3.2. Характеристики исполнительных элементов микрореле, изготовленных с учетом предложенных технологических и конструктивных решений

В результате проведенной работы оптимизирована технология изготовления тонких слоистых исполнительных элементов микрореле методом многоуровневой поверхностной микрообработки кремния в части операции гальванического осаждения (рис. 3.1 – г).

Рис. 3.7. Основные этапы формирования исполнительного элемента микрореле: а) термоокисление; б) формирование нижнего электрода методами магнетронного распыления и гальванического осаждения; в) нанесение «жертвенного» слоя; г) изготовление подвижного элемента методом гальванического осаждения; д) плазмохимическое травление «жертвенного» слоя.

И оптимизирована конструкция исполнительного элемента в части выбора жесткости упругого подвеса.

Исполнительные элементы предлагается изготавливать на основе гальванических пленок золота с прослойкой никеля между ними, а нижний электрод – на основе слоев гальванической меди, никеля и золота.

В работе проведены исследования морфологии пленок гальванического никеля, меди и золота с целью улучшения планаризации и адгезионных характеристик структурных слоев, а также экспериментально выбраны оптимальные по механическим характеристикам режимы и условия гальванического осаждения никеля из сульфаминовокислого электролита, обеспечивающие минимальную шероховатость при микротвердости порядка 10 ГПа: плотность тока на катоде – 1 А/дм²; скорость осаждения никеля – 0.095 мкм/мин; температура электролита – 55..60 градусов Цельсия; кислотность электролита pH=3, шероховатость Ra – от 50 до 180 нм при толщинах 1–6 мкм.

Предложенная технология гальванического осаждения обеспечивает следующие параметры: величина зазора между подложкой и балочным подвижным элементом – от 1.8 до 10 мкм; толщина балочного подвижного элемента – от 1 до 7 мкм; средняя шероховатость никеля из сульфаминовокислого электролита (Ra) составляет 70–240 нм, меди из пирофосфатного электролита – от 10 до 90 нм, золота из фосфатного электролита – от 30 до 120 нм. Экспериментально установлено, что средняя микрошероховатость поверхности линейно возрастает с увеличением толщины.

Таким образом:

1. Сформулированы рекомендации по преодолению физико-технологических ограничений микромеханических реле на основе слоистых исполнительных элементов. Для устранения гистерезиса рекомендуем подключать к микрореле параллельные емкости и последовательные резисторы, для борьбы с залипанием предлагаем проводить планаризацию в процессе изготовления и усиливать жесткость конструкции. Для снижения управляющего напряжения предлагаем понижать жесткость конструкции, изменяя толщину прослойки никеля. Согласно проведенной расчетно-экспериментальной оценке при уменьшении толщины никелевой прослойки с 3.5 мкм до 0.5 мкм, напряжение срабатывания снижается на 50%. Необходимо учитывать, что при ослаблении жесткости конструкции увеличивается риск залипания электродов.

2. Выбраны оптимальные режимы гальванического осаждения, обеспечивающие формирование подвижных элементов на основе гальванических пленок золота толщиной по 1 мкм и прослойки гальванического никеля разной толщины между ними со следующими характеристиками:

Таблица 3.1. Характеристики слоистых исполнительных элементов микрореле.

Толщина прослойки никеля, мкм	Жесткость конструкции, Н/м	Критическое напряжение срабатывания, В	Давление срабатывания, кПа
0.5	67.4	40	326
1.1	154.1	61	731
1.5	168.2	63	874
2.1	204.3	70	1085
2.5	220.7	73	1194
3.0	254.3	78	1432
3.4	311.2	86	1326

В продолжении работы можно провести расчетно-экспериментальные оценки минимальной жесткости конструкции, требуемой для того, чтобы исполнительный элемент смог преодолеть силы межмолекулярного взаимодействия с поверхностью нижнего электрода после того, как управляющее напряжение будет снято. Это позволит рассмотреть проблемы залипания электродов и высокого напряжения срабатывания как функции жесткости и решать их в рамках одной задачи.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. На основе анализа принципа действия типовых конструкций микрореле показано, что конструктивные особенности микромеханических реле, изготовленных по поверхностной технологии позволяют: снизить себестоимость и вносимые энергопотери; обеспечить высокое отношение емкостей во включенном и выключенном состояниях; получить добротность того же порядка, что и у существующих аналогов, таких как диод Шотки, MOSFET, PIN-диод. Рассмотрены основные методы изготовления микрореле. Приведены основные технологические операции в процессе формирования микроструктур методом поверхностной микрообработки.

