Характеристики микромеханических реле на основе тонких слоистых исполнительных элементов
Дипломная работа - Физика
Другие дипломы по предмету Физика
собенности и режимы изготовления ЧЭ микропереключателей позволяют снизить себестоимость и вносимые энергопотери, обеспечить высокое отношение емкостей во включенном и выключенном состояниях, получить добротность того же порядка, что и у существующих электронных аналогов (диод Шотки, MOSFET, PIN-диод) [1-4,10].
Ввиду широкого применения коммутационных микроустройств в космическом приборостроении и других отраслях промышленности, большой интерес представляют пути улучшения рабочих характеристик УМСТ на основе таких исполнительных элементов. В связи с этим особое внимание уделяется технологии изготовления исполнительных элементов УМСТ.
1.2 Технология изготовления исполнительных элементов микрореле
Рассмотрим подробнее основные методы изготовления микроустройств. Техника изготовления микросистем на кремниевых подложках основана на использовании двух методов микрообработки: объемного и поверхностного. Выбор кремния в качестве основы для МЭМС обусловлен хорошими механическими характеристиками (кремниевые структуры могут выдерживать давления p>0.35 ГПа и ускорения до 100000g [4]), электрическими [7] и термическими [4] свойствами. Объемная технология заключается в локальном удалении кремния с одной из сторон подложки с последующим формированием конструктивных элементов, таких как мембраны, консоли и т.д. Для создания микроструктур с помощью поверхностной технологии используются тонкие слои, создаваемые диффузией, ионным легированием и осаждением. Воспроизведение размеров и форм структур приборов, экспонирование фоторезистов осуществляется методом фотолитографии.
Главное достоинство компонентов, реализованных методами поверхностной микрообработки кремния - это простота их объединения с интегральными схемами. МЭМС на кремниевых подложках изготавливаются по групповой технологии, что позволяет получать сотни кристаллов на одной производственной единице, каждый из которых является функционально законченным устройством и может применяться при разработки аппаратуры различного назначения. Следствие - снижение себестоимости. Поэтому, исследуемые микромеханические реле формировались методами поверхностной микрообработки.
Для изготовления микроустройств по поверхностной технологии требуются следующие материалы [1-3]:
1.Материалы для формирования микроструктур (структурные материалы),
2.Материалы для формирования защитных слоев (защитные материалы),
В качестве структурного материала в балочных исполнительных элементах микромеханических реле могут использоваться гальванически осажденный никель, золото или др. Золотые покрытия превосходят никелевые по электрическим свойствам, но уступают по механическим характеристикам. Твердость HV для золотых гальванических покрытий лежит в диапазоне 1,05..3,00 ГПа [9]. Устройства с золотыми консолями подробнее рассмотрены в [5] и [9].
Рассмотрим основные технологические операции в процессе формирования микроустройств (например, микрореле) методом поверхностной микрообработки.
.Термоокисление. (Формирование защитных пленок окислением под действием высоких температур 1200..1500 К) Толщина пленки линейно зависит от толщины слоя исходного окисляющегося материала [4]. Процесс термоокисления накладывает ограничения на материалы подложки в связи с высокими температурами при формировании окислов.
.Осаждение тонких пленок и наноструктурированных слоев. (Осаждение из плазмы, магнетронное распыление, осаждение из коллоидных растворов) При осаждении из плазмы вещество бомбардируют низкоэнергетическими ионами из плазмы газового разряда, распыленные атомы, достигая подложки, конденсируются на ней. С помощью метода можно получить не просто пленки нанометровой толщины, а наноструктурные пленки. Качество покрытий во многом зависит от режимов распыления: давления рабочего газа в вакуумной камере, температуры подложки, напряжения и тока разряда и др. К нежелательным эффектам, характеризующим плазмохимические процессы, относятся перегрев и статическое электричество на металлических элементах подложки, если таковы имеются. Магнетронное распыление характеризуется более интенсивным распылением. Для повышения эффективности процесс проводят на высоких частотах [10]. При формировании пленок методом магнетронного распыления особое внимание следует уделить очищению и подготовке подложки. Для улучшения адгезионных свойств рекомендуется прогревать подложку перед процесом распыления [11]. Осаждением из коллоидных растворов формируются оксидные полупроводниковые пленки (ZnO, SnO2, TiO2, WO3). Температурный интервал осаждения - 1200..1400 К, скорость осаждения - 0.03..0.2 мкм/мин. Температура осаждения снижается до 600..900 К при использовании лазерного излучения. Методы позволяют получить аморфные нанокристаллические пленки [11].
.Нанесение жертвенного слоя (например, полиимида или фоторезиста) центрифугированием. Метод позволяет получить слой полиимида толщиной в несколько микрон, на котором и будет сформирован исполнительный элемент с верхним электродом. Требования к установке - постоянная частота вращения центрефуги, требования к фоторезисту - небольшая шероховатость. Режимы нанесения сильно зависят от свойств материала. При некорректном выборе режимов нанесения - жертвенный слой ложится волнообразно, что негативно скажется на рельефе и морфологии последующих функциональных слоев.
.Получение микро- и нанотолщинных пленок методом гальванического