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
1.1	154.1
1.5	168.2
2.1	204.3
2.5	220.7
3.0	254.3
3.4	311.2

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:

3.1. 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.

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.

3.3. 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