eng
Выпуск #9/2018
Гусев Евгений Эдуардович, Дедкова Анна Александровна, Дюжев Николай Алексеевич
Исследование механической прочности многослойных мембран для МЭМС преобразователей физических величин
Исследование механической прочности многослойных мембран для МЭМС преобразователей физических величин
Просмотры: 3753
Представлена конструкция для определения механической прочности, механических напряжений и модуля упругости. Работа устройства проверена на круглых мембранах из оксида и нитрида кремния различного диаметра. Величина двухосного модуля получена аналитическим методом и рассчитана на основе экспериментальных данных. Наблюдается хорошая корреляция между полученными результатами. Показана упругая деформация при избыточном давлении не более 0,6 атм. Определено критическое давление для каждого диаметра. Показано, что круглые мембраны различного диаметра выдерживают одинаковое значение внешней силы.
УДК 53.043
DOI: 10.22184/1993-8578.2018.82.538.541
УДК 53.043
DOI: 10.22184/1993-8578.2018.82.538.541
Теги: biaxial young’s modulus mechanical properties mechanical strength mechanical stresses двухосный модуль упругости механическая прочность механические напряжения механические свойства
ВВЕДЕНИЕ
Ключевую роль в МЭМС устройстве играет мембрана, которая состоит из одного или нескольких слоев. Каждый слой обладает своими механическими свойствами. Производительность прибора сильно зависит от механических свойств используемых материалов. Точные значения механических свойств (свойства упругости, внутренние напряжения, прочность, усталость) необходимы для получения оптимальных характеристик. Упругие свойства необходимы для прогнозирования величины отклонения от приложенной силы, а прочность материала задает эксплуатационные пределы устройства [1]. Например, в процессе работы рентгеновского источника создается вакуум и поэтому мембрана-анод должна выдерживать перепад давлений [2]. Кроме того, с учетом требований надежности и срока службы механические характеристики МЭМС материалов становятся все более важными. На рис. 1 показан изгиб пленок под действием механических напряжений.
Небольшие размеры МЭМС-устройств часто приводят к их использованию в суровых условиях, и хорошее знание механических свойств может привести к устранению некоторых механических неисправностей посредством надлежащего выбора материала, проектирования, изготовления и корпусирования [1].
КОНСТРУКЦИЯ СТЕНДА
Определение механических свойств материалов проводилось на разработанном стенде, схема которого показана на рис. 2.
Давление с компрессора подается на редуктор, который имеет ограничение по максимальному давлению — 5 атм. Для уменьшения перепадов давления между редуктором и кристаллом установлен ресивер. В цепи используется несколько манометров. Между ресивером и подставкой с кристаллом установлен первый манометр, который используется для определения значений избыточного давления, подаваемого на МЭМС мембрану, с шагом измерения 0,05 атм и пределом измерений до 2,5 атм. На втором манометре показывается давление с компрессора. В процессе разработки конструкции стенда было выяснено, что для получения точных данных фокусное расстояние между исследуемой поверхностью и объективом не должно превышать 5 мм. Подставка с кристаллом состоит из металлической крышки, кристалла, приклеенного на текстолит (рис. 2), и резиновой шайбы. В металлической крышке и текстолите сделано отверстие для работы с оптическим профилометром.
ЭКСПЕРИМЕНТ
Использовалась пластина кремния диаметром 150 мм толщиной 460 мкм. Была сформирована мембрана на Si кристалле квадратной формы со стороной 6 мм. Исследуемая структура состоит из набора четырех чередующихся диэлектрических слоев из оксида и нитрида кремния суммарной толщиной 1,26 мкм. Топология набора мембран представляет собой круг диаметром 1,0 мм, 1,4 мм и 1,8 мм, расположенный по центру кристалла. Рис. 3 показывает упругую деформацию мембраны диаметром 1,4 мм.
Рис. 4 показывает результаты измерений мембраны диаметром 1,0 мм.
Заметно, что для мембраны диаметром 1,0 мм критическое избыточное давление составляет 1,6 атм.
Метод зависимости прогиба w (отклонения, деформации) от нагрузки позволяет определить механические свойства мембраны (модуль Юнга Е и коэффициент Пуассона μ), состоящей из одной или нескольких пленок по формуле 1 [1, 3]:
,(1)
где P — приложенное давление, w — прогиб (отклонение) центра мембраны; σо, a, t, E и μ — остаточное напряжение, радиус, толщина, модуль Юнга и коэффициент Пуассона круглой мембраны.
