WWW.KONF.X-PDF.RU
БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА - Авторефераты, диссертации, конференции
 

Pages:   || 2 | 3 | 4 |

«ФИЗИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ УПРАВЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИМИ НАПРЯЖЕНИЯМИ В ТОНКОПЛЁНОЧНЫХ КОМПОЗИЦИЯХ МИКРОМЕХАНИКИ ...»

-- [ Страница 1 ] --

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

На правах рукописи

Асташенкова Ольга Николаевна

ФИЗИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ УПРАВЛЕНИЯ

МЕХАНИЧЕСКИМИ НАПРЯЖЕНИЯМИ В ТОНКОПЛЁНОЧНЫХ

КОМПОЗИЦИЯХ МИКРОМЕХАНИКИ

Специальность: 05.27.06 – Технология и оборудование для производства



полупроводников, материалов и приборов электронной техники Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук Корляков А. В.

Санкт-Петербург - 2015 Оглавление Введение

Глава 1. Механические напряжения в тонких плнках и микромеханических структурах на их основе

1.1 Причины возникновения механических напряжений в тонких плнках.........

1.2 Особенности формирования механических напряжений в тонких плнках в зависимости от метода их формирования

1.3 Управление механическими напряжениями

1.3.1 Механические напряжения в микромеханических структурах

1.3.2 Управление механическими напряжениями на различных стадиях формирования микромеханического устройства

1.4 Методы измерения механических напряжений в тонких плнках

Выводы по первой главе

Глава 2 Определение механических напряжений в микромеханических структурах

2.1 Определение растягивающих механических напряжений в тонкоплночных мембранах

2.2 Оценка сжимающих механических напряжений в тонкоплночных мембранах

2.3 Определение механических напряжений в микромеханических балках..........

Выводы по второй главе

Глава 3. Управление механическими напряжениями в тонких плнках в процессе их формирования

3.1 Формирование микромеханических структур на основе тонких плнок…….

3.2 Исследование механических напряжений в плнках карбида кремния..........

3.2.1 Карбид кремния как материал для микромеханических систем

3.2.2 Влияние параметров процесса формирования плнок карбида кремния методом магнетронного осаждения на их механические напряжения.................

3.3 Исследование механических напряжений в плнках нитрида алюминия.......

3.4 Механические напряжения в тонких плнках металлов

3.4.1 Исследование механических напряжений в композициях титан-никель….

3.4.2 Исследование механических напряжений в тонких плнках хрома.............

3.5 Оценка влияния примеси на механические напряжения в тонких плнках…

3.6 Общие рекомендации по управлению механическими напряжениями в пленках различных материалов в процессе их формирования

Выводы по третьей главе

Глава 4. Управление механическими напряжениями в тонких плнках и микромеханических мембранах при термической обработке

4.1. Влияние отжига на механические напряжения в плнках хрома

4.2 Влияние отжига на механические напряжения в плнках золота в составе композиционных мембран

4.3 Управление механическими характеристиками гофрированных мембран при термической обработке

4.3.1 Релаксация механических напряжений в гофрированных мембранах…….

4.3.2 Влияние отжига на чувствительность гофрированных мембран................

4.3.3 Практические рекомендации по увеличению чувствительности гофрированных мембран

Выводы по четвертой главе

Глава 5. Особенности эксплуатации и управления механическими напряжениями мембранных структур на основе тонких плнок

5.1 Управление механическими напряжениями мембранных структур в процессе их эксплуатации

5.1.1 Управление прогибом мембранных структур в процессе эксплуатации устройства

5.1.2 Управление механическими напряжениями мембраны за счт электростатического сжатия

5.1.3 Управление механическими напряжениями мембраны воздействием лазерного излучения

5.1.4 Управление механическими напряжениями мембраны при механическом воздействии

5.2 Эксплуатационные характеристики мембранных структур, созданных по физико-технологическим принципам формирования структур с управляемыми напряжениями

5.2.1 Прочность микромеханических мембран

5.2.2 Эксплуатационные характеристики мембран в различных условиях......... 124 Выводы по пятой главе………………………………………………………………………... 129 Заключение……………………………………………………………………………………...





Список сокращений и условных обозначений………………………………………...

Список использованных источников ……………………………………………………

ВВЕДЕНИЕ

В микроэлектромеханических системах используют геометрию и свойства тонких плнок для управления параметрами устройств, выполненных на их основе.

Возникновение неконтролируемых механических напряжений в слоях, входящих в состав микромеханических структур, может приводить к возникновению невоспроизводимых механических характеристик приборов, к изменению формы устройства, а также к непрогнозируемым термомеханическим изменениям. Кроме того, механические напряжения, возникающие в процессе формирования плнок, могут приводить к растрескиванию и отслаиванию плнок от подложек.

К сожалению, задача воспроизводимого получения низконапряжнных плнок в условиях реального технологического процесса затруднена множеством факторов, влияющих на формирование механических напряжений в плнках в процессе роста. Особенно это касается методов ионно-плазменного осаждения при формировании поликристаллических плнок, где проблему неконтролируемых механических напряжений не удатся решить подбором материалов с близкими параметрами кристаллической рештки и температурными коэффициентами линейного расширения, как при эпитаксиальном росте. К тому же, ввиду многообразия и сложности конструкций микромеханических элементов и систем возникает необходимость разработки методик определения механических напряжений, учитывающих особенности конструкции и формообразования микромеханических элементов [1].

Контролируя и изменяя механические напряжения в тонких плнках, можно не только создавать низконапряженные структуры, но и структуры с управляемыми напряжениями. Управлять механическими напряжениями можно как в ходе технологического процесса формирования структур, так и после него за счт модификации уже сформированных плнок, а также активации мембраны с помощью различного рода внешних воздействий в процессе эксплуатации устройства.

