Пассивные и активные мембраны для устройств микросистемной техники

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Специальность: 05.27.01 - Твердотельная электроника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Пассивные и активные мембраны для устройств микросистемной техники

Кривошеева Александра Николаевна

Санкт-Петербург -2007

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» им В И. Ульянова (Ленина)

Научный руководитель -

доктор технических наук Лучинин В.В.

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор Сауров А.Н. кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Пятышев Е.Н

Ведущая организация - Государственное учреждение, войсковая часть 35533

Защита состоится «2007 г в /Г часов на заседании диссертационного совета Д 212 23ї.04 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина) по адресу 197376, Санкт-Петербург, ул Проф Попова, 5

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета

Автореферат разослан «_2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Мошников В.А

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Развитие микромеханики, ориентированной на создание миниатюрных сенсорных и исполнительных устройств, стимулировало поиск материалов и разработку конструкций, позволяющих эффективно управлять характеристиками микроэлектромеханических преобразователей. Значительное место среди них занимают сенсоры и актюаторы мембранного типа. В конструкции таких устройств используются композиции материалов, отличающиеся по структуре, составу, механическим, электрическим и теплофизическим свойствам. В связи с этим остро встает вопрос о физико-химическом и термо-механическом согласовании материалов и установлении влияния их характеристик на такие параметры прибора как чувствительность к механическим воздействиям или коэффициент преобразования электрического сигнала в механические деформации или напряжения. Базовая технология изготовления мембранных устройств микромеханики включает в себя получение композиций слоев конструкционных, сенсорных и активных материалов, формирование тонкой мембраны методами объемной или поверхностной микромеханики. Одновременно на кристалле-подложке формируются электрические и/или оптические регистрирующие, а также управляющие модули.

Поскольку мембрана представляет собой сверхтонкий объект, в ней возможно возникновение механических напряжений. Умение управлять остаточными напряжениями в мембране позволяет создавать устройства с широким диапазоном чувствительности на базе единой конструкции. Как правило, управление остаточными напряжениями в мембранах осуществляется конструктивными методами за счет изменения материала и толщины слоя или композиции слоев. В настоящей работе рассматриваются три способа управления -- включение в состав мембраны двух слоев с напряжениями противоположных знаков, обеспечивающими взаимную компенсацию; изменение формы мембраны за счет создания специальных топологических элементов -- гофров; введение в конструкцию мембраны пьезоэлектрического слоя, что позволяет управлять механическими характеристиками мембраны, изменяя электрическое напряжение. Первые два типа мембран можно отнести к так называемым пассивным мембранам, третий тип представляет собой активную управляемую конструкцию. Использование материалов с пьезоэлектрическими свойствами делает возможным создание на базе мембраны не только сенсорных, но и актюаторных устройств.

В миниатюрных пьезоэлектрических преобразователях активный элемент традиционно изготавливается из пьезокерамики ЦТС. В настоящей работе основное внимание уделяется тонкопленочным композициям с использованием слоев нитрида алюминия (AlN), входящих в состав мембранных конструкций, как в качестве чувствительного элемента сенсоров, так и активного материала исполнительного устройства актюаторов. Известно, что применение в качестве активного слоя пьезоэлектрических пленок широкозонного материала нитрида алюминия позволяет повысить рабочую температуру и радиационную стойкость устройств и создает предпосылки к использованию интегральных групповых процессов производства изделий.

Цель работы. Разработка физико-технологических основ проектирования и изготовления пассивных и активных микроэлектромеханических элементов мембранного типа с пониженным уровнем остаточных напряжений в мембране и возможностью управления механическими характеристиками мембраны и динамикой ее деформации с помощью электрического поля.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- исследование влияния параметров процесса газофазного осаждения нитрида кремния (Si3N4) на механические напряжения пленок;

- исследование влияния параметров процесса реактивного ионно-плазменного осаждения слоев AlN на состав, структуру, механические и пьезоэлектрические характеристики слоев;

- изучение механических напряжений в биморфных мембранах Si3N4/AlN;

- определение размерного фактора, позволяющего управлять механическими напряжениями в биморфной мембране с целью их минимизации; мембрана акустический датчик кремний

- определение размерного фактора, позволяющего управлять чувствительностью гофрированной мембраны для миниатюрного акустического датчика;

