Диссертация (1143967), страница 8
Текст из файла (страница 8)
Так, требуемое растягивающеенапряжение плёнки может быть получено при высоком давлении среды процессанапыления (для хрома это ≈ 0,3-0,5 Па в газовой среде аргона) (рис. 1.9).Методами фотолитографии с последующим травлением металлическихплёнок формировалась геометрия механических структур, проводящие дорожки изнакисовмещения.Высвобождениеподвижноймеханическойструктурыобеспечивалось изотропным жидкостным травлением оксидной плёнки в водномрастворе плавиковой кислоты с добавлением изопропилового спирта (3/1/1).Изопропиловый спирт обеспечивает лучшую проницаемость раствора в зазор подбалочные элементы.Система неподвижных электродов формировалась на стеклянной подложке(стекло марки ЛК-5), ТКР которой близок к кремнию. На поверхности стекламетодами магнетронного напыления с последующей литографией формировалисьпроводящиеслои.Соединениепластинобеспечивалосьпосредствомэвтектического соединения по реперным знакам.
При этом происходиткапсулирование чипов с возможным наполнением капсулы инертными газами иливакуумированием.2.2Преднапряжённые балочные плёночные упругие элементыИспользование тонких многослойных металлических плёнок позволяетсоздавать структуры со значительным смещением в вертикальной плоскости.Формирование подобных структур происходит под действием внутреннихнапряжений слоёв плёнок , возникающих в процессе их напыления. Общаявеличина внутренних напряжений многослойного кантилевера определяетсявеличинами внутренних механических напряжений слоев и их толщиной [44]: =∑=1 ∑=1 (2.1)44После удаления жертвенного слоя происходит высвобождение многослойнойбалки от подложки по всей плоскости, кроме места прикрепления в заделке.
Вслучае консольного закрепления балки, продольные внутренние напряженияприводят к возникновению изгибающего момента , пропорциональногосуммарному значению внутренних напряжений, и формированию структуры скривизной K: = ∑=1 Величинаотклонения=кантилевера1(2.2)определяетсякаквнутренниминапряжениями и жёсткостью структурных слоёв Cr и Cu (модулем Юнга ) , так игеометриейподвижногоэлемента(значениеммоментовинерции соответствующих структурных слоёв).Структура кантилевера - многослойная комбинация структурных слоёв Сr иCu разной толщины (Рис 2.3). Форма профиля кантилевера определяется верхнимслоем хрома, обладающим высокой жёсткостью и значительными внутренниминапряжениями. Нижний слой хрома является разгрузочным (компенсирующим).Подбором толщин слоев можно добиться оптимального положения нейтральнойплоскости кантилевера : =∑=1 ( +−1 )2 ∑=1 .(2.3)Рисунок 2.3 – Поперечное сечение кантилевераПриэтомдеформациякантилевераобусловленадеформациейструктурных слоёв за счёт внутренних напряжений и определяется как [44]:45 =∑=1 ∑=1 ,(2.4)где введён дополнительный коэффициент = 1 + для случая большихвеличин деформации, зависящий от коэффициента Пуассона соответствующегоматериала.Деформация приводит к изгибу плёночного кантилевера.
Величина кривизныК и направление (её знак) зависят от смещения нейтральной плоскости. Значениекривизны кантилевера можно определить исходя из (2.1)-(2.4) [44]:=3 ∑=1 ( +−1 −2 )( − )(2.5)222 ∑=1 [ + −1 +−1 −3 ( +−1 − )]При приложении разности потенциалов между электродами конденсатораформируетсяэлектростатическаяизначальномуизгибающемунагрузка,моменту.противоположнаяУвеличениенагрузкипознакуприводиткраспрямлению кантилевера и фиксации его на слое диэлектрика. Для компенсациииндуцированнойполяризациидиэлектрика(ипредотвращениязалипаниякантилевера) разработана схема управления, позволяющая минимизировать этотэффект [46].Описанныйплёночныйкантилевер,выполняющийфункциюмикромеханического оптического затвора, выполнен на кремниевой подложкеметодами поверхностной технологии (рис.