Поскольку механические напряжения зависят от параметров и условий процесса формирования плнки, величину механических напряжений можно изменять до требуемой величины путм изменения различных параметров и факторов технологического процесса, которые индивидуальны для каждого материала и каждого метода формирования плнки. Они, как правило, подбираются индивидуально для решения конкретной задачи.

При формировании микромеханических структур мембранного типа, а также структур, включающих микромеханические балки или мостики, представляющие собой плнку, освобожднную от подложки, следует учитывать влияние механических напряжений на форму получаемых структур. За счт подбора значений механических напряжений можно управлять геометрией мембранных и балочных микроструктур, создавать новые 3D-структуры для микромеханических систем.

Устройства, выполненные на основе тонкоплночных мембран, используются в качестве преобразователей. Чувствительность мембраны является важнейшим параметром, который определяет характеристики приборов, формируемых на основе мембранных структур. Уменьшая механические напряжения слов, составляющих мембрану, можно добиться уменьшения жесткости мембраны, а, следовательно, и увеличения е чувствительности при сохранении конструкции и малых геометрических размеров устройства.

Особый интерес представляет собой возможность управления механическими напряжениями в процессе эксплуатации уже готового устройства.

Е реализация расширит диапазон использования микромеханических устройств за счт активации подвижности мембранных и балочных структур. За счт изменения механических напряжений под действием внешнего воздействия достигается изменение прогиба плнки, освобожднной от подложки.

Использование этого эффекта позволит создавать микромеханические переключатели на основе балок, микроактюаторы на основе эффекта перемещения за счт изменения механических напряжений.

Цель работы:

Разработка и исследование эффективных способов управления механическими напряжениями в тонкоплночных композициях элементной базы микромеханики на различных стадиях формирования микромеханических структур.

Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:

Управление механическими напряжениями в слоях и тонкоплночных 1.

композициях микромеханики в процессе их формирования ионно-плазменными методами и последующего отжига с целью повышения чувствительности.

Создание комплекса методик определения сжимающих и растягивающих 2.

механических напряжений в однослойных и композиционных мембранах.

Разработка способов управления механическими напряжениями 3.

мембранных структур в процессе эксплуатации устройств микромеханики.

Научная новизна работы Определено, что доминирующее влияние на возникновение механических 1.

напряжений в плнках карбида кремния оказывает поток высокоэнергетичных частиц из плазмы разряда на поверхность роста в процессе ионно-плазменного осаждения.

Установлено определяющее влияние на формирование механических 2.

напряжений в плнках нитрида алюминия градиента электрического потенциала, возникающего в процессе ионно-плазменного осаждения.

Экспериментально установлено, что доминирующим фактором, 3.

определяющим увеличение механической чувствительности гофрированных композиционных мембран «нитрид кремния–золото» является уменьшение механических напряжений в плнке золота, что достигается низкотемпературным вакуумным отжигом.

Экспериментально показана возможность активации прогиба 4.

композиционных мембран при управлении их механическими напряжениями с помощью электростатического сжатия и термомеханического воздействия при лазерном облучении.

Практическая значимость работы Получены экспериментальные зависимости механических напряжений в 1.

тонких плнках хрома от технологических параметров процесса их формирования: давления рабочего газа и температуры подложки Достигнуто снижение механических напряжений в плнках карбида 2.

кремния при уменьшении потока высокоэнергетичных частиц к растущей плнке в процессе ионно-плазменного осаждения.

Достигнуто снижение механических напряжений в плнках нитрида 3.

алюминия за счт уменьшения градиента электрического потенциала в плнке в процессе ионно-химического осаждения.

Достигнуто увеличение чувствительности гофрированных композиционных 4.

мембран, включающих плнки золота с подслоем хрома, при низкотемпературном вакуумном отжиге за счт уменьшения механических напряжений в плнке золота.

Создан комплекс методик определения механических напряжений в 5.

микромеханических мембранах, включающий методики измерения сжимающих и растягивающих напряжений в однослойных и композиционных мембранах с различным рельефом поверхности.

Результаты диссертационной работы использованы при выполнении ряда 6.

научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ НОЦ ЦМИД и НОЦ «Нанотехнологии»: ОКР «Микродатчик», ОКР «Микродатчик-А», НИР «Электрон-Снасть», ОКР «Электрон-1П», НИР «Листок», а также НИР «Физикотехнологические основы формирования высокочувствительных нано и микромембранных элементов» и НИР «Физико-технологические основы управления механическими напряжениями в микро- и наноструктурах для создания высокочувствительных микромеханических систем» (гранты ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России»).

Научные положения, выносимые на защиту:

Основным фактором, определяющим формирование механических 1.

напряжений в плнках карбида кремния в процессе ионно-плазменного осаждения, является поток высокоэнергетичных частиц из плазмы разряда на растущий слой.

Снижение сжимающих механических напряжений в плнке нитрида 2.

алюминия достигается при уменьшении градиента электрического потенциала в плнке в процессе ионно-плазменного осаждения.

Увеличение чувствительности композиционных гофрированных 3.

мембранных структур на основе композиций «нитрид кремния–золото»

достигается предварительным низкотемпературным вакуумным отжигом, обеспечивающим уменьшение механических напряжений в плнках золота.

Методы исследования.

Для оценки величины механических напряжений в данной работе был разработан комплекс методик, основанных на интерферометрическом измерении прогиба мембраны в зависимости от подаваемого на не давления и профилометрии поверхности мембран и плнок, образующих рельеф под действием сжимающих механических напряжений. Для оценки рельефа поверхности использовался оптический 3D микроскоп KH-7700 (Hirox, Япония).