2. Выявлены основные физико-технологические ограничения при изготовлении микрореле: скорость переключения; напряжение срабатывания; залипание электродов; а также, ограничения за счет механических и физико-химических свойств материалов. Определена критическая операция в процессе изготовления микрореле – гальваническое осаждение.

3. Проведена экспериментальная работа для исследования характеристик гальванических пленок никеля, меди, золота и слоистых исполнительных элементов устройств МСТ на их основе в зависимости от технологии изготовления и типа конструкции:

   1. Выбраны оптимальные по механическим характеристикам режимы и условия гальванического осаждения никеля из сульфаминовокислого электролита, обеспечивающие минимальную шероховатость при твердости покрытия 20–50 ГПа: плотность тока – 1 А/дм²; скорость осаждения никеля – 0.095 мкм/мин; температура электролита – 55..60 градусов Цельсия; кислотность электролита pH=3.

   2. Исследована микрошероховатость пленок никеля, меди и золота, полученных при оптимальных режимах. Показано, что шероховатость покрытий возрастает с увеличением толщины. Для никеля из сульфаминовокислого электролита составляет 70–240 нм при толщине пленки от 1 до 6 мкм; для меди из пирофосфатного электролита – 10 до 90 нм при толщине пленки до 6 мкм; для золота – от 30 до 120 нм при толщине пленки от 1 до 6 мкм.

   3. Выбраны толщины функциональных слоев исполнительного элемента, обеспечивающие минимальную шероховатость: 2 мкм – толщина медного покрытия на нижнем электроде, 1 мкм – толщина нижнего и верхнего золотого слоя в «сандвич-структуре» исполнительного элемента, 0.5 мкм – толщина никелевой прослойки в исполнительном элементе.

4. Сформулированы рекомендации по снижению влияния физико-технологических ограничений: изготавливать подвижный элемент с помощью многоуровневой поверхностной технологии с нанесением никеля, меди и золота гальваническим способом, используя экспериментально определенные режимы гальванического осаждения. Предложен способ борьбы с высоким управляющим напряжением и залипанием электродов микромеханических реле.

5. Выбранные режимы гальванического осаждения обеспечивают формирование подвижных элементов устройств микросистемной техники на основе системы металлов «золото-никель-золото» при суммарной толщине золотых покрытий 2 мкм и толщине никелевой прослойки 0.5–3.5 мкм со следующими характеристиками: морфология контактов верхнего электрода 7–20 нм, нижнего электрода 70–240 нм; жесткость конструкции 70–310 кН/м; критическое напряжение срабатывания 40–90 В; давление срабатывания 320–1320 кПа.

ПРИЛОЖЕНИЯ

А. Расчет напряжения срабатывания исполнительного элемента при различных жесткостях упругого подвеса

V - к р и т и ч е с к о е н а п р я ж е н и е с р а б а т ы в а н и я , В

r - р а д и у с м е м б р а н ы , м

S - п л о щ а д ь м е м б р а н ы ,

d - з а з о р м е ж д у н и ж н и м э л е к т р о д о м

и п о д в и ж н ы м э л е м е н т о м

k - и з г и б н а я ж е с т к о с т ь к о н с т р у к ц и и , и н д е к с 2, 3 и л и 4 о б о з н а ч а е т к о л -в о у п р у г и х п о д в е с о в

Б. Расчет давления срабатывания исполнительного элемента при различных жесткостях упругого подвеса.

В. Исследование сил молекулярного взаимодействия между гальваническими пленками никеля, золота и кремниевым зондом атомно-силового микроскопа.

Силы адгезии, действующие на кремниевый кантилевер со стороны исследуемых балочных подвижных элементов, были расчитаны на основе данных силовой спектроскопии для четырех тестовых образцов (сканы см. рис.В.1–В.4). Для этого были сняты зависимости величины изгиба кантилевера от степени выдвижения z-пьезотрубки сканера в нескольких точках: по 25 кривых для каждого образца (см. рис.В.5–В.9). Значение силы адгезии можно вычислить по закону Гука, считая линейной зависимость силы от смещения зонда относительно поверхности образца по вертикальной оси:

F = k × ΔH,

где: k – жесткость кантилевера (измерено экспериментально с помощью команды script в программном модуле нанолаборатории Интегра); ΔH – смещение зонда по вертикальной оси (определяется по кривым отвода как разность Z₁ и Z₂). В точке 1 сила притяжения, действующая на кантилевер, максимальна. В точке 2 кантилевер отрывается от поверхности, и сигнал сканера становится постоянным.

