Диссертация (1143967), страница 10
Текст из файла (страница 10)
Подобнаядеформация может быть обусловлена потерей механической устойчивости,вызванной растягивающими напряжениями плёнки. Определение профилядеформации балок производилось с использованием конфокального микроскопа,пример полученных значений показан на рисунке 2.15. С увеличением длины балокпрослеживалось возрастание уровня деформации и смещение центра балки внаправлении к подложке, вплоть до касания и распределения части балки поплоскости подложки.
Для измерения профиля балки была сделана выборка измассива балок с условием отсутствия контакта с подложкой. Стоит отметить, чтопри длине балок свыше 800 мкм происходило разрушение структурных слоёвплёнок, что не происходило в случае сжимающих напряжений.58(а)(б)Рисунок 2.15 – Пример результатов измерения профиля структуры конфокальныммикроскопом: а – фотография фрагмента массива балок; б – аркообразныйпрофиль балки длиной 500 мкмДеформация ε может быть определена исходя из полученных значенийпрофиля балок и выражения (1.9). Так, величина внутренних напряжений можетбыть определена как произведение деформации балки ε и эффективного модуляЮнга для многослойной плёнки Eэф: = эф ,эф = + +(2.6)(2.7)59Измеренные профили балок имеют аркообразный вид, что соответствуетпервой форме потери механической устойчивости.
На рисунке 2.16 представленазависимость критических значений внутренних напряжений от длины балок длятрёх первых форм потери устойчивости. Измеренная величина внутреннихнапряжений для балок лежит в диапазоне между критическими напряжениямипервой и второй формы и составляет 2,13 МПа для балок, напыленных придавлении 3,4 мТорра, и 4,3 МПа для балок, напыленных при давлении 5 мТорр.Рисунок 2.16 – Расчётная зависимость критических значений внутреннихнапряжений от длины балок для трёх первых форм потери устойчивостиСтруктуры с массивами «кантилеверов» и «мостиков» были сформированы входе одного технологического процесса, то есть величины внутренних напряженийхрома и меди для обоих случаев равны. Абсолютные величины внутреннихнапряжений хрома и меди можно вычислить из определённой ранее картыраспределений кривизны кантилеверов от внутренних напряжений структурныхслоёв и выражения:= + +(2.8)На рисунке 2.17 представлена полученная зависимость внутреннихнапряжений структурных слоёв балочных элементов.
Из рисунка видно, что60внутренние напряжения слоёв хрома имеют сильную зависимость от давлениярабочего газа, вплоть до изменения характера напряжений. Стоит отметить, что длямедного слоя зависимость внутренних напряжений от давления рабочего газа неносит явный характер, что во многом связанно с пластичностью меди.Рисунок 2.17 – Зависимость внутренних напряжений структурных слоёвбалочных элементов от давления рабочего газа (Ar)Таким образом, полученные данные позволяют сделать вывод о возможноститехнологического управления внутренними напряжениями слоёв некоторыхметаллов.
Изменение характера внутренних напряжений и формированиерастягивающихся слоёв даёт возможность обеспечить аркообразную формупрофиля балочных элементов.Однако сложность обеспечения воспроизводимости параметров полученныхплёнок из-за чувствительности процесса напыления к различным факторам иособенностям процесса и недостаточность информации о других комбинацияхматериалов требуют более детальных технологических исследований, выходящихза рамки данной работы. Для изучения поведения нелинейных микромеханическихструктур, основанных на проявлении в них потери устойчивости, целесообразнее61использовать технологические методы, исключающие столь высокое влияниенесовершенства технологического процесса.2.4 Объёмная технология изготовления аркообразных упругих элементовМетоды объёмной микрообработки с использованием ГПХТ позволяютнепосредственноформировать нелинейные микромеханические структуры,профиль которых соответствует первой форме потери устойчивости [53].
Дляизучения поведения подобных структур была разработана технология, основаннаяна методах объёмной микрообработки кремния (рис. 2.18) [54].Рисунок 2.18 – Карта технологического маршрута изготовления кремниевыхмикроарокВкачествеструктурногомеханическогоматериалаиспользовалсямонокристаллический кремний ориентации (100). Методом анодного соединениякремниевая пластина сращивалась с диэлектрическим основанием (стекло маркиЛК5). Данное стекло было выбрано исходя из его ТКР, близкого к кремниевому,чтобы минимизировать остаточные внутренние напряжения.
Для обеспечениянеобходимой толщины структурного слоя кремниевая пластина утонялась методомхимико-механической полировки до толщины 50 – 100 мкм в зависимости отконструкции. Для обеспечения электрического соединения, на поверхностькремниевойпластинынаносиласьсистемаметаллизацииприпомощи62магнетронного напыления и взрывной литографии по металлу. Применениевзрывного метода фотолитографии было выбрано с целью не допуститьзагрязнение открытой поверхности кремниевой пластины ионами напыляемыхметаллов, что затруднило бы проведение последующего плазменного травлениякремния.Основной операцией данного технологического процесса является ГПХТ,при котором формируется объёмная кремниевая структура. Вертикальное ГПХТкремния проводилось в атмосфере эле газа (SF6) и фреона (C4F8) в режиме такназываемого «Bosch-процесса».