Основан метод на принципе, что поверхность мембраны плоская без нагрузки. В мембране присутствуют остаточные напряжения σo, которые были определены по разработанной ранее авторами методике [4] посредством профилометра и составили 200 (МПа). Прикладывая внешнее воздействие (в нашем случае избыточное давление воздуха посредством компрессора) перпендикулярно плоскости поверхности исследуемого образца, можно измерить зависимость от нагрузки.
Из формулы (1) определяем значение двухосного модуля мембраны SiO2/Si3N4/SiO2/Si3N4 E/(1 – μ): ∅ 1,0 (мм) 132 (ГПа); ∅ 1,4 (мм) 156 (ГПа); ∅ 1,8 (мм) 143 (ГПа). Значение коррелирует с экспериментальным результатом для мембраны, состоящей из одной пары SiO2/Si3N4 (190 ГПа) [5]. Также определено критическое избыточное давление: ∅ 1,0 (мм) 1,6 (атм); ∅ 1,4 (мм) 0.8 (атм); ∅ 1,8 (мм) 0,5 (атм). Результаты подтверждают, что размерный эффект и технологические параметры процесса влияют на упругие характеристики материала [1].
Известно [6], что модуль Юнга для оксида кремния E(SiO2) составляет 70 ГПа и для нитрида кремния E(Si3N4) 270 ГПа, коэффициент Пуассона для оксида кремния μ(SiO2) 0,2, для нитрида кремния 0,27.
Далее по формуле (2) рассчитываем модуль Юнга мембраны Em из модели, представленной в работе [7]:
,(2)
где HSiO2 — толщина SiO2, HSi3N4 — толщина Si3N4.
Аналогично, для коэффициента Пуассона. В нашем случае, суммарная толщина SiO2 1,0 мкм, суммарная толщина Si3N4 0,26 мкм, модуль Юнга мембраны Em 111 (GPa), коэффициент Пуассона мембраны 0,21. Следовательно, аналитическое значение двухосного модуля составляет 142 (ГПа). Экспериментальное и аналитическое значения хорошо коррелируют.
Как известно, величина силы равна произведению давления на площадь (формула 3):
,(3)
где d — диаметр мембраны, P — предельное избыточное давление
В результате эксперимента установлено, что круглые мембраны различного диаметра выдерживают одинаковое значение внешней силы. Величина силы составляет 125 мН.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Представленная конструкция стенда позволяет контролировать изменение отклонения мембраны от избыточного давления с шагом 0,05 атм. Двухосный модуль упругости E/(1 − μ) мембраны SiO2/Si3N4/SiO2/Si3N4 составляет 144±12 ГПа. Установлено, что с уменьшением площади мембраны с 2,54 мм2 до 0,785 мм2 возрастает предельное избыточное давление от 0,5 до 1,6 атм исследуемой структуры. Показана обратимая деформация отклонения мембраны от избыточного давления. Предельная сила внешнего воздействия на мембрану не зависит от площади поверхности и составляет 125 мН.
Работа выполнена на оборудовании ЦКП «МСТ и ЭКБ» МИЭТ при поддержке Минобрнауки РФ (соглашение № 14.594.21.0012,
RFMEFI59417X0012).
ЛИТЕРАТУРА
1. Kenichi Takahata, Micro Electronic and Mechanical Systems, ISBN 978-953-307-027-8, 386 pages, Publisher by InTech, 2009, Chapter 11 Mechanical Properties of MEMS Materials.
2. Djuzhev N. A., Makhiboroda M. A., Preobrazhensky R. Y. et al. Журнал исследования поверхности, 2017, 11: 443. DOI:10.1134/S1027451017020239.
3. Benoit Merle, Mechanical Properties of Thin Films Studied by Bulge Testing, Thesis, Ph.D., 2013.
4. Djuzhev N. A., Dedkova A. A., Gusev E. E., Makhiboroda M. A., Glagolev P. Y. Non-Contact Technique for Determining the Mechanical Stress in Thin Films on Wafers by Profiler. Source of the Document IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2017, DOI: 10.1088/1757-899X/189/1/012019.