Результаты исследования сил адгезии, действующих на кремниевый кантилевер со стороны золотых и никелевых балочных подвижных элементов находятся в таблице В.3.1. Согласно полученным экспериментальным данным, сила адгезии возрастает с увеличением силы прижатия.

Если на исследуемой поверхности присутствую пленки адсорбата, то сила адгезии уменьшается. Это происходит потому, что в результате взаимодействия подложки и зонда возникает электростатическое поле, которое порождает механическое напряжение, нормально ориентированное к плоскости электродов [28]. Проникновение электростатического поля в объем подложки может вызвать глубинную деформацию и другие нежелательные эффекты, отрицательно влияющие на механические свойства покрытий, в том числе адгезионные свойства. С помощью сильного электростатического поля в области между проводящим зондом и исследуемой поверхностью возможна поляризация молекул среды и их перестройка, а вследствие диполь-дипольного взаимодействия и за счет легирующих примесей возможно образование проводящих молекулярных мостиков из адсорбата или жидкого диэлектрика. Проводящие мостики адсорбируются на поверхности с увеличением силы воздействия на подложку, когда напряженность электрического поля преодалевает определенное критическое значение [30]. Именно формирование пленки адсорбата и послужило причиной снижения адгезии кантилевера к золотым балочным подвижным элементам. Для разрушения пленки адсорбата необходимо продолжать повышать силу воздействия или увеличить время взаимодействия кантилевера с исследуемой поверхностью.

Для оценки полученных экспериментальных значений сил адгезии, были проведены расчеты значений микровзаимодействий молекул материала балочного подвижного элемента (золота и никеля) к материалу зонда (кремнию) по модели Леннард-Джонса [29]. Глубина потенциальной ямы рассчитывалась по компенсационному правилу, для этого проводилась спектроскопия кремниевой подложки, с последующим расчетом адгезии кремния к кремнию.

Рис. В.1. Золотой балочный подвижный элемент (образец 1)	Рис. В.2. Золотой балочный подвижный элемент (образец 2)
Рис. В.3. Никелевый балочный подвижный элемент (образец 3)	Рис. В.4. Никелевый балочный подвижный элемент (образец 4)

Рис. В.5 Спектроскопическая кривая (образец 1 – золотой балочный элемент)

Рис. В.6 Спектроскопическая кривая (образец 2 – золотой балочный элемент)	Рис. В.7 Спектроскопическая кривая (образец 3 – никелевый балочный элемент)
Рис. В.8 Спектроскопическая кривая (образец 4 – никелевый балочный элемент)	Рис. В.9 Спектроскопическая кривая (образец 5 – кремниевая подложка)

Таблица В.3.1. Результаты исследования адгезии кремниевого кантилевера к золотым и никелевым балочным подвижным элементам

Образец	№1 - Золото	№2 - Золото	№3 - Никель	№4 - Никель
Средняя шероховатость, нм	73.5	72.8	49.37	52.12
Сила адгезии, нН	4.40	2.08	3.23	1.23
Сила прижатия, нН	10.00	14.79	10.52	6.76

Полученные значения сил адгезии согласуются с экспериментальными данными (см. расчет далее в приложениях).

Г. Расчет сил адгезии кантилевера к никелевым и золотым балочным подвижным элементам. Обработка экспериментальных данных. Mathcad

Коэффициент жесткости кантилевера (Н/м)

Никель

Золото

Закон Гука

ΔZ - Изменение вертикальной координаты зонда, снятое с кривых отвода

Сила адгезии, расчитанная по закону Гука в каждой из 25 точек спектроскопии

Средние значения сил адгезии по поверхности скана (12×12 мкм) [17]

Расчет постоянной силы прижатия

Д. Расчет сил адгезии кантилевера к никелевым и золотым балочным подвижным элементам по модели Леннард-Джонса. Mathcad

Никель

Золото

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

АСМ – атомно-силовая микроскопия;

ИМ – инерционная масса;

ИС – интегральная схема;

МСТ – микросистемная техника;

МОЭМС – микрооптоэлектромеханическая система;

МЭМС – микроэлектромеханическая система;

НСТ – наносистемная техника;

НТ – нанотехнология;

ПАВ – поверхностноактивное вещество;

СЗМ – сканирующая зондовая микроскопия;

УМСТ – устройство микросистемной техники

ЧЭ – чувствительный элемент;

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Распопов В.Я. Микромеханические приборы: учебное пособие. –

М.: Машиностроение, 2007.– 400 с.: ил.

2. В. Варадан, К. Виной, К. Джозе. ВЧ МЭМС и их применение.

М.: Техносфера, 2004. – 528 с.

