- •Характеристики микромеханических реле на основе тонких слоистых исполнительных элементов
- •Москва 2011
- •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. 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
- •2.6. Выводы к экспериментальной части
- •3. Оптимизация исполнительных элементов умст
- •3.1. Рекомендации по снижению влияния физико-технологических ограничений исполнительных элементов, полученных методом гальванического осаждения на характеристики микромеханических реле.
- •3.2. Характеристики исполнительных элементов микрореле, изготовленных с учетом предложенных технологических и конструктивных решений
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:
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]);
Исследовать влияние режимов и условий гальванического осаждения металлов (время осаждения, плотность тока, температура и показатель кислотности электролита) на характеристики исполнительных элементов (толщина, микрошероховатость).
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.
2.4.1. 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.
2.4.3. 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).
Методы исследования: оптическая и атомно-силовая микроскопии.
2. Исследование морфологии гальванически осажденных пленок никеля, меди и золота, полученных при оптимальных режимах и условиях гальванического осаждения.
Цель: определить толщины гальванических пленок никеля, меди и золота, полученных при оптимальных режимах осаждения, для изготовления на их основе слоистых подвижных элементов.
Задачи: а) получить тестовые образцы; б) измерить параметры шероховатости тестовых образцов; в) выбрать оптимальные по шероховатости толщины гальванических пленок никеля, меди и золота.
Объекты исследования: (15 шт.) пленки никеля, меди и золота разной толщины (от 0.5 до 6.5 мкм), сформированные методом гальванического осаждения из сульфаминовокислого электролита никелирования, пирофосфатного электролита меднения и фосфатного электролита золочения на полиимидных «жертвенных» слоях (см. рисунки 2.2 и 2.3).
Методы исследования: оптическая и атомно-силовая микроскопии.
3. Исследование механических характеристик слоистых исполнительных элементов УМСТ на основе системы металлов «золото-никель-золото».
Цель: оценить влияние количества упругих подвесов и толщины слоя никеля на характеристики исполнительного элемента.
Задачи: а) измерить деформацию, изгибную и контактную жесткости конструкций исполнительных элементов с различным числом упругих подвесов.
Объекты: исполнительные элементы УМСТ – (21 шт.) три группы тестовых образцов – трехслойные мембраны с разным количеством упругих подвесов (2, 3 и 4) на основе системы металлов «золото-никель-золото».
а) б) в)
Рис.2.4. Подвижные элементы а) на двух упругих подвесах, б) на трех упругих подвесах, в) на четырех упругих подвесах (вид сверху).
В каждой группе – по 7 образцов: толщина золотых прослоек каждого образца – до 1 мкм, толщина никелевой прослойки возрастает от образца к образцу от 0.5 до 3.5 мкм с шагом 0.5 мкм.
Методы исследования:
измерительное динамическое наноиндентирование.
4. Выводы по экспериментальной работе. Характеристики исполнительных элементов, выполненных на основе гальванических пленок никеля, меди и золота.