Для измерения величины прогиба микромеханических балок использовался растровый электронный микроскоп «Quanta Inspect» (FEI, США). Для измерения растягивающих механических напряжений в мембранах, обладающих плоским рельефом поверхности, использовалась лабораторная установка, собранная в НОЦ «ЦМИД» Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ».

Технологический процесс изготовления микромеханических мембран и балок был реализован в чистых помещениях НОЦ «Нанотехнологии» СПбГЭТУ «ЛЭТИ» с использованием технологических операций: фотолитографии, магнетронного нанесения, ионно-плазменного осаждения, электронно-лучевого напыления, резки, разварки, тестирования кристаллов.

Толщины исследуемых плнок определялись эллипсометрическими методами, а также с использованием FIB-комплекса.

Апробация результатов.

Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:

Международная конференция «Микро- и нанотехнологии в электронике 2014», г. Нальчик, Россия, 1-6 июня 2014 г.;

11-ая международная конференция «Плнки и покрытия – 2013», г. СанктПетербург, 6-8 мая 2013 г.;

9th European conference on Silicon Carbide and Related Materials, SaintPetersburg, Russia, 2-6 September 2012.;

15 научная молоджная школа «Физика и технология микро- и наносистем.

Карбид кремния и родственные материалы», г. Санкт-Петербург, 8-9 октября 2012 г.;

Международная научно-технической конференция «Нанотехнологии-2012», г. Таганрог, 25-29 июня 2012 г.;

IV Международная научно-техническая конференция «Микро- и нанотехнологии в электронике», г. Нальчик, 22-26 сентября 2011г.;

VI- Международный научный семинар «Карбид кремния и родственные материалы» ISSCRM-2009, г. Великий Новгород, Великий Новгород, 2009 г.;

XVI всероссийская конференция «Структура и динамика молекулярных систем», Йошкар-Ола, 29 июня - 4 июля 2009 г.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 14 научных работ, из них 6 статей в научных журналах, рекомендованных ВАК.

Степень достоверности результатов подтверждается соответствием полученных экспериментальных и расчтных результатов, соответствием данных, полученных данной в работе, литературным данным, в тех случаях, когда такое сравнение возможно; корреляцией результатов, полученных при использовании различных методик определения механических напряжений (в случае сжимающих механических напряжений).

Все результаты прошли апробацию на научно-технических конференциях, школах и семинарах различного, в том числе международного, уровня.

В реферируемых научных журналах опубликованы 6 статей, содержащих результаты работы.

Личный вклад автора заключается в постановке задачи, в планировании проведнных экспериментов, в разработке и оптимизации методик для определения механических напряжений в тонких плнках, входящих в состав микромеханических структур. Автором лично проводились все измерения и расчты, а также анализ полученных результатов. Автор активно участвовал в подготовке экспериментальных образцов для измерений.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка сокращений и условных обозначений и библиографического списка, включающего наименование. Диссертация содержит 144 страницы

–  –  –

Механические напряжения возникают в процессе формирования плнок под воздействием различных факторов. Величина и знак механических напряжений зависит от материала плнки и подложки, способа получения плнки, а также от технологических параметров процесса формирования плнки. Для каждого материала и каждого метода формирования значение и знак механических напряжений в полученных плнках будет различным.

Схематическое изображение сжимающих и растягивающих механических напряжений в системе «тонкая плнка–подложка» представлено на рисунке 1.1.

–  –  –

где Eпл – модуль Юнга плнки; пл – коэффициент Пуассона плнки; пл и подл – температурные коэффициенты линейного расширения плнки и подложки; T – изменение температуры.

Обычно у кремниевых пластин с пленкой оксида кремния окисленная сторона бывает выпуклой. При этом в самой пленке оксида возникают напряжения сжатия, а в приповерхностном слое кремния – напряжения растяжения. Такой эффект объясняется тем, что температурный коэффициент линейного расширения оксида кремния примерно на порядок меньше, чем кремния, поэтому при остывании пленка оксида не сможет занять такую же площадь, как поверхность кремниевой пластины, и будет стараться растянуть ее.

Кремний, в свою очередь, будет пытаться сжать пленку до тех размеров, которые после остывания займет он сам. В результате пластина изогнтся [4]. Термические напряжения возрастают с увеличением температуры подложки при формировании плнки [5].

Фазовые напряжения возникают из-за фазовой неоднородности пленки.

Например, при некоторых физико-технологических условиях металл первоначально конденсируется в аморфном состоянии или кристаллизуется в виде различных метастабильных модификаций. На этой стадии формирования пленки нет фазовых напряжений. Затем, когда метастабильная фаза превращается в стабильную из-за различия в плотности двух фаз, возникают фазовые напряжения.

Последующие процессы кристаллизации, рекристаллизации пленки сопровождаются изменением удельного объема, что также приводит к возникновению фазовых напряжений [3]. Они могут быть как растягивающими, так и сжимающими, и всегда связаны с изменением объема плнки. Фазовые напряжения также возникают при мартенситных превращениях на границах двух фаз при образовании двухфазного состояния.

В плнках золота растягивающие напряжения могут быть связаны с наличием прослоек аморфной и мелкокристаллической фаз по границам зерен.

При отжиге таких плнок механические напряжения могут или увеличиваться, или уменьшаться, что можно объяснить возрастанием напряжений в неупорядоченных областях у межкристаллитных границ или их снижением из-за рекристаллизации [3].

