Диссертация (Исследование потери устойчивости для нелинейной микромеханической структуры), страница 9

Для обеспечения динамических измерений чип кантилевера устанавливался50на пьезоэлектрический элемент. Возбуждение колебаний пьезоэлектрическогоэлемента обеспечивалось переменным напряжением в диапазоне частот от 20 до1000 Гц. При этом резонансные частоты кантилевера определялись с помощьюлазерного доплеровского виброметра Laser Doppler Vibrometer фирмы Polytecвблизисвободногокраякантилевера.Возбуждениеколебанийвнешнимвибрационным воздействием малой амплитуды позволяет исключить влияниемеханических («hardening») и электрических («softening») нелинейностей.Отсутствие нелинейностей в амплитудно-частотной зависимости плёночногокантилевера позволяет аналитически определить значение резонансной частоты, неучитывая его кривизну [49].В исследуемом диапазоне частот было зафиксировано три резонансных пика(рис 2.9), частоты которых лежат в диапазонах 104 – 137 Hz, 400 – 476 Hz,675 – 760 Гц соответственно (разброс резонансных частот на различных образцахсвязан с разбросом свойств слоев по пластине при напылении).

Испытанияпроводились при атмосферном давлении, т.е. при таких условиях, когдамеханическаясистемаобладаетвысокимуровнемдиссипацииэнергии.Механическая добротность кантилевера при данных условиях составила 19 – 21,46 – 48 и 20 – 25 для первой, второй и третьей форм колебаний соответственно.Экспериментальные результаты удовлетворительно коррелируют с расчётнойчисленной моделью [50].51Рисунок 2.9 – Частотные характеристики одного из образцов: 1 – АЧХ; 2 – ФЧХБыли проведены исследования поведения кантилевера под действиемэлектростатической нагрузки при приложении разности потенциалов междукантилевером и кремниевой подложкой [48]. Подача постоянной разностипотенциалов на управляющие электроды приводит к распрямлению кантилевера наплоскостидиэлектрика.

Величина требуемогоуправляющегонапряжениясоставляет от 60 до 100 В. Влияние индуцированной поляризации диэлектрикаприводит к ряду нежелательных эффектов. Наблюдается повышение величинынапряжения, необходимой для открытия при циклической подаче управляющихсигналов, и залипание (sticking) кантилевера. Для уменьшения нежелательныхэффектов, связанных с поляризацией разделяющего диэлектрика, была предложенасхема подачи управляющего напряжения в форме пакетов переменногонапряжения[48].Предложеннаясхемапозволиласнизитьвлияниеиндуцированной поляризации диэлектрика, тем самым устранив повышениеуправляющего напряжения и эффект залипания.Экспериментальные статические и динамические характеристики позволилиопределитьпараметрыструктурныхслоёв,чтообеспечиловалидациютеоретической модели актюатора [50]. Для валидации и оптимизации параметровустройства использовалось моделирование методом конечных элементов.522.3Технологическое управление внутренними напряжениямиметаллических плёнокКлючевой особенностью изготовления внеплоскостных плёночных структурявляетсятехнологическоеуправлениевнутренниминапряжениями,возникающими в процессе формирования структурных механических слоёв плёнок[46].

Было показано, что для формирования нелинейных микромеханическихструктур, профиль которых имеет вид арки, необходимо обеспечение внутреннихсжимающих напряжений, превышающих критические значения, приводящие кпотере устойчивости. При этом конечный профиль подобных элементов будетиметь сильную зависимость от данных напряжений, в том числе от напряжений,вызванных термическим расширением.Было проведено исследование, направленное на выявление закономерностейформирования внутренних напряжений в многослойных плёночных структурах,полученныхметодоммагнетронногонапыления.Металлическиеплёнки,полученные данным методом, обладают зависимой от давления рабочего газавеличиной внутренних напряжений. Данная зависимость обусловлена различнымиэнергиями частиц осаждаемого металла, приводящими к образованию дефектов.Зависимость внутренних напряжений от режима нанесения плёнки позволяетосуществлятьтехнологическоеуправлениеданнымпараметром.Вышеобозначенная зависимость позволяет также изменять тип внутренних напряжений(сжатие и растяжение), что особенно важно для структур, основанных на потереустойчивости.В качестве объекта исследования была выбрана упругая механическаяструктура типа «кантилевер».

В подобной структуре внутренние напряженияприводят к возникновению вращательного момента, приводящего к скручиваниюсвободного профиля кантилевера. При этом искривление механической структурыбудет проявляться вне зависимости от знака действующих напряжений, и не будетиметь точек бифуркации, в отличие от механической структуры типа «мостик»(балка с защемлёнными концами). В качестве структурных слоёв данной плёнкибыла выбрана многослойная комбинация Cr-Cu-Cr, осажденная на кремниевую53подложку с изоляционным слоем SiO2. Для высвобождения кантилевера,изоляционный слой травился в растворе плавиковой кислоты. В отличие отметаллического жертвенного слоя (например - Al), использование жертвенногослоя SiO2 позволяет исключить влияние дополнительного вклада во внутренниенапряжения, вызванного шероховатостью поверхности напылённого алюминия.Многослойные металлические плёнки были напылены при трёх значенияхдавлений рабочего газа (Ar): 1,2 мТорр; 3,4 мТорр; 5 мТорр.

