WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 | 2 || 4 |

Значительно меньше, чем на поверхности кремния и алюминия, вследствие меньшего агрегирования структурных элементов

Поверхностная энергия, мДж/м2:

- s

- p (полярная составляющая)

- d (дисперсионная составляющая)

39,1 – 65,8

1,3 - 27,1

38,7 – 41,7

Уменьшается с ростом соотношения SiH4/N2 за счет полярной составляющей вследствие замещения полярных связей Si-N на неполярные Si-Si.

Расчетная работа адгезии слоев нитрида кремния к полиимиду, мДж/м2 в отсутствии (в числителе) и в присутствии (в знаменателе) влаги на границе раздела:

- при плазмохимической обработке поверхности полиимида

- без плазмохимической обработки поверхности полиимида

(94,0–143,0)/

(10,5 – 20,5)

(89,6 - 127,5)/ (15,4 – 36,9)

С уменьшением соотношения SiH4/N2 и при плазмохимичес-кой обработке поверхности полиимида увеличивается при отсутствии воды на границе раздела и уменьшается в ее присутствии.

Скорость травления определяли с помощью оптического микроскопа по глубине вытравленного «жертвенного» слоя при заданной его высоте, ширине и продолжительности процесса травления с расчетом средней скорости травления по объему вытравленного слоя в единицу времени. Полученные результаты показали, что зависимость скорости травления полиимидных «жертвенных» слоев от длительности процесса при их малых толщинах (меньше 10 мкм) существенно отличается от зависимости, полученной при сравнительно больших толщинах «жертвенных» слоев (больше 10 мкм), как и открытой поверхности полиимидного покрытия.

При травлении тонких «жертвенных» слоев с балочной топологией функционального слоя наблюдается экстремальный характер зависимости скорости травления от длительности процесса (Рис.1, кривая 1): возрастание скорости на начальной стадии и последующее ее уменьшение практически до нуля. С увеличением толщины «жертвенного» слоя наблюдается сдвиг длительности процесса травления, при которой достигается максимальная скорость травления и его прекращение, в сторону больших значений (Рис.1, кривая 2). В случае открытой поверхности полиимидного покрытия скорость травления достаточно быстро выходит на установившийся уровень и практически не зависит от продолжительности плазменной обработки, четко коррелируя с температурой в установке (Рис. 1, кривые 3, 4).

При травлении «жертвенных» слоев из отверстий в функциональном слое установлено, что глубина предельно вытравленного «жертвенного» слоя при заданной продолжительности процесса травления зависит от диаметра отверстий (рис. 2): с увеличением диаметра отверстия до 10 мкм глубина вытравленного слоя резко возрастает, а после 10 мкм она практически не зависит от него.

Исследования влияния толщины «жертвенного» слоя на предельно вытравленную его глубину при заданной продолжительности процесса травления показали экстремальный характер зависимостей: при увеличении толщины «жертвенного» слоя от нескольких нанометров до 0,6 мкм наблюдается резкое возрастание глубины вытравленного слоя с достижением ее предельного значения, а при дальнейшем увеличении толщины глубина вытравленного слоя плавно уменьшается, достигая предельных значений при 10 мкм, соответствующих величине вытравивания полиимидных покрытий с открытой поверхности. Такой характер зависимостей глубины вытравленного полиимидного «жертвенного» слоя от его толщины при малых ее значениях объясняется различием условий теплообмена и массопереноса в «жертвенном» слое различной толщины и по сравнению с открытой поверхностью полиимидного покрытия. При длительном травлении «жертвенных» слоев толщиной более 10 мкм механизм и кинетика процесса достаточно близки к травлению свободных поверхностей полиимидных покрытий, в котором основную роль играют параметры процесса и характеристики плазмы.

Такое объяснение наблюдаемых эффектов экспериментально подтверждено исследованиями методами ИК-спектроскопии и электронной спектроскопии для химического анализа продуктов травления, осажденных на поверхность пластин иодида калия. Установлено, что в продуктах травления как «жертвенного» слоя, так и открытой поверхности полиимидного покрытия присутствуют бензольные кольца, фрагменты имидных циклов (С=О связи), а также амидная группа - СОNН (связи С=О и С-NН). Кроме того, в продуктах травления открытой поверхности полиимида присутствуют группы N-О, которые, по-видимому, деструктируют в случае более интенсивных режимов травления «жертвенных» слоев. При этом относительное содержание атомов кислорода и азота составе осаждаемых продуктов травления полиимидных «жертвенных» слоев на 100 атомов углерода можно представить формулой С100О15N23, а свободной поверхности полиимидных покрытий – С100О11N11, то есть продукты травления полиимидных «жертвенных» слоев из зазоров содержат больше азота и кислорода по сравнению с продуктами травления открытой поверхности полиимидного покрытия.