Физико-химические механические напряжения возникают в результате образования в плнке различных химических соединений или внедрения чужеродных атомов [3]. При осаждении плнок в плохом вакууме или их последующем отжиге в воздухе после осаждения в них проникают остаточные газы и кислород, а также пары воды, что приводит к возникновению сжимающих напряжений. Плнки окислов, в основном, обладают сжимающими механическими напряжениями, поскольку окисление происходит с увеличением молярного объема [2]. Молекулы воды, не десорбированные в ходе термической обработки в вакууме, также приводят к возникновению сжимающих напряжений.

Таким образом, основными процессами, приводящими к возникновению физико-химических напряжений в плнках в процессе их формирования:

Загрузка...

окисление, протекающее под действием остаточных газов в камере или окружающей атмосфере, и сорбция чужеродных атомов из остаточной атмосферы, рабочего газа или арматуры с их внедрением в решетку во время формирования пленки [3]. Чем чище плнка, тем больше она проявляет тенденцию к образованию растягивающих механических напряжений [2].

Структурные напряжения возникают при наличии в плнке различных дефектов кристаллической структуры.

При осаждении пленки конденсат пересыщается различными дефектами кристаллической решетки, такими, как избыточные вакансии и дислокации, может содержать «замурованные» микропоры. Пленки, полученные методом испарения в вакууме или ионным распылением, часто формируются в условиях, которые соответствуют кристаллизации из сильно пересыщенного пара. В таких условиях при формировании пленки происходит захват избыточных вакансий конденсатом, поскольку из-за сравнительно малой подвижности вакансий внутри конденсата они не успевают продиффундироватъ к фронту конденсации и уйти из объема пленки. Средняя скорость перемещения вакансий на один-два порядка меньше скорости роста конденсата. При невысокой температуре конденсации возможно образование вакансионных скоплений, играющих роль стоков для избыточных вакансий [6]. В процессе формирования пленки, а также при последующей термообработке и хранении протекают процессы, приводящие к снижению количества несовершенств кристаллической решетки (уход вакансий к стокам, их коалесценция и др.) и сопровождающиеся уменьшением ее свободной энергии. Все это приводит к изменению удельного объема пленки и, как следствие, к возникновению структурных напряжений. Возникновение напряжений из-за ухода вакансий выгодно энергетически, так как упругая энергия этих напряжений на несколько порядков меньше энергии исходного количества неравновесных вакансий в объеме кристалла.

Дислокации по сравнению с вакансиями и примесными атомами слабо влияют на изменение удельного объема кристалла. Поэтому изменение механических напряжений в пленке от изменения плотности дислокаций меньше, чем от изменения концентрации избыточных вакансий.

При выходе вакансий на наружную поверхность плнки или на внутренние межкристаллитные границы, удельный объем конденсата уменьшается, и в пленке возникают растягивающие напряжения. То же происходит и при стоке вакансий к линиям краевых дислокаций.

При коалесценции вакансий в микропоры и каверны удельный объем конденсата возрастает, так как объем микропоры равен сумме объемов атомов, ушедших из не, а объем такого же числа разрозненных вакансий примерно вдвое меньше. Поэтому коалесценция вакансий в микропоры приводит к возникновению сжимающих напряжений.

Таким образом, в процессе формирования плнок в них возникают структурные напряжения, которые могут быть как растягивающими, так и сжимающими.

К локализованным структурным дефектам и связанным с ними механическим напряжениям могут привести загрязнения на поверхности подложки [3].

В реальных условиях все рассмотренные механизмы действуют совместно, и в зависимости от условий формирования плнок увеличивают одноимнные или компенсируют разноимнные напряжения. Например, при низких температурах подложки возрастает вклад структурных напряжений, а при высоких температурах – термических.

1.2 Особенности формирования механических напряжений в тонких плнках в зависимости от метода их формирования То, какие процессы будут происходить в плнке в процессе е формирования, а, следовательно, какие причины приводят к формированию тех или иных механических напряжений, зависит от используемого метода формирования плнки, и от выбранных технологических параметров процесса.

Одним из важнейших параметров является температура процесса. При высоких температурах не только увеличивается влияние различия температурных коэффициентов линейного расширения плнки и подложки, но также происходит отжиг формируемой плнки, который либо приводит к е рекристаллизации, либо способствует перераспределению примесей и дефектов. Кроме того, при формировании многослойных структур из-за высоких температур может наблюдаться взаимная диффузия слов. При формировании плнки карбида кремния на кремниевой подложке без разделительного слоя при температурах выше 700 °С была обнаружена диффузия кремния в растущую плнку [7].

При формировании эпитаксиального слоя на подложке механические напряжения будут определяться в большей степени рассогласованием параметров кристаллической рештки подложки и растущего слоя, а также разницей коэффициентов линейного расширения. Механические напряжения определяются суммой напряжений, вызванных этими двумя причинами.

Если рассогласование параметров кристаллической рештки плнки и подложки не превышает 5 %, то реализуется когерентная граница и напряжение на границе подложки и эпитаксиального слоя будут упругими. Если рассогласование решток больше 5 %, то образуется некогерентная граница. В этом случае упруго-напряженное состояние гетерограницы сменяется состоянием пластической деформации, и на гетерогранице образуется сетка дислокаций.

Управлять механическими напряжениями в эпитаксиальных гетероструктурах можно, создавая многослойные структуры с различными толщинами чередующихся слоев [8].

Кроме того, механические напряжения возникают при значительном различии в содержании легирующей примеси в подложке и в растущем слое [9].

При осаждении плнок из парогазовой фазы на их механические напряжения влияют температура и скорость осаждения, состав и скорость газового потока, а также газовые добавки.