Методамифотолитографии с последующим поэтапным травлением хрома и медиформировались массивы кантилеверов разной длины. Длина балок составила от 50до 1000 мкм с шагом в 25 мкм, при ширине балки 20 мкм. После вытравливанияжертвенного слоя SiO2 консольные балки приобретали видимую кривизну.Визуально наблюдается разный знак кривизны кантилеверов – подъём консольныхбалок от подложки при низком давлении и прижим к подложке при высокомдавлении (рис. 2.10). Стоит отметить, что при напылении плёнок при давлениирабочего газа 5 мТорр на поверхности хрома формируются трещины. Такоеобразование дефектов характерно для плёнок с преобладающими растягивающиминапряжениями [51][52].Определение уровня внутренних напряжений металлических плёнокпроизводилось расчётным путём, исходя из измерений кривизны кантилеверов.Кривизна изогнутой поверхности плёнок измерялась с использованием методаконфокальной микроскопии на микроскопе «Keyence VK-9700» с разрешением пооси z – 10 нм.

Для массива кантилеверов, напылённых при давлении рабочего газа1,2 мТорр, кривизна поверхности лежит в диапазоне 0,66 – 0,72 мм-1, чтосоответствует полученным ранее результатам для многослойного кантилевера [50].На рисунке 2.11 показаны двумерные (а и б) и трехмерные (в) изображения,полученные с использованием конфокального микроскопа.54(а)(б)(в)Рисунок 2.10– Фотография многослойных балок с консольнымзакреплением; давление рабочего газа: а – 1,2 мТорр; б – 3,4 мТорр; в – 5 мТорр(а)(б)(в)Рисунок 2.11 – Изображения массива кантилеверов, полученные сиспользованием конфокального микроскопа: а – двумерная карта распределенияотклонений по оси z; б – форма профиля кантилевера длинной 650 мкм;в – трёхмерное отображение массива кантилеверов55Кантилеверы, полученные напылением при высоких значениях давлениярабочего газа, имеют профиль, направленный к плоскости подложки, то естьповерхность подложки препятствует свободному изгибу кантилевера вниз.

Длякорректного измерения профиля изогнутой структуры поверхность подложкизаглублялась на глубину 140 мкм с использованием анизотропного жидкостноготравления кремния в 30% KOH (рис. 2.12).(а)(б)(в)(г)Рисунок 2.12 – Изображение кантилеверов после анизотропноготравления кремния: а – фотография с оптического микроскопа;б – изображения РЭМ; в – двухмерная карта распределения высоты; г – формапрофиля кантилевера длиной 600 мкмКривизна массива структур определялась с использованием конфокальноймикроскопии.

Для массива кантилеверов, напылённых при давлении рабочего газа3,4 мТорр, наблюдается отрицательная величина кривизны поверхности, лежащаяв диапазоне от -0,25 мм-1 до -0,31 мм-1. Для массива кантилеверов, напылённых придавлении рабочего газа 5 мТорр, величина кривизны поверхности составила от -560,97 мм-1 до -0,99 мм-1.

Отрицательная величина кривизны свидетельствует орастягивающем характере внутренних напряжений структурных слоёв хрома.Стоит отметить, что измеренная величина кривизны являлась постоянной и независела от длины кантилевера, что свидетельствует о достоверности полученныхрезультатов для элементов кантилеверного типа. Оценка величины внутреннихнапряжений производилась с использованием выражений (2.5) и численногомоделирования.позволяютПолученныеопределитьэкспериментальныеотношениемеждуирасчётные результатывнутренниминапряжениямиструктурных слоёв хрома и меди (рис. 2.13).Рисунок 2.13 – Расчётные данные кривизны плёнки Cr-Cu-Cr в виде двумерногоотображения в плоскости напряжений в слоях хрома и меди; -0,28 – кривизнакантилеверов, напылённых при давлении 3,4 мТорра; -0,98 – кривизнакантилеверов, напылённых при давлении 5 мТоррВ рамках данного исследования, совместно с описанными выше чипами, натой же подложке были размещены чипы, содержащие массивы балочных структуртипа «мостик».

На рисунке 2.14 показаны изображения массива мостовыхструктур, сформированных при давлении рабочего газа 1,2 и 5 мТорр. Для57структур, напылённых при низком давлении рабочего газа, внеплоскостныхдеформаций не наблюдалось, то есть балки находились в растянутом состоянии,чтотакжеподтверждает сжимающий характервнутренних напряжений,определённых в структурах типа «кантилевер».(а)(б)Рисунок 2.14 – РЭМ изображения массива мостовых структур, сформированныхпри давлении рабочего газа: а– 1,2 мТорр; б – 5 мТоррВ структурах, напылённых при давлениях рабочего газа 3,2 – 5 мТорр,наблюдалась внеплоскостная деформация, как видно на рисунке 2.14б.