Характеристики микромеханических реле на основе тонких слоистых исполнительных элементов
Дипломная работа - Физика
Другие дипломы по предмету Физика
ого или нанометрового масштаба традиционными методами, общепринятыми в микросистемной технике за последние десятилетия, возникают дополнительные трудности, связанные с миниатюрными размерами. К таким трудностям, относятся: повышающиеся требования к чистоте и качеству поверхностей при фотолитографиях, неконтроллируемые процессы травления топологических элементов субмикронного масштаба, деформации миниатютных элементов при травлении в плазме под действием выкоких температур и статического электричества для проводящих элементов (пример - выпуклые и вогнутные меандры на рис 3.1) и, наконец, непланарность жертвенного слоя при его малых толщинах и развитой топологии поверхности, на которую он наносится. Последствиями непланарности жертвенного слоя являются нарушения топологии и рельефа конструкции.
Другими словами, на субмикронных и нанометровых масштабах ошибки в технологии изготовления могут повлиять на облик конструкции или даже существенно изменить его, что приведет к изменению характеристик устройства в целом. Этим можно объяснить разницу в расчетных и экспериментальных оценках характеристик устройств МСТ и НСТ.
В качестве примеров влияния технологии на конструкцию изделия приведем СЗМ-изображения и профили меандров исполнительного элемента.
В идеальном случае, меандр должен располагаться в воздухе параллельно нижнему электроду, закрепляясь одним концом на инерционную массу (мембрану), а другим - на опорный столб, как изображено на рисунке 3.1.
Рис.3.2. Слева-направо: профиль меандра, соединяющегося нахлестом с опорным столбиком. Высота диаграммы 2 мкм, длина измеренного участка 50 мкм.
Реальная морфология меандра сильно отличается от идеальной картины. Углубление в левой части рисунка связано с провисанием меандра под массой мембраны и термодеформациями при травлении жертвенного слоя в плазме, но наиболее уязвимыми с точки зрения прочностных характеристик получались области соединения опорных столбиков с меандрами.
Углубление в правой части профиля соответствует самому тонкому участку меандра, расположенному непосредственно перед опорным столбиком. Появление этого дефекта связано с режимами нанесения жертвенного слоя и высокой микрошероховатостью гальванических покрытий. Никелевые исполнительные элементы с такими дефектами отлетали или перегорали в области соединения меандра с опорным столбиком при подаче управляющего напряжения свыше 40В. Золотые исполнительные элементы срабатывали при высоких напряжениях (свыше 80 В), что объясняется высокой жесткостью конструкции.
Рис. 3.3. СЗМ-изображения поверхности исполнительного элемента: а) нижнего электрода (скан получен на Интегре в тэппинг моде, размер: 170170, область 2 на рис. 3.1.); б) подвижного электрода (скан получен на Наноскане в тэппинг моде, размер: 160160, область 1 на рис. 3.1.).
Покрытия, формируемые на непланаризованном жертвенном слое, повторяют топологию поверхности, расположенную под ним. На рисунке 3.3. изображены: слева - нижний электрод с круглым контактным упором, выступающим на 2 мкм над поверхностью управляющего электрода (см. 2 на рисунке 3.1) и справа - мембрана исполнительного элемента, сформированная на полиимидном жертвенном слое толщиной 4 мкм (см. 1 на рисунке 3.1).
Мембрана повторяет топологию нижнего электрода, что приводит к появлению впадин глубиной до 1 мкм и холма высотой 0.5 мкм, расположенного над нижним контактным упором. На рис. 3.4. представлен профиль артефактов на поверхности мембраны исполнительного элемента (на рис. 3.3. профиль показан линией).
Рис. 3.4. Повторение рельефа нижнего электрода на мембране исполнительного элемента.
Проблемы можно решить путем отработки режимов нанесения жертвенного слоя, которые в данной работе не рассматривались. Для полного устранения неоднородностей жертвенного слоя рекомендуем применять механическую шлифовку поверхности, плазмохимическую зачистку или химико-механическую планаризацию.
Залипание электродов и гистерезисное поведение исполнительного элемента
Другой проблемой является залипание электродов, которое объясняется наличием остаточных электрических полей, удерживающих подвижный элемент на нижнем электроде. Существует несколько путей решения проблемы залипания в зависимости от предполагаемой причины. Залипание может стать следствием 1) неконтролируемого схлопывания электродов [1-3], быть вызвано слишком большой или слишком малой 2) шероховатостью контактов и 3) недостаточной жесткостью конструкции.
. Для предупреждения схлопывания электродов рекомендуется подключать к микрореле последвательные резисторы и параллельные емкости [1], что позволит решить и проблему гистерезиса [2].
. Для устранения нежелательных дефектов на поверхности электродов рекомендуем отрабатывать технологию нанесения функциональных слоев, что было осуществлено в работе для операции гальванического осаждения (глава 2). При больших шероховатостях электроды могут сцепиться друг с другом с помощью дендритов или других артефактов на поверхности. При малых шероховатостях взаимодействующие поверхности могут прилипнуть друг к другу под действием сил притяжения, возникающих между молекулами в поверхностных слоях.
Рис. 3.5. Шероховатость контактов микрореле: а) нижняя поверхность подвижного электрода - гальваническое золото, Ra = 12нм; б) ко