Слои нитрида кремния, полученные из газовой фазы в результате реакции силана с аммиаком, обладают растягивающими механическими напряжениями.

Поскольку плнки нитрида кремния формируются с использованием водородосодержащих реагентов, то могут формироваться группы Si–H и N–H, что приводит к замене атома азота на NH–группу. При этом изменится расстояние SiN. Соединения Si-H и N-H термически нестабильны, в процессе остывания плнки водород может выделяться из плнки, что приводит к разрыву связей. Поскольку состояние с незаполненными связями не является энергетически выгодным, плнка получается растянутой за счт заполнения связей, возникают растягивающие механические напряжений [10].

Плнки нитрида кремния, осажденные при низких значениях концентрации аммиака относительно концентрации силана (или четыреххлористого кремния) в газовой фазе, содержат больше атомов кремния, что приводит к нарушению стехиометрии. Тогда формируются плнки оксинитрида SixOyNz, обладающие меньшими механическими напряжениями, чем слои нитрида кремния [11].

При магнетронном осаждении многих металлов (Al, Cr, Gd, Fe, Mo, Ni, Rh, Si, Ta, V, W и Zr) на низкотемпературную подложку существует переходное значение давления, ниже которого, выращенные пленки обладают сжимающими напряжениями, а выше – растягивающими, как показано на рисунке 1.2. Этот переход для многих материалов довольно резкий, и изменение свойств материалов сопровождается вариациями микроструктуры. Наблюдается тенденция, общая для этих металлов, что при низких давлениях преобладают сжимающие механические напряжения, отражающие величину упругой энергии пленки, накопившейся в процессе нанесения покрытия благодаря бомбардировке энергичными частицами. При высоких давлениях напряжения становятся растягивающими из-за уменьшения интенсивности бомбардировки частицами и неодинаковой усадки плнки и подложки при остывании. Эти факторы показывают, что энергия бомбардирующих частиц является определяющим параметром процесса возникновения напряжений [2].

Рисунок 1.2 – Графическая иллюстрация переходов сжимающих напряжений в растягивающие в зависимости от давления в камере для магнетронного распыления тугоплавких металлов на постоянном токе (магнетрон цилиндрического типа, нормальный угол падения, рабочий газ аргон, толщина покрытия 200 нм, скорость осаждения 60 нм/мин.

) [12] Ионно-плазменные методами осаждения обладают рядом преимуществ по сравнению с термическими методами, поскольку появляется возможность управления механическими напряжениями в пленке с помощью электрического смещения на подложке и давления в камере при осаждении многих тугоплавких металлов. Например, для титановольфрамового сплава, осажденного диодным ВЧ-распылением, при смещении В (измеренном как постоянная (–15) составляющая ВЧ-смещения) происходит переход от сжимающих напряжений к растягивающим. При более отрицательных значениях смещения возникают высокие сжимающие механические напряжения, а при более положительных – растягивающие [12].

Следует отметить, что значение смещения на подложке, при котором напряжения минимальны, строго индивидуально для каждого металла и используемой системы осаждения.

В диэлектрических плнках, полученных ВЧ-распылением с электрическим смещением, в отличие от плнок металлов, механические напряжения почти всегда являются сжимающими.

Значение сжимающих механических напряжений в плнках, полученных реактивным распылением, зависит от отношения скорости осаждения к давлению.

По мере возрастания этого отношения механические напряжения могут изменяться от сжимающих к растягивающим [3].

Оксидные плнки, полученные методом термического окисления, обладают высокими сжимающими механическими напряжениями. Для получения низконапряженных плнок часто используют ионно-плазменные методы, которые позволяют получать плнки при более низких температурах, и тем самым уменьшать термическую составляющую механических напряжений [13].

Значение и знак механических напряжений определяются причинами их возникновения. Их можно соотнести с методами формирования плнок, для которых характерны те или иные особенности. Классификация причин механических напряжений в зависимости от метода их формирования представлена в таблице 1.

Таблица 1.1 – Причины возникновения механических напряжений в зависимости от метода их формирования и модификации [2, 3, 13]

–  –  –

1.3.1 Механические напряжения в микромеханических структурах Поскольку технология производства устройств тонкоплночной электроники используется при создании микроэлектромеханических систем, то ясно, что механические напряжения в тонких плнках имеют большое значение при формировании МЭМС. При этом влияние механических напряжений на характеристики МЭМС является радикальным и превалирует над влиянием изгибных деформаций в тех случаях, когда используются механические элементы, толщина которых не превышает 1 мкм [1].

Механические напряжения в тонких плнках в основном рассматриваются как фактор, ограничивающий применения тонких плнок различных материалов для создания микромеханических устройств. Механические напряжения в первую очередь приводят к растрескиванию и отслоению плнок от подложек. Характер таких отслоений зависит от знака механических напряжений.

Механические приводят к уширению ширины запрещнной зоны в полупроводниках, изменяют свойства магнитных материалов [3].

Увеличение механических напряжений в микро- и наноразмерных плнках приводит к ухудшению механических характеристик и наджности устройств, выполненных на их основе, и вызывает формообразование таких структур при освобождении от подложки (рисунок 1.3).

–  –  –

Неравномерное распределение механических напряжений по толщине плнки часто является причиной больших прогибов микромеханических тонкоплночных структур, освобожднных от подложки [14].

Для МЭМ–структур актуальной проблемой является сохранение нужных механических характеристик в тонких отделенных слоях материалов, поверхности которых формируются в различных технологических условиях, а содержание примесей зачастую неоднородно по толщине [15].