3. В.А. Гридчин. Физические основы сенсорной электроники, часть 1 – Сенсоры механических величин: учебное пособие.

Н.: Новосиб. гос. тех. ун-т, 1995. – 107 с.

4. Ю.И. Головин. Введение в нанотехнику. М.: Машиностроение, 2007. – 496 с.

5. D. Hyman, M. Mehregany. Contact physics of gold microcontacts for MEMS swiches. Components and Packaging Technologies, IEEE Transactions, vol. 22, Issue 3, pp. 357 – 364, 1999. Digital Object Identifier – 10.1109/6144.796533.

6. C. Goldsmith, T.Lin, B. Powers, W.Wu, B.Norvell. Micromechanical membrane switches for microwave applications. IEEE MTTS International Microwave Symposium Digest, vol.1, pp. 91-94, 1995. Digital Object Identifier – 10.1109/MWSYM.1995.406090.

7. C. Goldsmith, Z. Yao, S. Eshelman, D. Denniston. Performance of Low-Loss RF MEMS Capacitive Switches. IEEE Microwave and Guided Wave Letters, vol. 8, Issue 8, pp. 269 – 271, 1998. Digital Object Identifier – 10.1109/75.704410.

8. Н.И. Мухуров, Г.И. Ефремов. Электростатическое реле с массивным якорем, М.: Новые технологии. Микросистемная техника, 3 с., 2007, №4.

9. В.М. Любимский. Изгибы круглой и прямоугольной диафрагм при действии электростатического притяжения и поперечной нагрузки, М.: Новые технологии. Микросистемная техника, 6 с., 2007, №5.

10. Буркат Г.К. Серебрение, золочение, палладирование и родирование. Л.: Машиностроение, 1984. – 86 c.

11. С. Leondes (editor). MEMS/NEMS Handbook techniques and applications, vol. 4 Sensors and actuators, pp. 325 – 332, 2006.

12. В.В. Старостин. Материалы и методы нанотехнологии,

М.: Бином, 2008. – 431 с.

13. В.А. Гридчин, В.П. Драгунов. Физика микросистем: Учеб. пособие в 2 ч. Ч 1.

Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2004. - 416 с.

14. S. Pacheco, C.T.-C. Nguen, L.P.B. Katehi. Micromechanical Electrostatic K-Band

Switches. IEEE MTT-S International Microwave Symposium, vol. 3, pp. 1569 -1572,

June 1998. Digital Object Identifier: 10.1109/MWSYM.1998.700675.

15. S.-C. Shen, M. Feng. Low actuation voltage RF MEMS switches with signal

frequencies from 0.25 to 40 GHz. IEEE. Electron Devices Meeting, 1999. IEDM

Technical Digest. International, pp. 689 – 692.

Digital Object Identifier: 10.1109/IEDM.1999.824245

16. A. N. Podobaev, S. S. Kruglikov, P. Becker and M. Mattiesen. Electrochemical estimation of developed roughness of galvanic nickel coatings, 2005, "Protection of metals", vol. 41, №4, pp.363-368.

17. J.K. Luo, A.J. Flewitt, S.M. Spearing, N.A. Fleck, W.I. Milne. Young’s modulus of electroplated Ni thin film for MEMS applications, 2004, "Materials letters", vol. 58, №17-18, pp.2306-2309.

18. Ямпольский А.М., Ильин В.А. Краткий справочник гальванотехника. М.: Машиностроение, 1962. – 244 с.

19. Садаков Г.А. Гальванопластика. М.: Машиностроение, 1987. – 288 c.

20. Д.В. Болтунов, А.А. Жуков, Л.В. Гребенюк. Особенности формирования и

характеристики балочных подвижных элементов на основе гальванически

осажденного никеля. 15-я Международная научно-техническая конференция

студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»,

2009, стр. 95 – 96.

21. Д.В. Болтунов, А.А. Жуков, Л.В. Гребенюк. Особенности формирования и характеристики балочных подвижных элементов на основе гальванически осажденного никеля. 15-я Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», 2009, с. 95 – 96.

22. В.А. Королева, Д.В. Болтунов, Л.В. Гребенюк, А.А. Жуков. Исследование морфологии пленок гальванического никеля для устройств микросистемной техники. 1с., 2010, VIII научно-техническая конференция «Микротехнологии в космосе» с международным участием.

23. А.Е. Ануров, Д.В. Болтунов, А.А. Жуков. Исследование механических характеристик подвижных исполнительных элементов на основе гальванического никеля для устройств микросистемной техники, 2с., 2010, VIII научно-техническая конференция «Микротехнологии в космосе» с международным участием.

