CC BY
20УДК 541.68
Ю.В. Тимошков1, А.А. Сакова2, В.Ю.Тимошков3, В.И. Курмашев4
Введение
Оптические микросистемы представляют собой законченные устройства, объединяющие сенсорную, электронную и механическую части. Трехмерные структуры, способные к механическому движению, должны быть интегрированы в микросистемы, как технологически, так и конструктивно. В работах [1, 2] показано, что по мере усложнения микроэлектромеханических систем (МЭМС) и выполнения задач более высокого уровня, повышаются способности обработки данных, чувствительность и способности генерации механического отклика на воздействия. Количество элементов должно увеличиваться и достичь 109 как для электронных элементов, так и для механических. На современном этапе развития МЭМС, механические элементы обладают значительно более низкими эксплуатационными характеристиками, чем электронная часть и, следовательно, надежность системы в целом определяется надежностью именно микромеханической части.
Проблема статического и динамического трения, так же как и износа функциональных слоев, является фундаментальной для оптических переключателей, световых затворов, лазеров на базе резонаторов основанных на микро-оптоэлектромеханических системах (МОЭМС) и других составляющих оптических устройств. Американское Общество Испытаний и Материалов (ASTM) определило изнашивание (wear) как процесс разрушения твердой поверхности, в ос-
ТЕХНОЛОГИИ НАНОКОМПОЗИЦИОННЫХ И НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ЭЛЕМЕНТОВ МИКРООПТОЭЛЕКТРО-МЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники 220013, г. Минск, ул. П. Бровки 6; Минский институт управления 220102, г. Минск, ул. Лазо 12
Множество современных оптических устройств основано на микроэлектромеханических системах (МЭМС) с подвижными элементами. Фактором, ограничивающим срок службы таких комплексных систем, является надежность механической части. Применение нанокомпозиционных и наноструктурированных материалов решает проблему создания подвижных элементов с высокой точностью и надежностью. В данной работе представлены технологии получения структур из наноструктури-рованых материалов с высоким аспектным соотношением, основанные на пористом анодном оксиде алюминия, пористом кремнии и поли-имидных пленках. Также показаны преимущества применения нанокомпозиционных металлических материалов при осаждении МЭМС элементов, благодаря улучшенным износостойкости, коэффициенту трения и микротвердости и коррозионным токам. Внедрение материалов с такими физико-механическими свойствами - единственный путь промышленного развития МЭМС, содержащих механически подвижные элементы.
Ключевые слова: микроэлектромеханическая система, LIGA-подобные технологии, нанокомпозиционные и наноструктурированные материалы, износостойкость, трение.
новном включающий в себя прогрессирующую потерю материала вследствие относительного движения между этой поверхностью и контактирующим веществом (веществами) [3]. Для решения проблемы трения и износа, механически движущихся элементов микронных размеров, эффективным является использование композиционных материалов, в частности, соосажденных металлов и сплавов с инертными прочными частицами электрохимическими методами, а так же наноструктурированных материалов [4-7].
По данным NEXUS Market Analisis микродисплеи - одно из наиболее перспективных направлений применения МЭМС [8].
Преимущество микродисплеев на базе МОЭМС заключается в более высокой пропускной способности, за счет меньших оптических потерь, т.к. не требуется поляризация. Также они имеют большую полосу модуляции, что обусловлено высокой скоростью переключения. Видео и графика, получаемые с помощью DLP (цифровая видеообработка) технологии, обладают большей резкостью, т.к. DLP чип минимизирует промежутки между пикселями на изображении. Расположенные на расстоянии менее одного микрона друг от друга, зеркала создают гладкую пленку с изображением. Технология DLP 1080 позволяет получить более 2 миллионов пикселей на экране с полным разрешением 1920 х 1080, что является максимально возможным на данный момент [9].
1 Тимошков Юрий Викторович, канд. техн. наук, вед. науч. сотр., Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники, email: [email protected].
2 Сакова Анастасия Александровна, инженер по радиоэлектронике, Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники, e-mail: [email protected].