- разработка способа управления механическими напряжениями мембранного элемента с пьезоэлектрическим слоем AlN изменением электрического потенциала поверхности мембраны;

- разработка технологии изготовления гофрированных мембран микрооптомеханического акустического датчика на основе Si3N4 с металлическим зеркалом в центре для отражения оптического излучения;

- разработка конструкции и технологии изготовления высокочувствительных гофрированных мембран с металлическим зеркалом в центре на основе композиции Si3N4/SiC;

- разработка технологии изготовления биморфного мембранного пьезоэлектрического актюатора на основе пленки AlN и определение его рабочих характеристик;

- создание измерительного комплекса для определения зависимости прогиба мембран от приложенного давления (пассивные мембраны) или электрического напряжения (активные мембраны), а также определения зависимости уровня электрического сигнала от приложенного давления для пьезоэлектрических мембран.

Методы исследования. Для решения поставленных задач реализован комплекс технологических операций, включающий газофазное и реактивное ионно-плазменное осаждение слоев Si3N4, AlN и SiC, изотропное и ориентационно чувствительное жидкостное, реактивное ионно-плазменное и жидкостное травление кремния, осуществлялось математическое моделирование с применением метода конечных элементов в программном комплексе ANSYS. Для определения свойств и параметров слоев применялись методы: Оже-спетроскопия, дифракция быстрых электронов, атомно-силовая и растровая микроскопия, эллипсометрия. Подготовка образцов для растровой микроскопии осуществлялась с использованием остросфокусированного наноразмерного ионного пучка.

Научная новизна работы.

1. Определен размерный фактор, позволяющий управлять напряжениями в активных и пассивных биморфных мембранах микроэлектромеханических преобразователей.

2. Определена зависимость чувствительности гофрированной мембраны от радиуса, ширины и глубины гофра, количества гофров, а также толщины мембраны и величины остаточных механических напряжений в материале, из которого она изготовлена.

3. Установлен вид зависимости чувствительности гофрированной мембраны от глубины гофра при постоянном отношении радиуса гофрированной мембраны к ее толщине, то есть с учетом конструктивных и технологических ограничений.

4. Определено влияние механических напряжений в специально создаваемом для отражения оптического излучения металлическом слое в центре мембраны на чувствительность гофрированных мембран для микромеханических акустических преобразователей с волоконнооптическим съемом информации.

5. Предложен способ управления механическими напряжениями в биморфных мембранах, содержащих пьезоэлектрический слой, с помощью задания толщины слоя и подачи электрического напряжения на электроды.

Практическая значимость работы.

1. Разработана конструкция и технология изготовления микромеханического пьезоэлектрического преобразователя мембранного типа, созданы экспериментальные образцы и исследованы их характеристики. Имеется заявка на патент РФ на изобретение чувствительного элемента мембранного типа и способ его изготовления.

2. Разработана технология изготовления гофрированных мембран на основе Si3N4 с металлическим зеркалом для отражения оптического излучения в центре мембраны.

3. Изготовлены экспериментальные образцы микрооптомеханических акустических преобразователей и определены их характеристики. Установлено, что для типового мембранного элемента размером 1,5х1,5 мм2 при толщине слоя нитрида кремния 0,2 мкм чувствительность преобразователя имеет величину до 140 нм/Па.

4. Разработана технология изготовления высокочувствительных гофрированных мембран на основе композиции слоев Si3N4/SiC для микрооптомеханических акустических преобразователей. Для мембран размером 3х3 мм2, сформированных на основе композиции слоев Si3N4/SiC суммарной толщиной 0,4 мкм, достигнуты значения чувствительности в интервале от 350 до 750 нм/Па в полосе частот 100 Гц - 20 кГц.

4. На базе измерительного стенда подготовлена лабораторная работа по курсу «Компоненты микросистем» для студентов, обучающихся по программе подготовки специалистов по специальности «Микросистемная техника». Результаты моделирования конструкции и технологии изготовления используются при проведении лекционных и практических занятий.

5. Результаты диссертационной работы использованы при выполнении: научно-исследовательских работ ЦМИД-117 «Барк-Ф», ЦМИД-129 «Луч-05», ЦМИД-142 «Лагранжиан-АО»; опытно-конструкторских работ ЦМИД-124 «Микродатчик», ЦМИД-139 «Луч».