2.4). Тонкоплёночная структуракантилеверавыполненамагнетроннымнапылениемслоевCr/Cu/Crнаалюминиевый жертвенный слой. Тонкоплёночный кантилевер отделён откремниевой подложки диэлектрическим слоем термического SiO2. Толщины SiO2и жертвенного алюминия определяют межэлектродный зазор и составляют около0,8 мкм. Толщина многослойной тонкоплёночной структуры составляет около 1,6мкм, где толщина слоя меди и верхнего слоя хрома составляет 1 мкм и 0,5 мкмсоответственно. Для усиления наиболее механически нагруженного участкапривода, на место заделки кантилевера гальванически нанесен слой меди впредварительно вскрытое окно в слое хрома.46Рисунок 2.4 – Фотография изготовленного кантилевера Cr-Cu-CrВозникновение внутренних напряжений обуславливается структурой исоставом материалов [42]. Большую роль в образовании внутренних напряженийиграют также особенности процесса напыления, приводящие к образованиюдефектов в плёнке.
Вклад таких напряжений часто преобладает по величине иможет отличаться по знаку от температурных напряжений. Напряжения,вызванные разницей коэффициентов термического расширения, могут приводитьк отклонению кантилевера от требуемой формы, то есть проявления биморфноготермического эффекта. Его можно минимизировать путем использованияразнотолщинных слоёв [42, 47].
Определение внутренних напряжений с учётомвсех участвующих факторов является трудно достижимой задачей, в то же времяизучение плёночной структуры позволяет определить параметры плёнок иоптимизировать конструкцию.Исследованиемикромеханическогооптическогозатворапозволяетопределить механические свойства структурных напылённых слоёв и значения ихвнутренних напряжений. Упругие характеристики структурных слоёв могутотличаться от табличных значений из-за особенностей структуры слоёв,сформированных при помощи магнетронного напыления.
Для определенияупругихпараметровполученныхметаллическихплёнокиспользовалиськонтактные методы с применением наноиндентора Hysitron. Полученные47величины модуля Юнга для структурных слоёв Cu и Cr составили 60 ГПа и 184 ГПасоответственно, и отличаются от табличных значений практически в два раза. Этообъясняется высокой плотностью дефектов и образованием объемных структурныхнеоднородностей, обнаруженных в ходе изучения морфологии методом растровойэлектронной микроскопии [46]. На рисунке 2.5 показаны изображение торцевойчасти плёнки, полученные с использованием РЭМ. Обнаруженные несовершенстваструктурных слоёв в первую очередь определяют величину и тип внутреннихнапряжений.Рисунок 2.5 – РЭМ изображение торцевой части плёнки Cr-Cu-CrПрофиль искривленной структуры (рис. 2.6), полученный с использованиемоптических методов (оптическим микроскопом LOMO с цифровой камерой IPS),был использован для расчета величин внутренних напряжений в слоях методамичисленного анализа в программном комплексе COMSOL Multiphysics (рис 2.6).Радиус кривизны многослойного кантилевера при комнатной температуресоставляет 1,38 мм.
При этом высота подъёма кантилевера над плоскостьюподложки составляет 2,5 мм. Величина внутренних напряжений для Cu и Cr примагнетронном напылении для данных толщин структурных слоёв может лежать в48пределах 40-60 МПа и 400-600 МПа соответственно [42]. Величину внутреннихнапряжений в сформированном многослойном кантилевере можно оценить, исходяиз отношения теоретических значений внутренних напряжений Cu и Cr для даннойкривизны кантилевера (рис 2.7) [48].Рисунок 2.6 – Профиль плёночного кантилевера длиной 3,5ммРисунок 2.7 – Расчётные данные кривизны плёнки Cr-Cu-Cr в видедвумерного отображения в плоскости напряжений в слоях хрома и меди49Зависимость кривизны профиля от изменения температуры позволяетоценить возникающие внутренние напряжения, обусловленные термическимрасширением, и предельные (нежелательные) отклонения кантилевера в рабочемдиапазоне температур. Определение влияния напряжений, вызванных разницейкоэффициентов термического расширения структурных слоёв, проводилось в ходерегистрации профиля кантилевера оптическими методами при разных значенияхтемпературы в диапазоне 0 – 60 ˚С (рис.
2.8). Температура при этомконтролировалась с помощью нагревательного элемента, поддерживающегозаданную температуру, и датчика температуры типа Pt100. Изменения кривизныплёночного кантилевера составили 0,57 – 1,08 мм-1 для данного диапазонатемператур (рис. 2.8).Рисунок 2.8 – Температурная зависимость кривизны плёночного кантилевера:1 – результаты измерений; 2 – теоретический анализ; 3 – численноемоделированиеОпределение резонансных частот, АЧХ и ФЧХ позволяет оценить объёмныесвойства подвижного элемента (массовые характеристики) и параметры затухания[50].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