3 Тимошков Вадим Юрьевич, науч. сотр., Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники, e-mail: [email protected]
4 Курмашев Виктор Иванович, д-р техн. наук, проф., вед. науч. сотр., Минский институт управления,. e-mail: [email protected]
Дата поступления 19 января 2011 года
Кросс-коммутатор - центральный элемент архитектуры оптических систем связи, а МОЭМС - одна из перспективных технологий его реализации. С их помощью решена проблема переключения оптических сигналов на различных длинах волн из одного оптоволокна в другое независимо от протокола, ширины полосы или скорости передачи данных и без двойного преобразования его в электрический поток и обратно. Появление перестраиваемых лазеров и узкополосных оптических фильтров на базе МОЭМС позволяет передавать по оптическому волокну со скоростью 40 Гбит/с до 160 сигналов на различных длинах волн.
МЭМС находят применение не только в переключателях - все большее внимание разработчиков оптической сетевой инфраструктуры привлекают МОЭМС регулируемых оптических аттенюаторов, перестраиваемых фильтров и лазеров [10].
Задачи
Целью данной работы является разработка технологии селективного объемного наноструктурирования материалов, создание на ее основе подвижных микроэлементов, интеграция механических элементов и устройств в LIGA подобные технологии микросистем.
LIGA (Lithografie - литография, Galvanoformung -электрохимическое осаждение, Abformung - формовка) процесс является классическим для создания механических микроэлементов МЭМС. В технологии LIGA-процесса основными этапами являются: получение 3D формы элемента с высоким аспектным соотношением, осаждение электрохимическими методами в формы микроструктур металлов (сплавов), удаление формы. [11]. Необходимость использования синхротронного источника и сложный процесс изготовления рентгеновской маски обуславливают чрезвычайно высокую стоимость классического LIGA-процесса, делая невозможным его использование в массовом производстве. Задачей исследований является развитие селективной 3D технологии для получения различных типов наноструктури-рованных материалов, применимых для создания подвижных микроэлементов МЭМС высокой надежности, и интеграция данных разработок и технологических решений в LIGA-подобные процессы, которые базируются на использовании двух основных типов материалов: наноструктурированных (полиимид, пористый кремний, пористый оксид алюминия) и нанокомпозиционных.
Результаты и обсуждение
Пористые наноструктурированные материалы обладают высоким потенциалом для практического применения в технологии поверхностных и объемных МЭМС для создания трехмерных форм в рамках разработанной нами LIGA-подобной технологии. Анизотропия формы нанопор основана на уникальной самоорганизующейся морфологии, образованной достаточно однородными, регулируемыми в широком интервале, наноразмерными, перпендикулярными обеим поверхностям нанопорами. Это обуславливает анизотропию при химическом жидкостном травлении, т.е. высокую селективность, что и позволяет формировать матрицы элементов с высоким аспектным соотношением.
Наноструктурированные покрытия для получения форм
Процесс анодирования кремния позволяет управлять размерами пор в пределах от 10 нм до 1 мкм в зависимости от типа, ориентации и степени легирования Si, технологических режимов и позволяет использовать периодические нанопоры в качестве матриц для наноструктур широкого спектра, таких как нанокатоды, нанотрубки и т.д. В отличие от классического LIGA процесса введены этапы формирования пористого кремния, твердой хромовой маски и их травления.
Анизотропия формы нанопор кремния при значительной длине и высокая селективность при травлении позволяет развивать 1ЛС5А-подобную технологию формирования 3Э элементов МЭМС практически в рамках стандартных процессов микроэлектроники. Как видно из рисунка 1, данная технология позволяет получать структуры толщиной до 50 мкм и с аспектным соотношением до 20.
Рис. 1. SEM фотографии микроструктур из пористого кремния.
Перспективным материалом для получения микроформ является нанопористый анодный оксид алю-миния.Технология получения элементов и рельефов на основе анодированного оксида алюминия позволяет достигать субмикронной точности и базируется на интегральной планарной технологии микроэлектроники, используя все ее преимущества и достоинства, техническое оснащение и производственную базу. Как видно из рисунка 2, данная технология позволяет получать микроструктуры толщиной до 500 мкм и c аспектным соотношением до 50.