Технологические режимы формирования тонких плнок обычно стараются подбирать таким образом, минимизировать механические напряжения. Но часто этого трудно достигнуть из-за многообразия факторов, которые влияют на их формирование, а также не всегда оправдано. Создание композиционных структур вместо многослойных, включающих плнки с механическими напряжениями противоположных знаков, позволит создать менее напряжнную композицию, чем изменения условий получения одного из слов.

Компенсации механических напряжений при нанесении на подложку тонкой плнки можно добиться за счт создания предварительной деформации.

Это используется, например, при создании тензодатчиков для устранения нелинейности и несимметричности деформационной характеристики, вызванной наличием внутренних механических напряжений [16]. В этом случае предварительная деформация подложки должна быть равной по величине, но обратной по знаку той деформации, которую испытывает плнка за счт механических напряжений.

Механические напряжения иногда могут быть использованы при формировании микроструктур. Управление формообразованием тонких плнок под действием сжимающих напряжений успешно используется в принцтехнологии [17], где подбор параметров рештки эпитаксиально выращиваемых плнок позволяет создавать трехмерные микро- и наноструктуры на основе плнок, самоформирующихся под действием механических напряжений (рисунок 1.4).

–  –  –

По данной технологии изготовлены нанотрубки SiGe/Si и InAs/GaAs для изучения свойств 2D электронного газа на цилиндрических поверхностях и трубки микронного диаметра для микротермоанемометров [18].

Микроанемометры на основе таких трубок обладают быстродействием на два порядка большим, чем традиционные датчики потока, а также большей чувствительностью. Кроме того, нанотрубки, сформированные за счт управляемого скручивания под действием механических напряжений применяются в качестве микро- и наношприцев в клеточной биологии и медицине. С использованием технологии жертвенных слов за счт скручивания напряжнной гетероструктуры под действием механических напряжений формируют микроиглы для инъекций [19].

При изготовлении сверхпроводниковых приборов в кристалле подложки формируют поля упругих механических напряжений при облучении кристалла сфокусированным импульсным лазерным излучением наносекундной длительности. На облученной подложке выращивают сверхпроводящую тонкую пленку, в которой формируются дополнительные упругие напряжения только в области, расположенной над облученным участком подложки. При этом плотность критического тока пленки подавляется до требуемых значений, необходимых для изготовления джозефсоновских переходов [20].

Управление механическими напряжениями оказалось важным при формировании высокочастотных МЭМ-переключателей. Низкое напряжение срабатывания и высокая изоляция в выключенном состоянии достигаются за счет использования продольного изгиба и эффекта искривления балки кантилевера, вызванного механическими напряжениями (рисунок 1.5). Изгиб создатся за счт сжимающих механических напряжений, а также с использованием градиента механических напряжений в заданном направлении [21].

Оценка механических напряжений и управление ими важны при формировании тонкоплночных мембранных однослойных и композиционных структур.

Микромеханические тонкоплночные мембраны представляют собой плнку, закреплнную на подложке. Формируются такие мембраны по технологии объемной микромеханики методами жидкостного или сухого травления кремниевой подложки до поверхности плнки.

–  –  –

Рисунок 1.5 – Схема высокочастотного МЭМ переключателя, сформированного за счт управления механическими напряжениями [21] Микромеханические мембраны, обладающие растягивающими механическими напряжениями, формируются плоскими (рисунок 1.

6, а). При сжимающих механических напряжениях мембрана деформируется с образованием самопроизвольных гофров, количество и глубина которых зависят от величины механических напряжений такой мембраны (рисунок 1.6, б).

–  –  –

Форма прогиба такой мембраны зависит от значения и знака механических напряжений, а также от распределения напряжений в латеральном и нормальном направлении. Чаще всего прогиб такой мембраны носит апериодический характер, но могут формироваться и периодические упорядоченные структуры.

–  –  –

При k1 тонкая плнка, закреплнная на подложке, представляет собой мембрану, жесткость и прогиб которой определяется механическими напряжениями.

При –1k1 структура представляет собой тонкую пластину, прогиб которой будет определяться в основном изгибными деформациями.

Если k–1, то возникает неустойчивость, и прогиб мембраны возникает в отсутствии внешней нагрузки.

Как видно из уравнения (1.1), чем меньше толщина плнки, тем больше коэффициент k; это показывает, что именно в микромеханических устройствах, где толщина плнок мала, механические напряжения в них будут наиболее сильно влиять на характеристики устройства.

Анализ работ российских и зарубежных авторов показывает, что механические напряжения не только ограничивают диапазон применения тонких плнок различных материалов, но и могут быть использованы при создании различных микроструктур. Для этого необходимо управлять механическими напряжениями в процессе формирования плнок, а также учитывать конструкции устройств на их основе.

1.3.2 Управление механическими напряжениями на различных стадиях формирования микромеханического устройства Подходы к управлению механическими напряжениями в микромеханических структурах могут быть различными. Наиболее часто они ориентированы на создание низконапряженных структур. Для формирования таких структур используют технологии объемной и поверхностной микромеханики с использованием жертвенных и стоп-слов.

Все возможные способы управления механическими напряжениями в плнках, входящих в состав чувствительных элементов микросистем, связанны с этапами формирования и эксплуатацией устройства. Способы управления механическими напряжениями представлены в Таблице 1.2

–  –  –

На стадии разработки подбираются материалы с близкими температурными коэффициентами линейного расширения и параметрами рештки, а также разрабатываются конструкция и технология формирования устройства. Например, в микромеханических мембранах изменение конструкции устройства включает создание дополнительных конструкционных элементов (таких как гофры или перфорация), за счт которых происходит релаксация механических напряжений.

Но с точки зрения управления механическими напряжениями более перспективны стадии формирования и модификации готовой плнки, на которых можно изменять механические напряжения устройства без изменения его конструкции.