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. При создании гофрированной мембраны с конструктивно заданным отношением радиуса к толщине наиболее эффективным способом управления ее чувствительностью к внешнему механическому воздействию является изменение глубины гофра, причем установлено, что существует определенное значение остаточных напряжений в центральной части мембраны (? 104 Па), при достижении которого дальнейшее увеличение глубины гофра не приводит к повышению чувствительности независимо от количества гофров.

2. Остаточными напряжениями мембраны можно управлять не только традиционным конструктивным способом за счет создания мембраны, состоящей из композиции слоев определенной толщины и состава, обладающих механическими напряжениями противоположных знаков, но и активным электрическим способом путем включения в состав мембранной композиции пьезоэлектрического слоя и подачи на него электрического потенциала, обеспечивающего программируемое изменение механических напряжений в конструкции.

Апробация результатов. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: IV Международная научная конференция «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии», Кисловодск, 19 - 24 сентября 2004 г.; XI Национальная конференция по росту кристаллов, г. Москва, 13 - 17 декабря 2004 г.; V международный семинар «Карбид кремния и родственные материалы», г. Великий Новгород, 25 - 26 мая 2004 г.; 6, 7, 8 и 9 научные молодежные школы по твердотельной электронике, Санкт-Петербург, 17 - 18 мая 2003 г., 8 - 10 октября 2004 г., 27 - 29 мая 2005 г., 27 - 28 мая 2006 г.; 7-я всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике, Санкт-Петербург, 5 - 9 декабря 2005 г.; Политехнический симпозиум «Молодые ученые - промышленности Северо-Западного региона», Санкт-Петербург, 8 декабря 2006 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 научных работ, из них 2 статьи в ведущем рецензируемом научном журнале, рекомендованном ВАК, и параграф в монографии. Список публикаций приведен в конце автореферата.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографического списка, включающего 73 наименования. Диссертация содержит 136 страниц машинописного текста, включая 58 рисунков и 6 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, определены цель и задачи исследования, сформулированы научная новизна, практическая значимость полученных результатов и научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе осуществлен анализ литературных данных о мембранных микроэлектромеханических устройствах. Основные сферы применения мембранных элементов - чувствительные элементы акустических датчиков (микрофоны), датчиков постоянных и переменных относительных и абсолютных давлений, активные элементы микромеханических актюаторов в составе микроклапанов, микронасосов, микрореле и т.п.

Проанализированы особенности использования в конструкциях микромеханических датчиков и актюаторов традиционных материалов микроэлектроники - кремния, нитрида кремния, нитрида алюминия, карбида кремния. Выделены наиболее важные для применения в микромеханике свойства материалов: механические - жесткость, пластичность, прочность, внутренние напряжения; химические - взаимодействие с жидкими и газообразными травителями, анизотропия свойств монокристаллического кремния; электрические - проводимость, электрическая прочность, диэлектрическая проницаемость, пьезоэлектрические характеристики нитрида алюминия; тепловые - теплопроводность, температурные коэффициенты.

Рассмотрены параметры мембранных микроэлектромеханических датчиков и актюаторов основных мировых производителей. Проводится сравнение различных конструкций актюаторов мембранного типа в связи с областями их применения. Проанализированы задачи в области измерений и создания управляющих устройств, не решенные на данном этапе развития микросистемной техники.

Дан сравнительный анализ существующих способов активации мембранных элементов: термического, электростатического и пьезоэлектрического. Пьезоэлектрический способ активации обеспечивает наилучшую точность позиционирования, за счет высокой рабочей частоты может быть получено большое значение перемещения.

В конце данной главы сформулированы основные задачи диссертационного исследования.

Вторая глава посвящена рассмотрению особенностей технологии создания мембранных элементов микромеханических датчиков и актюаторов.

Особое внимание уделяется методам получения слоев нитрида кремния и текстурированных слоев нитрида алюминия, влиянию параметров процесса реактивного ионно-плазменного осаждения на структуру и пьезоэлектрические свойства нитрида алюминия. В представленной работе исследовались свойства пленок нитрида кремния, полученного осаждением из газовой фазы, в состав которой входили силан или дихлорсилан и аммиак. Пленки были получены при различных значениях потока реагирующих газов.