В качестве маскирующего слоя для ГПХТ былавыбрана фоторезистивная маска, определяющая профиль микромеханическойструктуры.Дальнейшеевысвобождениетрехмернойкремниевойструктурыпроизводилось методом жидкостного травления стекла в растворе плавиковойкислоты с добавлением глицерина. Разделение на чипы осуществлялось методомлазерного скрайбирования стекла с тыльной стороны пластины.
Данный методпозволяет избежать контакта высвобожденной механической структуры с водой ичастицами кремниевой и стеклянной крошки, как это было бы в случае разделенияпластины дисковой пилой.Наиболееперспективныммикромеханическимиструктурамиметодомуправленияявляетсябистабильнымивоздействиенанихэлектростатическими силами. Описанная выше технология позволяет осуществитьэтот метод на практике. Однако формирование эффективных электростатическихприводов ограничивается несовершенством метода ГПХТ. Поперечная нагрузка каркообразному упругому элементу может быть приложена как за счётплоскопараллельного электрода, так и при помощи гребенчатого привода.
В обоихслучаях, для электростатического воздействия малая величина зазоров междуподвижным и неподвижным электродом имеет особое значение. Технологическимограничением глубокого плазмохимического травления является затруднённоетравление узких полостей рисунка структуры МЭМС, определяемое аспектным63отношением (АО) гребенчатого привода (в данном случае под этим понимаетсяотношение ширины зазора к глубине травления) [55].Причиной ограничения АО при ГПХТ является значительное снижениескоростей диффузии травящих компонентов плазмы и отвода продуктов реакциитравления с увеличением глубины травления в узких зазорах.
Влияние высокогоАО на скорость плазменного травления узких зазоров может быть снижено путёмувеличения скоростей диффузии через примыкающие к ним области рисунка снизким аспектным отношением [55]. Такое чередование областей с высоким инизким АО по всей длине вытравливаемых зазоров позволяет увеличитьэффективность гребенчатого привода в целом (рис.2.19).(а)(б)Рисунок 2.19 – Расчётные зависимости гребенчатых электродов:а – зависимость приращения емкости от перемещения (изменения зазора);б – зависимость электростатической силы от перемещения вдоль плоскостиэлектродов (изменения площади перекрытия)Вышеуказанное чередование областей с высоким и низким аспектнымотношением может быть выполнено модуляцией ширины зазора периодическойфункцией (например, синусоидальной).
Амплитуда и период данной функциивыбирается из условия обеспечения быстрого отвода продуктов реакции изобластей с узким зазором. На рисунке 2.20 представлен пример конструкциигребенчатых электродов с модуляцией ширины зазора, где 1 – неподвижный64электрод, выполненный с прямым профилем; 2 – подвижный электрод,выполненный с синусоидальным профилем и зазорами: 2 мкм для узкой области и5 мкм для широкой области.Рисунок 2.20 – РЭМ изображение гребенчатых электродов с переменным зазоромДля подтверждения работоспособности вышеуказанного метода увеличенияаспектного отношения, было проведено технологическое моделирование сизготовлением образцов массива полостей в кремниевом структурном слое.Массив включал в себя набор полостей с синусоидальным зазором разнойамплитуды и периодом, окружённых полостями постоянной ширины ссоответствующей шириной зазоров (рис.
2.21).Рисунок 2.21 – Фрагмент рисунка маски для травления кремнияТестовые образцы были изготовлены согласно технологическому маршруту,описанному выше. Сращенная со стеклом кремниевая пластина была утонена до65100 мкм. Плазмохимическое травление кремния было произведено под защитойфоторезистивной маски. Оптическая прозрачность стекла позволяет определитьпрофиль полученных полостей с нижней стороны пластины оптическимиметодами. Так, при широких зазорах вклад модуляции ширины зазора ненаблюдался, и ширина полостей с верхней и нижней стороны кремниевого слоябыла одинаковой (рис 2.22а).
На рисунке 2.22а показан фрагмент с полостями, гдеширина зазора немодулированной полости составляла 6 мкм с верхней стороны и2 с нижней, а ширина зазора с синусоидальной модуляцией осталась одинаковойпри амплитуде модуляции 2 мкм и со средней плоскостью 5 мкм. При сниженииширины полостей на 1 микрон наблюдалось, что полость с немодулированнойшириной зазоров недотравлена, а полость с переменным зазором, как и впредыдущем случае, сохранила свои размеры (рис. 2.22б)Рисунок 2.22 – Фотография кремниевой структуры с нижней стороныпластины (через стекло): а – полости с широкими зазорами; б – полости с узкимизазорамиДанные результаты свидетельствуют о повышении скорости проникновениятравящих компонентов плазмы вглубь зазора и отвода продуктов реакции изполости. Повышение вышеуказанных скоростей способствует сохранениюскорости травления в глубине узких зазоров, тем самым снижая влиянияограничения АО при ГПХТ кремния [55].Разработанная технология объемной микрообработки является наиболеепредпочтительной для проведения технологического моделирования за счёт66возможности контролировать напрямую различные параметры и действующиенагрузки в нелинейных микромеханических структурах.Выводы по второй главеВ ходе данного этапа работы были исследованы внутренние напряжения ивыявлены причины их возникновения на примере многослойной плёночнойконструкции Cr-Cu-Cr.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