За счт внешнего воздействия в процессе эксплуатации можно добиться изменения механических напряжений в уже сформированном устройстве. Именно поэтому в последующих главах данной работы внимание будет уделено именно этим стадиям.

На стадии формирования плнки осуществляется изменение технологических параметров и условий роста плнки. Управление механическими напряжениями на этой стадии тесно связано с причинами возникновения механических напряжений, описанными в п. 1.1. Осуществляется подбор оптимальных методов и режимов формирования низконапряженных плнок или плнок с механическими напряжениями, компенсирующими друг друга.

Основными параметрами процесса, влияние которых на механические напряжения в тонких плнках рассмотрено в данной работе, являются: давление рабочего газа, температура подложки, остаточная атмосфера, распределение электрического потенциала по поверхности подложки.

Изменение механических напряжений в уже сформированной микромеханической структуре осуществляется за счт модификации уже готовой плнки различными способами.

Отжиг является основным способом снятия механических напряжений для тонких плнок металлов. Поскольку механические напряжения связаны с дефектами структуры и их скоплениями, отжиг уменьшает их за счт удаления избыточных вакансий, перераспределения примесных атомов и других дефектов.

Параметры обработки подбираются в зависимости от физико-химических свойств материала и требуемого результата. При отжиге тонких плнок и их композиций механические напряжения определяются не только механизмами возврата и рекристаллизации, но и различием температурных коэффициентов линейного расширения плнки и подложки, а также взаимной диффузией плнок [22].

Например, при отжиге контактных систем «титан–алюминий» взаимодействие слов начинается при температуре отжига 400 °С. Образовавшиеся интерметаллидные фазы делают металлизацию более стойкой к последующим более высокотемпературным отжигам, окислению и химическому травлению [23, 24].

Важное значение имеют эффекты, возникающие на границе раздела «плнкаподложка». Длительность отжига тонких плнок должна быть значительно меньше, чем для объемного материала.

Далеко не всегда отжиг приводит к уменьшению механических напряжений. Изменение механических напряжений в процессе отжига, зависит от исходных значений механических напряжений, действующих в плнке, механизмов формирования этих напряжений и параметров отжига. Отжиг пленок таких материалов, как, например, нитрид кремния, полученный пиролитически, может увеличивать механические напряжения, что может быть связано с уменьшением количества связанного водорода [3].

Ионная бомбардировка уже сформированной тонкой плнки приводит к изменению механических напряжений за счт изменения структуры и удаления дефектов приповерхностного слоя. Более длительная обработка – утонение – изменяет механические напряжения за счт изменения толщины плнки и удаления нарушенного слоя на поверхности плнки.

Обработка ионным пучком свободных от подложки микромеханических структур, деформированных из-за высоких механических напряжений, используется для устранения их деформации. Ионный поток модифицирует поверхность двояко: во-первых, разрушается кристаллическая структура самого верхнего слоя плнки, во-вторых, происходит медленное травление плнки.

Удаление напряжений, встроенных в вытравленные слои меняет распределение механических напряжений по толщине плнки, а, следовательно, и форму оставшейся плнки [14].

Активное воздействие на уже сформированные микромеханические тонкоплночные структуры можно осуществлять за счт различного рода воздействий: электрических, тепловых или механических. Воздействие приводит к изменению механических напряжений в плнках, входящих в их состав, и как следствие – к изменению прогиба такой структуры.

Одним из наиболее перспективных методов активации микроэлектромеханических устройств является активация пьезоэлектрического слоя, который включается в состав мембранной структуры. При приложении электрического напряжения к пьезоэлектрическому слою изменяются механические напряжения в нем [25]. С использованием такого способа активации на основе мембран, включающие пьезоэлектрические слои (в частности, слои нитрида алюминия) могут быть сформированы актюаторные структуры.

Тепловой способ активации позволяет получить большие перемещения и выполнить наибольшую работу за цикл, но обладает высокой инерционностью и низким коэффициентом полезного действия. Кроме того, он обладает существенным недостатком, связанным с тем, что генерируемое тепло должно быть рассеяно [26].

В датчиках, гироскопах и конденсаторных микрофонах используется электростатический способ активации элементов микросистемной техники, отличающийся простотой формирования микроструктур, низким энергопотреблением и высокой точностью измерений [27].

За счт управления механическими напряжениями в процессе эксплуатации устройства можно активировать микромеханические структуры, заставить их изгибаться и деформироваться. Дальнейшая разработка способов управления микромеханическими структурами в процессе их эксплуатации расширит диапазон использования тонких плнок различных материалов и структур на их основе в качестве приводов механического движения.

33

1.4 Методы измерения механических напряжений в тонких плнках Развитие методов измерения механических напряжений обусловлено необходимостью контролировать величину механических напряжений в плнках различных материалов, являющихся основой микроконструкций.

Измерение механических напряжений может осуществляться как в процессе получения плнки, так и по его окончании. Выбор метода измерения определяется типом пленки, материалом подложки, а также конструкцией формируемого устройства.

Существующие методы измерения механических напряжений можно классифицировать в зависимости от используемого физического явления:

дифракционные методы (рентгеновская дифракция или дифракция электронов), механические методы (измерение деформации подложки), электрические методы (измерение проводимости, емкости и других параметров системы, содержащей структуру «тонкая пленка–подложка») [26].

Широко распространены механические методы, основанные на измерении изгибов балок, стержней и пластин. Регистрация деформации обычно осуществляется оптическими интерференционными методами. Метод изгиба пластины эффективен при использовании тонкой подложки, а также когда напряжения плнки велики и способны вызвать деформацию подложки.