Слои нитрида алюминия получали высокочастотным магнетронным распылением алюминиевой мишени в аргонно-азотной атмосфере. В качестве подложек использовались монокристаллический кремний ориентации (100), кремний со слоями оксида и нитрида кремния. Исследованы структура выращенных слоев, электрофизические свойства, внутренние механические напряжения.

Рассмотрены основные представления о природе механических напряжений в слоях, полученных различными способами, причинах их возникновения и влиянии параметров технологических процессов на величину напряжений.

Кратко изложены способы изготовления мембранных элементов микромеханических устройств. Рассмотрены варианты технологи поверхностной и объемной микромеханики. Сравнение методов жидкостного и реактивного ионно-плазменного травления для формирования глубокого рельефа в кремнии при формировании активных мембран показывает, что даже при отсутствии прямого воздействия плазмы разряда на слой нитрида алюминия, сопротивление слоя уменьшается. Поэтому для изготовления мембран, содержащих слои, чувствительные к воздействию заряженных частиц, предпочтительно применять жидкостное травление. С другой стороны, при формировании в кремниевой подложке матрицы для последующего получения гофрированной мембраны жидкостное анизотропное травление может быть применено только для получения гофров прямолинейной формы. Гофры заданного профиля в форме кольца удается получить, сочетая процессы реактивного ионно-плазменного и жидкостного изотропного травления кремния.

В третьей главе представлены теоретические основы расчета деформаций однослойных мембранных элементов, на которых базируется экспериментальная методика определения внутренних механических напряжений в мембране. Рассмотрены особенности поведения пластин (преобладают изгибные деформации) и мембран (преобладают деформации растяжения) при линейных и нелинейных деформациях. Изложены способы расчета статических и динамических характеристик мембранных элементов устройств микросистемной техники. Разработана модель расчета мембранного элемента с пьезоэлектрическим слоем.

Рассмотрены особенности применения метода конечных элементов к расчету плоских одно- и двухслойных (пассивных или содержащих пьезоэлектрический слой) и гофрированных мембранных элементов. Для моделирования однослойных плоских и гофрированных мембран использовались как объемные, так и плоские конечные элементы. Учет внутренних напряжений проводился путем моделирования тепловых напряжений, а также с использованием специальной команды. Сеточная модель биморфной мембраны строилась с использованием только объемных элементов, что позволило учесть анизотропию механических свойств текстурированной пленки нитрида алюминия и ее пьезоэлектрические свойства.

На основе метода электроакустической аналогии предложена модель расчета пьезоэлектрического электро-акустического преобразователя. На основании эквивалентной схемы рассчитывались усилия, развиваемые активным элементом.

Представлена методика экспериментального определения встроенных механических напряжений слоев, входящих в состав однослойных и многослойных мембранных элементов. Предложенный способ заключается в измерении с помощью стенда, разработанного в Центре микротехнологии и диагностики СПбГЭТУ «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина), зависимости прогиба центра мембраны от приложенного давления (Рис. 1) и вычисления по линейному участку полученной зависимости значения напряжений с использованием приближенного решения уравнения Кармана для пластины (мембраны) жестко защемленной по контуру:

, (1)

где: a - радиус мембраны; - смещение центра мембраны; Е - модуль Юнга; м - коэффициент Пуассона; h - толщина мембраны; у0 - остаточные механические напряжения пластины; q - распределенная нагрузка (давление). Значения коэффициентов с0 = 5,3, с1 = 4,4, с2 = 2,6…3,4.

При деформации мембраны изгибные деформации незначительны, поэтому в выражении (1) первым слагаемым можно пренебречь для всех разновидностей изученных мембранных элементов.

Для определения внутренних напряжений в пленке нитрида алюминия находилось суммарное напряжение в биморфной мембране Si3N4/AlN. Используя значения напряжений пленки нитрида кремния, рассчитанные по результатам измерения прогибов однослойной мембраны, и известные толщины слоев вычисляли напряжения в пленке нитрида алюминия.

Рис.1. Структурная схема измерительного комплекса для определения зависимости прогиба мембран от давления.

