	До 10 г/л
5. Аммиак водный NH3 - H2O	До 3 мл/л

Достоинства золотых покрытий - высокая отражательная способность и пластичность, постоянство электрических параметров (электропроводность, переходное электрическое сопротивление, термоэдс и др.). Тонкие пленки золота, полученные химическим способом пропускают видимые лучи и отражают ИК-лучи и радиоволны. Способность их к отражению ИК волн близка к 100% [9], поэтому золотые покрытия используются в приложениях, требующих высокую электропроводность и отражающую способность.

Так как гальванические пленки никеля, меди и золота сильно различаются по свойствам, изготовление слоистых, а не однослойных, покрытий является целесообразным. Гальванические пленки меди и золота можно использовать в качестве функциональных слоев для получения покрытий с высокими электрофизическими характеристиками, и никеля - в качестве барьерного слоя, препятствующего диффузии золота в медь, а также для обеспечения требуемой прочности и жесткости на изгиб без дополнительных конструктивных изменений.

Таким образом:

1. Проведен анализ принципа действия исполнителных элементов УМСТ на примере подвижных элементов микрореле: рассмотрены явления, протекающие в исполнительных элементах в процессе работы, представлены основные типы конструкции и приведены примеры их практического применения (ссылки на патенты). Показано, что конструктивные особенности подвижных элементов микрореле позволяют:

1. Снизить потребление энергии в процессе переключения, а, следовательно, и вносимые энергопотери.

2. Обеспечить высокое отношение емкостей во включенном и выключенном состояниях.

3. Получить добротность того же порядка, что и у существующих аналогов, таких как диод Шотки, MOSFET, PIN-диод.

2. Рассмотрены особенности технологии изготовления исполнительных элементов. Показано, что микросистемы, изготовленные по поверхностной технологии обладают преимуществами по сравнению с микроустройствами, изготовленными по объемной технологии - низкая себестоимость и высокая производительность.

3. Дана классификация материалов, применяемых при поверхностной микрообработки кремния, перечислены основные технологические операции в процессе формирования подвижных элементов. Показано, что материалы, применяемые для построения микроструктур, должны выдерживать высокое разрушающее напряжение, быть устойчивыми к пластическим деформациям (порядка 0,1 ГПа), обладать низким уровнем ползучести и усталости, быть износостойкими.

4. Показано, что свойства УМСТ зависят не только от типа конструкций, но и от технологии изготовления. Процесс изготовления микрореле может насчитывать более полусотни операций. Некоторые операции могут накладывать технологические ограничения на изготовления исполнительных элементов, а принцип работы и свойства материалов - физические ограничения на устройство в целом.

5. Рассмотрены физико-технологические ограничения при изготовлении микромеханических реле: скорость переключения, напряжение срабатывания исполнительного механизма; ограничения, вносимые механическими и физико-химическими свойствами материалов; а также проблема залипания электродов.

6. Сформулированы рекомендации по преодолению физико-технологических ограничений: снижение массы подвижного элемента - для увеличения скорости переключения микрореле; уменьшение зазора между исполнительным механизмом и нижним электродом, а также уменьшение упругости структуры - для снижения напряжения срабатывания микрореле.

7. Для устранения целого ряда физико-технологических ограничений рекомендуем изготавливать основной элемент конструкции исполнительного механизма (подвижный элемент) с помощью многоуровневой поверхностной технологии с нанесением металла гальваническим способом - это помогает решить проблему гистерезиса и позволяет получить покрытия с требуемыми механическими и физико-химическими свойствами.

В этой связи, одной из основных задач при проектировании микрореле является исследование режимов гальванического осаждения, которое можно осуществить экспериментально путем подбора параметров осаждения согласно данным теории гальванического осаждения. Другой важной задачей является исследование морфологии поверхностей, полученных методом гальванического осаждения, с целью предотвращения залипания контактов, а также - исследование характеристик конструкции - изгибной жесткости и деформации при внешних нагрузках.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ ГАЛЬВАНИЧЕСКОГО ОСАЖДЕНИЯ, ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В УСТРОЙСТВАХ МСТ (ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ)

2.1 Цель

Исследование характеристик исполнительных элементов устройств МСТ в зависимости от технологии изготовления и типа конструкции для оптимизации микромеханических реле.Для достижения цели требуется решить следующие задачи:

1. Получить тестовые образцы, сформировав гальванические покрытия толщиной 1..6 мкм на кремниевых подложках с применением технологии вспомогательных полиимидных «жертвенных» слоев (выбор толщин обусловлен хорошим соотношением механических, электрических и магнитных свойств осажденных пленок [18]);

2. Исследовать влияние режимов и условий гальванического осаждения металлов (время осаждения, плотность тока, температура и показатель кислотности электролита) на характеристики исполнительных элементов (толщина, микрошероховатость).

3. Оценить влияние типа конструкции и количества упругих подвесов на свойства подвижных элементов (деформация, изгибная и контактная жесткости).

2.2 Объекты исследования

Тестовые образцы - гальванические пленки никеля, меди, золота и слоистые исполнительные элементы УМСТ на их основе (трехслойные мембраны на упругих подвесах разной толщины, сформированные по технологии поверхностной микрообработки с применением полиимидных «жертвенных» слоев).