Установлено, что плазмохимическое травление «жертвенного» слоя оказывает значительное влияние на состав функционального слоя нитрида кремния со стороны поверхности, обращенной к полиимидному «жертвенному» слою и освобожденной его травлением. Методом Ожэ–электронной спектроскопии показано, что эта поверхность имеет повышенное содержание атомов кислорода, причем, из-за различной длительности воздействия плазмы на высвобождающуюся поверхность нитрида кремния, концентрация атомов кислорода в ее центре и у края резко различается. Так например, в центре вытравленной площадки 48х48 мкм она составляет 25%, а у ее краев 35,1 %.

Обнаружена резко выраженная зависимость напряженно-деформированного состояния тестовых балочных элементов на основе высвобожденных травлением «жертвенных» слоев пленок нитрида кремния от их толщины в диапазоне от 100 до 500 нм (рис. 3). С ростом толщины величины деформаций увеличиваются, изменяют свой знак от отрицательных к положительным при толщине порядка 300 нм и достигают максимума при толщине около 400 нм. При дальнейшем увеличении толщины до 500 нм величины деформаций снижаются, вторично изменяя знак от положительных к отрицательным при толщине порядка 450 нм. Сложный характер зависимости можно объяснить превалирующим влиянием различных факторов при различных толщинах слоев: жесткости балочного элемента, структурной и термической составляющих остаточных напряжений в нем.

Четвертая глава посвящена использованию результатов исследований, полученных в работе, при разработке технологических процессов осаждения слоев нитрида кремния на полимиидные покрытия для изготовления двух устройств микросистемной техники:

  • микроболометрических приемников ИК-излучения на мультиплексорах формата 2х48, 160х120 и 320х240;
  • газового сенсора на основе композиционного покрытия полиимид-многостенные углеродные нанотрубки.

Микроболометрические приемники ИК-излучения.

На основании полученных в работе экспериментальных данных и установленных закономерностей разработана технология осаждения функциональных слоев нитрида кремния на полиимидный «жертвенный» слой с целью обеспечения их удовлетворительной адгезии к полиимидному «жертвенному» слою и минимальных значений остаточных напряжений при сохранении максимального уровня поглощения микромостиковыми структурами ИК-излучения в диапазоне длин волн 8–14 мкм. Полученные микромостиковые структуры (рис. 4) удовлетворяют указанным требованиям при интенсивности поглощения ИК-излучения в указанном диапазоне порядка 85%. С помощью разработанной оригинальной методики оценены теплофизические характеристики микромостиковых структур, которые при заданных геометрических размерах лежат в следующих пределах:

- теплопроводность 1,54 х 10-7 – 2,93х 10-7;

- постоянная времени 5,7 – 12,4 мс;

- теплоемкость 1,54 х 10-9 – 1,67 х 10-9 Дж/К,

и определяются, в первую очередь, теплофизическими характеристиками слоя нитрида кремния.

Газовый сенсор на основе композиционного покрытия полиимид-многостенные углеродные нанотрубки

С использованием результатов диссертационной работы разработан технология осаждения слоев нитрида кремния на поверхность полиимидного планаризующего слоя. Слой нитрида кремния используется в качестве защиты от проникновения в полиимид влаги при работе сенсора во влажной атмосфере. Слои нитрида кремния, осажденные на полиимидный слой в разработанном режиме, обеспечивает защиту от воздействия влаги в течение 3 суток при выдержке в условиях 90 %-ной влажности. При этом на межфазной границе раздела нитрид кремния – полиимид обеспечивается удовлетворительная прочность адгезионного взаимодействия.

Полученные результаты позволили воспроизводимо получать образцы газового сенсора на основе композиционных покрытий полиимид - многостенные углеродные нанотрубки. Номенклатура детектируемых газов – H2, СО, СО2, СН4, нижний предел обнаружения газов 0,01 % (об.).

В приложении к диссертационной работе представлены методика определения теплофизических характеристик микромостиковых структур и заключения об использовании результатов диссертационной работы.