В качестве реагентов для получения пленок Si3N4 были использованы моносилан, дихлорсилан и аммиак. С целью получения пленок с различными значениями отклонения от стехиометрического состава изменялось соотношение газов в реакционной камере. При отклонении состава растущей пленки от стехиометрии в сторону увеличения доли кремния значительно уменьшаются встроенные механические напряжения, однако ухудшается химическая стойкость пленки при травлении в КОН. В стандартном процессе с использованием моносилана были получены пленки Si3N4 с остаточными механическими напряжениями около 1,0 ГПа. При увеличении доли моносилана в 5 раз механические напряжения уменьшаются до 0,2 ГПа, а при десятикратном увеличении доли моносилана относительно стандартного соотношения остаточные напряжения составляют 0,1 ГПа. Соответствующие значения чувствительности для плоских однослойных мембран из Si3N4 размером 1,5х1,5 мм2 и толщиной 0,2 мкм -- 0.3, 4.0 и 11.0 нм/Па. Пленки Si3N4, полученные с применением дихлорсилана обладают меньшими механическими напряжениями и более высокой химической стойкостью. При стандартном процессе остаточные напряжения в пленках составляют 0,7 ГПа.

Напряжения в пленках нитрида алюминия определялись на мембранах 1,5х1,5 мм2. Пленка AlN выращивалась методом высокочастотного магнетронного распыления алюминиевой мишени в аргоново-азотной смеси на подложке монокристаллического кремния со слоями оксида и нитрида кремния. Температура подложки составляла 520 єС, толщина слоя варьировалась от 0,4 до 0,9 мкм.

Значения напряжений в биморфной мембране и составляющих ее слоях Si3N4 и AlN в зависимости от параметров процессов осаждения слоев могут меняться в широком диапазоне. Так, в слоях Si3N4, полученных методом газофазного осаждения в атмосфере моносилана и аммиака при разных соотношениях потоков газов, возникают растягивающие напряжения, значения которых находятся в диапазоне от 0,1 до 1,3 ГПа. В слоях AlN, полученных реактивным ионно-плазменным осаждением, возникают стягивающие напряжения, величина которых изменяется от 0,3 до 1,4 ГПа в зависимости от условий осаждения.

Далее в третьей главе проанализированы возможности управления напряжениями как при изменении параметров процесса осаждения слоев, так и конструктивные решения, приводящие к контролируемому изменению напряжений. В числе последних -- сочетание слоев с напряжениями противоположных знаков и изменение профиля мембраны.

Комбинируя в составе мембраны слои Si3N4 и AlN, удается минимизировать остаточные механические напряжения до значений около 0,1 ГПа. При этом можно получать мембраны как с растягивающими, так и сжимающими остаточными напряжениями. Для определения оптимального соотношения толщины слоев биморфной мембраны, обладающих механическими напряжениями разных знаков, использовано соотношение h2 = (у1/у2)?h1, где h1 и h2 -- толщины слоя Si3N4 и компенсирующего слоя AlN соответственно, мкм; у1 и у2 -- модули встроенных механических напряжений в слое Si3N4 и компенсирующем слое AlN соответственно, ГПа. Исходя из расчета по приведенной формуле были изготовлены двухслойные мембраны с толщиной слоев hSi3N4 = 0,5 мкм и hAlN = 0,4 мкм, величина остаточных напряжений которых составила 90 МПа, а чувствительность - 20 нм/Па.

Также в главе приводятся схемы технологических процессов изготовления акустического датчика на основе гофрированной мембраны и микроэлектромеханического пьезоэлектрического преобразователя на основе пленки нитрида алюминия.

Основными этапами технологического процесса изготовления акустического датчика на основе гофрированной мембраны являются:

- создание в кремниевой подложке рельефа, на основе которого впоследствии формируется гофр;

- газофазное осаждение пленки нитрида кремния;

- формирование маски для анизотропного травления мембраны с обратной стороны подложки;

- формирование маски для проведения взрывной литографии на лицевой стороне подложки;

- осаждение металлической пленки и «взрыв» для формирования зеркала для отражения оптического излучения на лицевой стороне подложки;

- жидкостное анизотропное травление мембраны.

