Исследование характеристик исполнительных элементов, полученных методом гальванического осаждения, для применения В устройствах мст (экспериментальная часть)

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:

1. 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]);

2. Исследовать влияние режимов и условий гальванического осаждения металлов (время осаждения, плотность тока, температура и показатель кислотности электролита) на характеристики исполнительных элементов (толщина, микрошероховатость).

3. Оценить влияние типа конструкции и количества упругих подвесов на свойства подвижных элементов (деформация, изгибная и контактная жесткости).

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).

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.

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.