5. Martins P. On the Determination of Poisson’s Ratio of Stressed Mono¬layer and Bilayer Submicron Thick Films, Microsystem Technologies September 2009, Volume 15, Issue 9, pp. 1343–1348, DOI: 10.1007/s00542-009-0822-5.
6. Laconte J., Flandre D., Raskin J.-P. Micromachined Thin-Film Sensors for SOI-CMOS Co-Integration, Springer, 294 p., 2006.
7. Асташенкова О. Н. Физико-технологические основы управления механическими напряжениями в тонкопленочных композициях микромеханики, кан. диссертация, 2015.
Ключевую роль в МЭМС устройстве играет мембрана, которая состоит из одного или нескольких слоев. Каждый слой обладает своими механическими свойствами. Производительность прибора сильно зависит от механических свойств используемых материалов. Точные значения механических свойств (свойства упругости, внутренние напряжения, прочность, усталость) необходимы для получения оптимальных характеристик. Упругие свойства необходимы для прогнозирования величины отклонения от приложенной силы, а прочность материала задает эксплуатационные пределы устройства [1]. Например, в процессе работы рентгеновского источника создается вакуум и поэтому мембрана-анод должна выдерживать перепад давлений [2]. Кроме того, с учетом требований надежности и срока службы механические характеристики МЭМС материалов становятся все более важными. На рис. 1 показан изгиб пленок под действием механических напряжений.
Небольшие размеры МЭМС-устройств часто приводят к их использованию в суровых условиях, и хорошее знание механических свойств может привести к устранению некоторых механических неисправностей посредством надлежащего выбора материала, проектирования, изготовления и корпусирования [1].
КОНСТРУКЦИЯ СТЕНДА
Определение механических свойств материалов проводилось на разработанном стенде, схема которого показана на рис. 2.
Давление с компрессора подается на редуктор, который имеет ограничение по максимальному давлению — 5 атм. Для уменьшения перепадов давления между редуктором и кристаллом установлен ресивер. В цепи используется несколько манометров. Между ресивером и подставкой с кристаллом установлен первый манометр, который используется для определения значений избыточного давления, подаваемого на МЭМС мембрану, с шагом измерения 0,05 атм и пределом измерений до 2,5 атм. На втором манометре показывается давление с компрессора. В процессе разработки конструкции стенда было выяснено, что для получения точных данных фокусное расстояние между исследуемой поверхностью и объективом не должно превышать 5 мм. Подставка с кристаллом состоит из металлической крышки, кристалла, приклеенного на текстолит (рис. 2), и резиновой шайбы. В металлической крышке и текстолите сделано отверстие для работы с оптическим профилометром.
ЭКСПЕРИМЕНТ
Использовалась пластина кремния диаметром 150 мм толщиной 460 мкм. Была сформирована мембрана на Si кристалле квадратной формы со стороной 6 мм. Исследуемая структура состоит из набора четырех чередующихся диэлектрических слоев из оксида и нитрида кремния суммарной толщиной 1,26 мкм. Топология набора мембран представляет собой круг диаметром 1,0 мм, 1,4 мм и 1,8 мм, расположенный по центру кристалла. Рис. 3 показывает упругую деформацию мембраны диаметром 1,4 мм.
Рис. 4 показывает результаты измерений мембраны диаметром 1,0 мм.
Заметно, что для мембраны диаметром 1,0 мм критическое избыточное давление составляет 1,6 атм.
Метод зависимости прогиба w (отклонения, деформации) от нагрузки позволяет определить механические свойства мембраны (модуль Юнга Е и коэффициент Пуассона μ), состоящей из одной или нескольких пленок по формуле 1 [1, 3]:
,(1)
где P — приложенное давление, w — прогиб (отклонение) центра мембраны; σо, a, t, E и μ — остаточное напряжение, радиус, толщина, модуль Юнга и коэффициент Пуассона круглой мембраны.
Основан метод на принципе, что поверхность мембраны плоская без нагрузки. В мембране присутствуют остаточные напряжения σo, которые были определены по разработанной ранее авторами методике [4] посредством профилометра и составили 200 (МПа). Прикладывая внешнее воздействие (в нашем случае избыточное давление воздуха посредством компрессора) перпендикулярно плоскости поверхности исследуемого образца, можно измерить зависимость от нагрузки.