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Исследованиями слоев нитрида кремния толщиной от 1 до 500 нм, осажденных методом СВЧ-плазменного стимулирования в условиях электронно-циклотронного резонанса на поверхность полиимидных «жертвенных» слоев установлено, что значительное влияние на их структуру и свойства оказывает соотношение реакционных газов – моносилана и азота. Повышенное содержание моносилана в смеси реакционных газов сопровождается замещением полярных (Si–N) на неполярные (Si–Si) связи и резким уменьшением полярной составляющей свободной поверхностной энергии слоев нитрида кремния:от 27,1 до 1,3 мДж/м2 при увеличении соотношения SiH4/N2 от 0,3 до 1,06. Различия в модуле упругости, определенном «глобальным» методом по кривым «нагрузка – деформация» слоистой пленки нитрид кремния-полиимид-нитрид кремния (60-70 ГПа) и «локальным» методом наноиндентирования (75-80 ГПа), обусловлены меньшим проявлением пористости в «локальном» методе. При этом модуль упругости слоев нитрида кремния слабо зависит от соотношения реакционных газов и, соответственно, от химического состава вследствие аморфной структуры и пористости.

2. Влияние поверхности полиимида на структуру и свойства слоев нитрида кремния, осажденных на его поверхность, распространяется на 4 – 10 нм, приводит к повышенной концентрации атомов кислорода и азота вблизи границы раздела и обусловлено адсорбционными эффектами и химическим взаимодействием реакционных газов с активными группами полиимида. Плазмохимическая обработка полиимидных слоев, проводимая перед осаждением слоев нитрида кремния в среде воздуха, азота и аргона, приводит к увеличению свободной поверхностной энергии полиимидных слоев за счет полярной (электронно-донорной) компоненты. При обработке в высокочастотной плазме воздуха достигается предельное значение поверхностной энергии, равное 77,5 мДж/м2. При этом в начальный момент плазмохимической обработки на поверхности полиимида происходит образование карбоксильных групп, а при увеличении длительности обработки до 900 с, их концентрация снижается от 1,4 х 10-15 до 0,2 х 10-15 моль/см2. Плазмохимическая обработка поверхности полиимида сопровождается также увеличением расчетной работы адгезии слоев нитрида кремния на 5-12 % в сухом состоянии и ее уменьшением в присутствии воды на границе раздела на 32-63 % (в зависимости от соотношения реакционных газов) по сравнению с необработанным состоянием. Параметры шероховатости поверхности слоев нитрида кремния, осажденных на поверхность полиимида, соответственно, в 2 и в 11 раз ниже по сравнению со слоями, осажденными на поверхности кремния и алюминия вследствие меньшей степени агрегирования структурных единиц осаждаемого слоя на поверхности полиимида.

3. Исследованиями кинетики и состава продуктов плазмохимического травления в высокочастотной плазме воздуха полиимидных «жертвенных» слоев толщиной от 15 нм до 15 мкм в тонком зазоре между функциональным слоем нитрида кремния и кремниевой подложкой выявлена зависимость механизма и кинетики травления «жертвенных» слоев от их толщины и топологии тестовых элементов. Скорость травления полиимидных «жертвенных» слоев толщиной менее 10 мкм при заданных условиях проходит на начальных стадиях через максимум, высота и положение которого зависит от толщины слоя, и уменьшается практически до нуля при увеличении глубины травления, тогда как скорость травления открытой поверхности полиимидного покрытия не зависит от продолжительности процесса и определяется только температурой в установке. Такой характер зависимостей длины вытравленного полиимидного «жертвенного» слоя от его толщины объясняется изменением условий теплообмена и массопереноса в «жертвенном» слое с изменением его толщины. При толщине «жертвенного» слоя более 10 мкм скорость травления этого слоя и свободной поверхности полиимида практически одинаковы.

4. Поверхность слоя нитрида кремния, обращенная при формировании к «жертвенному» слою и высвобождаемая при его травлении, неоднородна по составу и распределению элементов. Неоднородность зависит от длительности травления: чем дольше происходит воздействие компонентов плазмы на поверхность нитрида кремния, тем выше в ней содержание атомов кислорода.

5. Выявлена корреляция напряженно-деформированного состояния высвобождаемых слоев нитрида кремния, осажденных при соотношении SiH4/N2 равном 0,69, от их толщины в диапазоне от 100 до 500 нм. Показано, что с ростом толщины величины деформаций увеличиваются, изменяют свой знак от отрицательных к положительным при толщине порядка 300 нм и достигают максимума при толщине около 400 нм. При дальнейшем увеличении толщины до 500 нм величины деформаций снижаются, вторично изменяя знак от положительных к отрицательным при толщине порядка 450 нм.

6. Показана возможность получения методом плазмохимического травления полиимидного «жертвенного» слоя сплошной свободной малонапряженной пленки нитрида кремния толщиной около 4 нм.

Pages:     | 1 | 2 || 4 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»