Получение мембран с глубиной гофров несколько десятков микрометров и зеркальной отражающей точкой в центре является сложной технологической задачей. При создании глубокого рельефа в подложке реактивным ионно-плазменным травлением не удается получить заданный рельеф канавки и уровень шероховатости ее дна и стенок. Для улучшения рельефа канавки проводится обработка поверхности подложки в полирующем травителе. Поскольку процесс жидкостного анизотропного травления мембраны происходит в агрессивной щелочной среде при повышенной температуре в течение большого промежутка времени выбор металла для формирования зеркала на поверхности мембраны ограничен. Создание маски для взрывной литографии проводится при наличии на лицевой стороне подложки глубокого рельефа, что приводит к образованию дефектов при образовании разрывов фоторезиста по краям рельефа. Изменения, внесенные в процесс изготовления гофрированных мембран, позволили получить более гладкий профиль гофров, выполнить зеркало в виде круглого металлического элемента в центре гофрированной мембраны при глубине рельефа ~ 30 мкм. В результате удалось увеличить чувствительность мембран до 140 нм/Па при размере мембраны 1,5х1,5 мм2 и толщине слоя нитрида кремния 0,2 мкм. Фотографии образцов полученных гофрированных мембран приведены на рис. 2.



а б

Рис. 2. Внешний вид центральной части гофрированной мембраны с искусственно созданными концентрическими кольцевыми гофрами и естественными самоорганизующимися радиальными гофрами (а); изображение фрагмента сечения кольцевого гофра, полученного после препарирования мембраны остросфокусированным ионным пучком (б).

Поскольку известные аналитические зависимости предсказывают увеличение чувствительности мембраны с ростом геометрических размеров, было осуществлено создание разгруженной гофрированной мембраны с размерами 3х3 мм2 с использованием пленки Si3N4 толщиной 0,2 мкм, а также на основе композиции Si3N4/SiC общей толщиной 0,4 мкм. При этом были достигнуты значения чувствительности от 350 до 750 нм/Па в звуковом диапазоне частот. Для нанесения слоев SiC использовалась технология ионно-плазменного осаждения материала на слои Si3N4.

Процесс изготовления активного мембранного элемента состоит из следующих ключевых операций:

- осаждение на обе стороны кремниевой подложки слоев оксида и нитрида кремния;

- формирование в полученных слоях на обратной стороне подложки маски для травления мембран;

- травление полости для формирования подмембранного объема таким образом, чтобы сохранить слой кремния толщиной около 30 мкм;

- осаждение на лицевую сторону подложки слоя Si3N4;

- осаждение слоя металла и фотолитография для формирования рисунка верхнего электрода;

- травление кремния в изотропном травителе для получения биморфной мембраны;

- осаждение металла на обратную сторону подложки для формирования нижнего электрода;

- разделение пластины на кристаллы.

Усложнение процесса травления кремния связано с тем, что нитрид алюминия активно реагирует с щелочами, которые являются анизотропными травителями кремния. Разработанная технология изготовления мембранных элементов, в состав которых входит пленка AlN, позволяет получать активную мембрану с заданными механическими и пьезоэлектрическими характеристиками.

При толщине слоя AlN, превышающей оптимальную, биморфная мембрана изначально деформирована. Фотография деформированной мембраны приведена на рис. 3. Показана возможность использования такого типа активных мембран в микромеханических переключателях. Перемещение центра мембраны при переключении достигает 20 мкм.

Рис. 3. Саморазгруженная деформированная биморфная мембрана hSi3N4 = 0,4 мкм, hAlN = 0,9 мкм.

Для модели гофрированной мембраны исследованы зависимости остаточных напряжений и чувствительности мембранного элемента от остаточных механических напряжений в пленке Si3N4 и металлическом слое, а также геометрических размеров: радиуса, ширины и глубины гофра, количества гофров и толщины пленки. Выявлено, что доминирующее влияние на чувствительность оказывает, как и у плоских разгруженных мембран, отношение радиуса мембраны к толщине, при условии, что берется значение радиуса внутренней разгруженной части мембраны. Ширина гофра практически не влияет на чувствительность. При выбранном соотношении радиуса гофра и толщины пленки, которые в основном определяются конструктивными и технологическими факторами, эффективное управление чувствительностью мембранного элемента достигается с помощью вариации глубины гофра. Однако при определенных значениях глубины гофра, характерных для заданных толщины слоя и количества гофров, достигается максимум чувствительности, и при дальнейшем увеличении глубины гофра чувствительность не изменяется. Такой характер зависимости чувствительности от глубины гофра можно объяснить, учитывая, что при увеличении глубины гофра уменьшаются остаточные напряжения в мембране и увеличиваются изгибные деформации. При достижении значения напряжений ~ 104 Па величина изгибных деформаций становится сопоставима с деформациями растяжения и в целом деформация гофрированной мембраны происходит по законам, характерным для пластины с малыми внутренними напряжениями. Результаты моделирования зависимости отстаточных напряжений и чувствительности от глубины гофра приведены на рис. 4.