Рис. 2. SEM фотографии микроструктур из пористого оксида алюминия.
Полученные формы заполняются электроосаж-денными металлами и сплавами с ультрадисперсными
частицами, а после растворения материала форм получаются необходимые МЭМС элементы.
Для некоторых применений нет необходимости изготавливать формы большой толщины и в этих случаях может быть использована технология ионно-лучевого травления полиимида (рисунок 3), которая позволяет получать структуры до 50 мкм толщиной и с аспектным соотношением до 50 (рисунок 4).
а Алюминиевая
маска
Х\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\;_- Полиимид
^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^----- Сг (0.1 мкм)/ Си (1мкм)/
Сг (0.2мкм)
_- Кремниевая пластина
б
Рис. 3. Технология ионно-лучевого травления полиимида: а -формирование твердой маски; б - ионно-лучевое травление полиимида.
полученных из полиимида.
Полученные структуры на основе пористого кремния, оксида алюминия и полиимида позволяют использовать их в качестве форм для дальнейшего создания элементов МЭМС.
Нанокомпозиционные металлические покрытия
Применение нанокомпозиционных металлических покрытий, содержащих ультрадисперсные частицы износостойких материалов, внедряемых равномерно в металлическую матрицу, позволяет улучшать физико-механические свойства МЭМС элементов. Разработанная технология соосаждения позволяет контролировать кристаллическую структуру осадков, количество и размеры инертных частиц, внедренных в структуру матрицы во время процесса осаждения металла.
Исследован сам процесс соосаждения металлической матрицы, содержащей ультра дисперсные частицы, а также физико-механические свойства разработанных нанокомпозиционных материалов.
Электроосаждение композиционных покрытий (рисунок 5), содержащих ультрадисперсные алмазные частицы, проводили из сульфатных, глициновых, уксуснокислых и Уотта ванн. Исследованы магнитомягкие (1^е, Сс^еР, СоР) и магнитотвердые (СоМР, СсМ, СоР) сплавы, а также проводящие матрицы Си и №.
Электролитическая ячейка проточного типа
Металлическая матрица Ультрадисперсные частицы
Рис. 5. Процесс электрохимического соосаждения металлов с наночастицами.
В процессе электроосаждения взвешенные алмазные частицы взаимодействуют с поверхностью растущей пленки благодаря гидродинамическим, молекулярным и электростатическим силам. В результате такого комплексного процесса формируется композиционное покрытие. Оже-профиль и локальный рентгеновский анализ демонстрируют, что ультрадисперсные алмазные частицы эффективно встраиваются в металлическую матрицу (рисунки 6, 7). Предложена модель соосаждения композиционного покрытия с ультрадисперсными частицами [4], в которой рассмотрены специфические характеристики поведения ультрадисперсных частиц, а поведение дисперсной системы описывается физической теорией устойчивочти коллоидных систем (ДЛФО). Для описания процесса формирования композиционного покрытия проанализированы
процессы конвекции, диффузии, миграции и Броуновского движения в системе коллоидной ванны.
Рис. 6. SEM фотография композиционного Ni-наноалмазного покрытия.
Рис. 7, АБ5 профили элементов чистого и композиционного N1 покрытий, полученные распылением поверхности.
На рисунке 8 показаны поверхность и поперечное сечение нанокомпозиционного никелевого покрытия. Видно, что наночастицы алмаза встроены в металлическую матрицу.
С точки зрения функциональности важнейшими требованиями являются трение и износостойкость. Степень износа для композиционного ^-покрытия и N1-покрытия без частиц иллюстрируется фреттинг-тестом в течение 100 000 циклов (рисунок 9). Повышение коррозионной стойкости композиционной пленки СоР-УДА и увеличение микротвердости при использовании различных дисперсноупрочняющих частиц показаны на рисунке 10.
Рис. 9. Коэффициент трения (а) и объем износа (б, в) для чистого и нанокомпозиционного Ni-го покрытия, SEM фотографии после 100 000 фреттинговых циклов.