Существенное ограничение метода изгибания стержня состоит в том, что длина подложки должна быть в 3…5 раз больше е ширины. Точность измерений с применением различных стержневых методов зависит от систем регистрации деформации стержня. Самыми чувствительными являются методы, основанные на измерении индуктивности и емкости, с помощью которых можно измерять деформацию даже на начальных стадиях роста плнки, когда она полностью состоит из островков [28]. Недостатком механических методов является невозможность разделения механических напряжений в кристаллической и аморфной фазах. Кроме того, эти методы не позволяют учитывать анизотропию механических напряжений в текстурированных плнках и неравномерность распределения механических напряжений по поверхности плнки.

В процессе формирования плнки механические напряжения можно определить по прогибу свободного конца тонкой пластинки (или балки) если другой конец жестко закреплен [2]. Для регистрации прогиба используют оптические системы. Этот метод может быть использован в процессах осаждения, распыления, ионно-плазменного или ионно-лучевого травления, а также термического отжига.

Широко применяют метод рентгеновской дифракции [2, 3, 29], основанный на определении различия данных о положении, ширине и интенсивности дифракционных пиков от деформированных и недеформированных решток. При использовании этого метода надо иметь в виду, что большинство поликристаллических пленок имеют выраженную текстуру и большие сжимающие напряжения в плоскости подложки. Результатом этого становится большая ширина дифракционных пиков, которые вследствие этого могут перекрываться, а также слабая выраженность или отсутствие некоторых рефлексов.

Следует отметить, что значения механических напряжений, измеренных методом рентгеновской дифракции и механическими методами, отличаются.

Связано это с измерением механических напряжений в многофазных системах.

Механические методы не позволяют различать напряжения в аморфной и кристаллической фазе, а усредняют значение уже по всем фазам, а методы рентгеновской дифракции дают информацию только о напряжениях в кристаллической фазе [3].

Кроме того, включение в плнку примесей в процессе е формирования, может происходить не только за счт внедрения в растущий слой, но и из адсорбированного слоя. В этом случае примесь не создат механических напряжений, а рефлексы будут зафиксированы при помощи метода рентгеновской дифракции.

При создании микромеханических устройств на основе различных балок, мостиков или мембран плнка часто находится в освобожднном от подложки состоянии, что делает невозможным определение е механических напряжений методами, связанными с изгибом подложки. А рентгеновские методы, помимо высокой стоимости оборудования и необходимости создания специальных условий работы, обладают локальностью, тогда как чаще всего необходимо определять среднее значения механических напряжений в плнке, которые и влияют на рабочие характеристики устройства. Поэтому для определения механических напряжений в плночных элементах устройств микромеханики, чаще всего метод измерения выбирают для конкретного устройства, исходя из его конструкции и назначения. Такие измерения могут осуществляться как в процессе создания, так и в процессе тестирования устройства. Ввиду многообразия и сложности конструкций микромеханических элементов и систем возникает необходимость создания методик определения механических напряжений, учитывающих особенности конструкции и формообразования микромеханических элементов.

В некоторых случаях использование комбинации методов позволяет получать более точную информацию о механических напряжениях в исследуемой плнке. Задачи решают, в основном, частным образом, подбирая подходящий метод определения механических напряжений в соответствии с конструкцией и назначением устройства.

В поверхностной микромеханике применяется метод измерения самопроизвольной деформации плнки, закреплнной с двух концов.



Pages:   || 2 | 3 | 4 |
 
Похожие работы:

«Саламонова Ирина Сергеевна АВТОМАТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СПИРОГРАММ ПРИ ИСКУССТВЕННОЙ ВЕНТИЛЯЦИИ ЛЁГКИХ 05.11.17 – Приборы, системы и изделия медицинского назначения Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель доктор технических наук, профессор, Немирко Анатолий Павлович Санкт-Петербург – 2014 СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ ГЛАВА 1. СПИРОГРАММА....»

«БАЯНОВ Владимир Андреевич КИНЕТИКА ОБРАЗОВАНИЯ ГЕРМАНОМОЛИБДЕНОВОГО ГЕТЕРОПОЛИАНИОНА В ВОДНЫХ РАСТВОРАХ Специальность 02.00.04 – физическая химия Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук Научный руководитель: кандидат химических наук, доцент О.В. Рахимова Санкт-Петербург 2015 ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ ГЛАВА 1. ГЕТЕРОПОЛИСОЕДИНЕНИЯ: ТИПЫ СТРУКТУР И ОБЛАСТИ...»

«Боровицкий Дмитрий Сергеевич Выбор сигнальных форматов для перспективных СРНС и их гидроакустических функциональных дополнений Специальность 05.12.14 «Радиолокация и радионавигация» Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель – доктор технических наук, профессор Ипатов Валерий Павлович Санкт-Петербург – 2015 СОДЕРЖАНИЕ СПИСОК...»

«Орехов Дмитрий Львович РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ГЕТЕРОСТРУКТУРНЫХ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ НА КРИСТАЛЛИЧЕСКОМ КРЕМНИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРОМЫШЛЕННЫХ РЕАКТОРОВ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОГО ОСАЖДЕНИЯ Специальность: 05.27.06 Технология и оборудование для производства полупроводников, материалов и приборов...»

«Нгуен Нам Минь ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ СРЕДСТВ САПР БИОМЕХАНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ Специальность: 05.13.12 – Системы автоматизации проектирования (промышленность) Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель – доктор технических наук, профессор Г.Д. Дмитревич Санкт-Петербург – 2015 ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ 1....»









 
2016 www.konf.x-pdf.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Авторефераты, диссертации, конференции»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.