Из формулы (1) определяем значение двухосного модуля мембраны SiO2/Si3N4/SiO2/Si3N4 E/(1 – μ): ∅ 1,0 (мм) 132 (ГПа); ∅ 1,4 (мм) 156 (ГПа); ∅ 1,8 (мм) 143 (ГПа). Значение коррелирует с экспериментальным результатом для мембраны, состоящей из одной пары SiO2/Si3N4 (190 ГПа) [5]. Также определено критическое избыточное давление: ∅ 1,0 (мм) 1,6 (атм); ∅ 1,4 (мм) 0.8 (атм); ∅ 1,8 (мм) 0,5 (атм). Результаты подтверждают, что размерный эффект и технологические параметры процесса влияют на упругие характеристики материала [1].
Известно [6], что модуль Юнга для оксида кремния E(SiO2) составляет 70 ГПа и для нитрида кремния E(Si3N4) 270 ГПа, коэффициент Пуассона для оксида кремния μ(SiO2) 0,2, для нитрида кремния 0,27.
Далее по формуле (2) рассчитываем модуль Юнга мембраны Em из модели, представленной в работе [7]:
,(2)
где HSiO2 — толщина SiO2, HSi3N4 — толщина Si3N4.
Аналогично, для коэффициента Пуассона. В нашем случае, суммарная толщина SiO2 1,0 мкм, суммарная толщина Si3N4 0,26 мкм, модуль Юнга мембраны Em 111 (GPa), коэффициент Пуассона мембраны 0,21. Следовательно, аналитическое значение двухосного модуля составляет 142 (ГПа). Экспериментальное и аналитическое значения хорошо коррелируют.
Как известно, величина силы равна произведению давления на площадь (формула 3):
,(3)
где d — диаметр мембраны, P — предельное избыточное давление
В результате эксперимента установлено, что круглые мембраны различного диаметра выдерживают одинаковое значение внешней силы. Величина силы составляет 125 мН.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Представленная конструкция стенда позволяет контролировать изменение отклонения мембраны от избыточного давления с шагом 0,05 атм. Двухосный модуль упругости E/(1 − μ) мембраны SiO2/Si3N4/SiO2/Si3N4 составляет 144±12 ГПа. Установлено, что с уменьшением площади мембраны с 2,54 мм2 до 0,785 мм2 возрастает предельное избыточное давление от 0,5 до 1,6 атм исследуемой структуры. Показана обратимая деформация отклонения мембраны от избыточного давления. Предельная сила внешнего воздействия на мембрану не зависит от площади поверхности и составляет 125 мН.
Работа выполнена на оборудовании ЦКП «МСТ и ЭКБ» МИЭТ при поддержке Минобрнауки РФ (соглашение № 14.594.21.0012,
RFMEFI59417X0012).
ЛИТЕРАТУРА
1. Kenichi Takahata, Micro Electronic and Mechanical Systems, ISBN 978-953-307-027-8, 386 pages, Publisher by InTech, 2009, Chapter 11 Mechanical Properties of MEMS Materials.
2. Djuzhev N. A., Makhiboroda M. A., Preobrazhensky R. Y. et al. Журнал исследования поверхности, 2017, 11: 443. DOI:10.1134/S1027451017020239.
3. Benoit Merle, Mechanical Properties of Thin Films Studied by Bulge Testing, Thesis, Ph.D., 2013.
4. Djuzhev N. A., Dedkova A. A., Gusev E. E., Makhiboroda M. A., Glagolev P. Y. Non-Contact Technique for Determining the Mechanical Stress in Thin Films on Wafers by Profiler. Source of the Document IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2017, DOI: 10.1088/1757-899X/189/1/012019.
5. Martins P. On the Determination of Poisson’s Ratio of Stressed Mono¬layer and Bilayer Submicron Thick Films, Microsystem Technologies September 2009, Volume 15, Issue 9, pp. 1343–1348, DOI: 10.1007/s00542-009-0822-5.
6. Laconte J., Flandre D., Raskin J.-P. Micromachined Thin-Film Sensors for SOI-CMOS Co-Integration, Springer, 294 p., 2006.
7. Асташенкова О. Н. Физико-технологические основы управления механическими напряжениями в тонкопленочных композициях микромеханики, кан. диссертация, 2015.
Отзывы читателей