По результатам тестирования, композиционное никелевое покрытие, содержащее ультрадисперсные алмазные частицы, обладает более низким коэффициентом трения. Количество частиц в покрытии оказывает влияние на степень износа, а концентрация частиц в ванне - на микротвердость. На начальной стадии наблюдается локализация износа матрицы, а затем на частицы переносится большая часть нагрузки, что и приводит к увеличению износостойкости композиционного материала. На рисунке 11 приведены некоторые МЭМС-элементы изготовленные по LIGA-подобной технологии.
Рис. 8. а - SEM фотография поперечного сечения никелевого нанокомпозиционного покрытия; б - AFM фотография поверхности никелевого нанокомпозиционного покрытия.
Рис. 10. а - коррозионная стойкость магнитожесткой пленки СоР - УДА; б - зависимость микротвердости от концентрации частиц в различных нанокомпозиционных материалах.
Рисунок 11. МЭМС-элементы: а - пневмоканал (на основе оксида алюминия); б - шестерня (на основе композиционного никеля); в - направляющие (на основе полиимида).
Литература
1. TimoshkovYu., Kurmashev V.I., Timoshkov V.Yu.. Nanomaterials for optical microelectromecanical system technology.// Доклады БГУИР. 2008. N 5(35), P.104-108.
2. Jiantao Pan. MEMS and Reliability // 1999.
3. Standard terminology related to erosion and wear. // Annual Book of Standards. ASTM, Philadelphia, PA. 1993. V. 3.02,
4. Kurmashev V.I., Timoshkov Y.V. [et al]. Nano-diamonds in magnetic recording system technologies.// Physics of the solid state, 2004. V. 46. P. 696-702.
5. Timoshkov Yu.V., Kurmashev V.I., Orekhovskaya T.I., Brylyakov P.M., Idrisov I.G. Soft Magnetic Amorphous Co-P Composite Films of High Wear Resistance. // Journal of Magnetic Society of Japan. 1991. V. 15. No 52. Р. 767772,
6. Timoshkov, Y., Molchan, I., Labunov, S., Kurmashev, V., Gubarevich, T., Fransaer, J., Celis, J. Microstructure and wear behaviour of Ni-composite coatings with different types of ultra-dispersed diamond particles. In Sudarshan, T. (Ed.), Jeandin, M. (Ed.), Khor, K. (Ed.), Surface Modification Technologies: 1998. V. XI. Р. 9911000. Publ. IOM Communications Ltd. 1998.
7. Podlaha E.J., Zhang Y. Li, J., Huang Q., [et al]. Electrochemical Deposition of Nanostructured Metals. // Nanomaterials Handbook, ISBN 0849323088, 2006.
8. NEXUS MST/MEMS Market Analysis III 20052009.
9. DLP Texas Instruments, www.dlp.com.
10. Сысоева С. МОЭМС - доступные технологии генерации и сканирования оптической информации. // Компоненты и технологии, 2010. № 8. URL: http://www.kit-e.ru/articles/displ/2010_08_33.php. (дата обращения 28.03.2011)
11. Becker E.W., Ehrfeld W., Münchmeyer D., Betz H., [et al]. Production of separation-nozzle systems for uranium enrichment by a combination of X-ray lithography and galvanoplastics. // Naturwissenschaften, 1982. V. 69, P. 520-523,.
Выводы
Основные проблемы МЭМС, содержащих механически подвижные элементы, - трение, износ и коррозия. Нами разработаны LIGA-подобные технологии наноструктурирования материалов на основе процессов пористого анодирования и электрохимического соосаждения металлов и сплавов, ионно-лучевого травления полиимида, а так же предложена модель соосаждения композиционного покрытия, содержащего ультрадисперсные частицы.
С помощью данных технологий получены элементы с высокими функциональными характеристиками: износостойкость возросла в 2-2,5 раза, микротвёрдость увеличилась в 2 раза, коэффициент трения и коррозионные токи уменьшились в 1,5 и 1,6 раза соответственно.
Разработанные технологии использованы для получения опытных образцов - электромагнитного и пневматического микродвигателей, которые могут быть использованы в составе актюаторных устройств управления микрозеркалами, в МОЭМС переключателях и др.
