Оценка влияния параметров процесса газофазного осаждения нитрида кремния (Si3N4) на механические напряжения пленок. Определение размерного фактора, позволяющего управлять чувствительностью гофрированной мембраны для миниатюрного акустического датчика.
Аннотация к работе
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. определение размерного фактора, позволяющего управлять механическими напряжениями в биморфной мембране с целью их минимизации; мембрана акустический датчик кремний 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. 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; ? - коэффициент Пуассона; h - толщина мембраны; ?0 - остаточные механические напряжения пластины; q - распределенная нагрузка (давление).
Список литературы
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.