а б

Рис. 4. Зависимость остаточных напряжений (а) и чувствительности (б) гофрированной мембраны из Si3N4 размером 1,5х1,5 мм2 и толщиной 0,2 мкм от глубины гофра.

Для многослойных элементов рассмотрены способы учета встроенных механических напряжений слоев, когда все слои, входящие в мембрану, пассивны, а также при наличии у одного из слоев пьезоэлектрических свойств. С помощью моделирования и измерений на экспериментальных образцах показано, что механическими напряжениями биморфной мембраны с пьезоэлектрическим слоем нитрида алюминия можно управлять, подавая на электроды, сформированные на мембране, электрическое напряжение. При моделировании использовались упругие и пьезоэлектрические коэффициенты, характерные для объемного монокристаллического нитрида алюминия. Для образцов размером 1,5х1,5 мм2 с толщиной слоев hSi3N4 = 0,4 мкм, hAlN = 0,4 мкм расчетное изменение механических напряжений составляет 15%. При незначительном отклонении от оптимального соотношения толщины слоев нитрида кремния и нитрида алюминия существует возможность изменения механических напряжений от растягивающих к сжимающим и наоборот. Расчетный и экспериментальный графики изменения механических напряжений биморфной мембраны при подаче электрического напряжения на электроды приведен на рис. 5.

Рис. 5. Управление механическими напряжениями в биморфной мембране с помощью электрических потенциалов разного знака. (Уровень исходных остаточных напряжений в мембране составлял -325 МПа).

В четвертой главе осуществлен анализ характеристик созданных микрооптомеханических и микроэлектромеханических преобразователей на основе пассивных и активных мембран.

Результаты измерений чувствительности гофрированных мембран с двумя и тремя гофрами позволяют сделать вывод, что характер зависимости чувствительности мембраны от глубины гофра соответствует результатам моделирования. Наблюдаемое отличие в количественных оценках объясняется наличием металлизации в центре мембраны. С учетом влияния металлического элемента в модели мембраны были получены значения чувствительности, близкие к экспериментальным (в экспериментальных образцах толщина слоя металлизации составляла 0,1 мкм).



Рис. 6. Экспериментальные результаты, характеризующие зависимость чувствительности гофрированных мембран от глубины гофра.

Рис. 7. Результаты моделирования зависимости чувствительности мембраны от толщины слоя металлизации.

Для проведения испытаний активной мембраны измерительный стенд, схема которого изображена на рис. 1, был дополнен источником постоянного напряжения и генератором звукового сигнала.

Испытания экспериментальных образцов показали, что зависимость прогиба биморфа с размерами 1,5х1,5 мм, hSi3N4 = 0,4 мкм, hAlN = 0,9 мкм от прикладываемого постоянного напряжения близка к линейной и является симметричной (рис. 7). Коэффициент преобразования напряжения в прогиб составляет 7 нм/В. При подаче на электроды переменного напряжения в диапазоне частот 20 Гц - 40 кГц амплитудно-частотная характеристика преобразователя равномерная, что позволяет использовать предложенную конструкцию в составе акустического преобразователя. При величине прикладываемого переменного напряжения 27 В амплитуда прогиба в центре мембраны достигает 200 нм.

Рис. 7. Зависимость прогиба активной композиционной мембраны Si3N4/AlN (hSi3N4 = 0,4 мкм, hAlN = 0,9 мкм) от постоянного напряжения.

Рис. 8. Зависимость электрического напряжения на электродах микроэлектромеханического пьезоэлектрического преобразователя от давления.

Чувствительность преобразователя к изменению давления составляет 4,5 мкВ/Па.