24. ГОСТ 2789-73: Шероховатость поверхности. Параметры и характеристики.ISO

25. 468:1982 — Шероховатость поверхности. Параметры, их значения и общие правила установления технических требований. (Surface roughness — Parameters, their values and general rules for specifying requirements).

26. В.П. Драгунов. Влияние формы упругого элемента на характеристики микроэлектромеханических систем, М.: Новые технологии. Микросистемная

техника, 6 с., 2004, №1.

27. А.Г. Алексенко, Н.Н. Балан. Анализ эффекта схлопывания электродов электростатических актюаторов (Pull-in instability) в MEMS- и NEMS- устройствах, М.: Новые технологии. Микросистемная техника, 9 с., 2005, №7.

28. В.К. Неволин. Зондовые нанотехнологии в электронике,

М.: Техносфера, 2006. – 160 c.

29. А.П. Крюков. Элементы физической кинетики,

М.: издательство МЭИ, 1995. – 72 c.

30. В.В. Буринский. Измерение и обработка результатов: курс лекций. М: изд-во МНЭПУ, 2000. – 156 с.

Патенты:

1. Richard D. Nelson, William G. Flynn, and David A. Goins – Tex. (US), Austin “Plate-based microelectromechanical switch having a three-fold relative arrangement of contact structures and support arms”, No.: US 7,119,943 B2.

2. Lawrence E. Dickens (Baltimore, MD), Fred E. Sacks(Reisterstown, MD), Howard Fudem(Baltimore, MD), Don E. Crockett (Columbia, MD), Frank Lindberg(Baltimore, MD), Robert Young (Ellicott City, MD), Gregory DeSalvo (Bellbrook, OH) – Northrop Grumman Corporation (Los Angeles), “Microelectromechanical RF switch” , No.: 10/157,935.

Ссылки:

а) Портал новостей «3Д-Ньюз» – http://www.3dnews.ru/news/samii_bistrii_svch_kommutator_ot_teravicta/

б) Федеральное космическое агенство «Роскосмос» – www.federalspace.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

Введение...........................................................................................................	7
1. Анализ принципа действия, конструкции и технологии изготовления микромеханических реле (обзор литературы)...............	8
Принцип действия и особенности конструкции исполнительных элементов микромеханических реле...................................................	8
Технология изготовления исполнительных элементов микрореле..	18
Физико-технологические ограничения при изготовлении исполнительных элементов микромеханических реле, полученных методом гальванического осаждения............................	25
Общие сведения о методе получения гальванических покрытий. Состав электролитов никелирования, меднения и золочения..........	29
2. Исследование характеристик исполнительных элементов, полученных методом гальванического осаждения, для применения в устройствах МСТ (экспериментальная часть).....................................	35
2.1. Цель...................................................................................................	35
2.2. Объекты исследования.......................................................................	35
2.3. Методы исследования........................................................................	36
2.4. Описание эксперимента.....................................................................	37
2.5. Экспериментальные результаты.......................................................	42
2.5.1. Выбор оптимальных режимов и условий осаждения никеля из сульфаминовокислого электролита для применений МСТ...........	42
2.5.2. Морфология гальванических пленок никеля, меди и золота, полученных при оптимальных режимах и условиях гальванического осаждения..............................................................	58
2.5.3. Механические свойства исполнительных элементов УМСТ на основе системы металлов «золото-никель-золото».......................	62
3. Оптимизация исполнительных элементов УМСТ..............................	70
3.1. Рекомендации по снижению влияния физико-технологических ограничений исполнительных элементов, полученных методом гальванического осаждения, на характеристики микрореле......................	70
3.2. Характеристики исполнительных элементов микрореле, изготовленных с учетом рекомендуемых технологических и конструктивных решений......................................................................	78
Заключение.....................................................................................................	81
Приложения....................................................................................................	83
Расчет напряжения срабатывания исполнительного элемента при различных жесткостях упругого подвеса............................................	83
Расчет давления срабатывания исполнительного элемента при различных жесткостях упругого подвеса............................................	84
Исследование сил молекулярного взаимодействия между гальваническими пленками никеля, золота и кремниевым зондом атомно-силового микроскопа...........................................................	85
Расчет сил адгезии кантилевера к никелевым и золотым балочным подвижным элементам. Обработка экспериментальных данных Mathcad.............................................................................	90
Расчет сил адгезии кантилевера к никелевым и золотым балочным подвижным элементам по модели леннард-джонса. Mathcad............................................................................................	93
Список сокращений......................................................................................	94
Список литературы.......................................................................................	95