2.3 Методы исследования

1. Оптическая микроскопия ( оптический микроскоп Аксиоскоп (Axio Imager), производитель: «Карл Цейз» (Carl Zeiss) - для определения линейных размеров подвижных элементов. Прибор последовательно фокусируют на верхнюю и нижнюю горизонтальные поверхности, ограничивающие высоту искомого уровня, после чего он вычисляет разницу в микрометрах между ними).

2. Атомно-силовая микроскопия (зондовая нанолаборатория «Интегра» (NTEGRA), производитель: ЗАО «НТ-МДТ», г. Зеленоград) - для определения параметров шероховатости Ra и Rz подвижных элементов. В эксперименте использовали полуконтактную методику работы зонда. В этом режиме зонд упруго деформирует исследуемую поверхность, периодически вступая с ней в механический контакт. Со стороны исследуемой поверхности и окружающей среды работе зонда противодействуют капилярные и ван-дер-ваальсовы силы. При обработке результатов была учтена погрешность отклонения зонда за счёт нелинейности пьезокерамического сканера, а также погрешность положения образца (речь идёт о наклоне исследуемой поверхности относительно зонда). Такой наклон всегда имеет место, поэтому рекомендуется исследовать образцы с минимально возможными геометрическими размерами.

3. Измерительное динамическое наноиндентирование с помощью сканирующего нанотвердомера «НаноСкан-3D», позволяющего измерять механические характеристики элементов конструкции устройств микросистемной техники в диапазоне деформаций от нескольких десятков до сотни милиньютонов.

2.4 Описание эксперимента

Актуальность

Микромеханические устройства на основе подвижных элементов консольного и мембранного типов находят широкое применение в технологии интегральных схем и устройствах МСТ различного назначения. На рабочие характеристики микроустройств в значительной степени влияют свойства основного элемента конструкции - подвижного элемента.

В свою очередь, свойства подвижных элементов устройств МСТ сильно зависят от технологии изготовления и типа конструкции.

Объектами исследования служили исполнительные элементы с крестообразным подвесом в виде круглых мембран на четырех упругих меандрах, сформированные по многоуровневой поверхностной технологии с применением «жертвенных» слоев на основе гальванического никеля, меди и золота.

Так как гальваническое осаждение является критической операцией в процессе изготовления исполнительных элементов, режимы осаждения оказывают наибольшее влияние на их механические и электрофизические характеристики. В связи с этим экспериментальная работа по исследованию режимов и условий гальванического осаждения как основной операции в процессе изготовления представляет большой интерес, а сравнительный анализ данных для различных конструкций подвижного элемента является актуальной задачей.

Содержание эксперимента

Проведенную экспериментальную работу можно разбить на несколько этапов:

1. Выбор оптимальных режимов и условий осаждения никеля из сульфаминовокислого электролита для применений МСТ.

1.1. Исследование режимов гальванического осаждения никеля [19].

Цель: Определить режимы гальваники (плотность тока, температура электролита, время осаждения), при которых толщина осажденной пленки никеля составляет 1.5 мкм (выбор толщины обусловлен хорошим соотношением механических и электрических свойств покрытий [13]).

Задачи: а) провести три однофакторных эксперимента для определения зависимости параметра осаждения от толщины; б) выбрать режимы осаждения, обеспечивающие толщину пленки никеля 1.5 мкм.

Объекты исследования: (12 шт.) кремниевые подложки со сформированными с помощью технологии поверхностной микрообработки полиимидными «жертвенными» слоями для формирования подвижных элементов.

Рис.2.2. Объект исследования (фронтальный вид).

Методы исследования: оптическая микроскопия.

1.2. Исследование морфологии гальванических пленок никеля при различных режимах осаждения [20].

Цель: определить режимы гальванического осаждения, обеспечивающие минимальную шероховатость никеля.

Задачи: а) измерить параметры шероховатости Ra и Rz пленок никеля толщиной 1.5 мкм, полученных в однофакторных экспериментах; б) выбрать оптимальные режимы осаждения по минимальной шероховатости и толщине пленки никеля. Объекты исследования: (3 шт.) пленки никеля

толщиной 1.5 мкм., сформированные методом гальванического осаждения из сульфаминовокислого электролита на полиимидных «жертвенных» слоях.



Рис.2.3. Тестовый образец (фронтальный вид)

Методы исследования: атомно-силовая микроскопия.

1.3. Исследование морфологии гальванических пленок никеля при различных показателях кислотности электролита (pH) [20].

Цель: определить оптимальные по механическим характеристикам режимы осаждения никеля.

Задачи: а) Изготовить три группы тестовых образцов при различных pH, используя выбранные в 1.1 и 1.2. режимы осаждения; б) измерить шероховатости тестовых образцов; в) выбрать оптимальные по шероховатости режимы и условия осаждения, принимая во внимания рекомендации по механическим характеристикам (твердость покрытий, упругость материала).

Объекты исследования: (15 шт.) пленки никеля разной толщины от (1.5 до 6.5 мкм.), сформированные методом гальванического осаждения из сульфаминовокислого электролита при pH=2, pH=3, pH=4 на полиимидных «жертвенных» слоях (см. рис. 2.3).