В заключении подведены итоги проделанной работы и приведены основные результаты исследования.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Определены внутренние механические напряжения в пленках нитрида кремния, полученных методом газофазного осаждения, и их связь с параметрами технологического процесса осаждения пленки. Установлено, что увеличение потока моносилана в процессе газофазного осаждения пленки Si3N4 приводит к уменьшению внутренних механических напряжений. Однако это значительно ухудшает химическую стойкость пленки в КОН и ограничивает ее использование в процессах создания мембранных элементов микромеханических систем.

Определены внутренние механические напряжения пленок AlN, полученных методом высокочастотного магнетронного распыления алюминиевой мишени в аргоно-азотной смеси.

Разработана методика минимизации внутренних механических напряжений двухслойных мембранных элементов Si3N4/AlN и Si3N4/SiC для повышения их чувствительности при сохранении размеров мембраны.

При создании гофрированного мембранного элемента акустического преобразователя с отражающим оптическое излучение металлическим элементом в центре эффективное управление его чувствительностью можно осуществлять изменением глубины гофра, при этом существует определенное значение остаточных напряжений в центральной части мембраны, при достижении которого дальнейшее увеличение глубины гофра не приводит к повышению чувствительности независимо от количества гофров.

Предложена методика управления механическими напряжениями активной биморфной мембраны с пьезоэлектрическим слоем изменением электрического потенциала поверхности мембраны.

Разработана методика определения механических напряжений слоев мембранного элемента, создан измерительный комплекс и программное обеспечение для изучения свойств пассивных и активных мембран.

Разработана технология изготовления высокочувствительных гофрированных мембран для микрооптомеханических акустических датчиков, изготовлены экспериментальные образцы и определены их рабочие характеристики. Для мембран с размерами 1,5х1,5 мм2, толщиной пленки Si3N4 0,2 мкм получена чувствительность до 140 нм/Па, для мембраны на основе композиции Si3N4/SiC с размерами 3,0х3,0 мм2 и суммарной толщиной 0,4 мкм значения чувствительности составили от 350 до 750 нм/Па в полосе частот 100 Гц - 20 кГц.

Разработаны физико-технологические основы изготовления биморфного мембранного элемента пьезоэлектрического преобразователя на основе пленки AlN, изготовлены экспериментальные образцы и определены их рабочие характеристики. Коэффициент преобразования составил 7 нм/В, чувствительность к внешнему давлению - 4,5 мкВ/Па при размерах мембраны 1,5х1,5 мм2 и толщинах hSi3N4 =0,4 мкм, hAlN =0,9мкм.

На основе гофрированного мембранного элемента изготовлен высокочувствительный акустический датчик с оптическим каналом съема информации.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Закономерности формирования текстуры в пленках нитрида алюминия при плазмохимическом осаждении / А.М. Ефременко, А.З. Казак-Казакевич, А.Н. Кривошеева, А.В. Корляков, В.В. Лучинин // Вакуумная техника и технология, 2006. - Т. 16, № 3. - С. 241 - 244. - Библиогр.: с. 244.

2. Получение текстурированных слоев нитрида алюминия для микромеханических актюаторов / А.М. Ефременко, А.В. Корляков, А.Н. Кривошеева, В.В. Лучинин // Вакуумная техника и технология. - 2007. - Т. 17, № 3. - с. 189 -198. - Библиогр.: с. 197-198.

3. Корляков, А.В. Неорганические и органические нано- и микроразмерные мембраны для приборов микросистемной техники / А.В. Корляков, А.Н. Кривошеева, В.М. Пасюта // Нанотехнология: физика, процессы, диагностика, приборы / под ред. В.В. Лучинина, Ю.М. Таирова - М.; 2006. - Гл. 4, § 4.3. - С. 493 -516. - Библиогр.: с. 515-516.

4. Получение текстурированных слоев нитрида алюминия для микромеханических актюаторов / А.М. Ефременко, А.Н. Кривошеева, А.В. Корляков // Карбид кремния и родственные материалы: Сб. матер. V международного семинара, Великий Новгород, 25-26 мая 2004. - Великий Новгород, 2005.- С.94.

5. Пассивные и активные мембраны для устройств микросистемной техники / А.Н. Кривошеева // Молодые ученые - промышленности Северо-Западного региона: Материалы конференций политехнического симпозиума 2006 г., СПб., 8 декабря 2006 г. - СПб., 2006. - С.126.

Размещено на Allbest.ru

...