Измерение энергии адгезии между элементами МЭМС с помощью залипшего кантилевера

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Спонтанное залипание элементов МЭМС в процессе изготовления или эксплуатации представляет серьезную проблему. Капиллярные или электростатические силы, приводящие к залипанию, можно исключить, однако дисперсионные силы вследствие их фундаментальной природы присутствуют всегда и должны быть детально исследованы. В настоящей работе эти силы исследуются экспериментально для систем Si-Au и Si-Ru с помощью тестовой структуры – залипшего кантилевера. Длинные (12 мм) и тонкие (10 мкм) кантилеверы позволяют провести измерения с высокой точностью. В работе детально обсуждается процедура изготовления кантилеверов и измерительного чипа. Информация об энергии адгезии извлекается из формы кантилевера, которая измеряется сканирующим интерферометром. Тщательно исследована шероховатость контактирующих поверхностей и получено равновесное среднее расстояние между поверхностями при контакте. Работа представляет интерес не только для МЭМС, но также позволяет получить фундаментальные знания о дисперсионных силах на малых расстояниях, недоступных для других методов измерений.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

И. В. Уваров

Центр научно-информационных технологий Отделения физико-технологических исследований имени К.А. Валиева Национального исследовательского центра “Курчатовский институт”

Автор, ответственный за переписку.
Email: i.v.uvarov@bk.ru
Россия, Ярославль

О. В. Морозов

Центр научно-информационных технологий Отделения физико-технологических исследований имени К.А. Валиева Национального исследовательского центра “Курчатовский институт”

Email: i.v.uvarov@bk.ru
Россия, Ярославль

А. В. Постников

Центр научно-информационных технологий Отделения физико-технологических исследований имени К.А. Валиева Национального исследовательского центра “Курчатовский институт”

Email: i.v.uvarov@bk.ru
Россия, Ярославль

В. Б. Световой

Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина Российской академии наук

Email: i.v.uvarov@bk.ru
Россия, Москва

Список литературы

  1. Maboudian R., Howe R.T. Critical review: Adhesion in surface micromechanical structures // J. Vacuum Sci. Technol. B. 1997. V. 15. P. 1–20.
  2. Mastrangelo C., Hsu C. A simple experimental technique for the measurement of the work of adhesion of microstructures // Technical Digest IEEE Solid-State Sensor and Actuator Workshop. 1992. P. 208–212.
  3. Legtenberg R., Tilmans H.A., Elders J., Elwenspoek M. Stiction of surface micromachined structures after rinsing and drying: model and investigation of adhesion mechanisms // Sens. Actuators A. 1994. V. 43. P. 230–238.
  4. Tas N., Sonnenberg T., Jansen H., Legtenberg R., Elwenspoek M. Stiction in surface micromachining // J. Micromech. Microeng. 1996. V. 6. 385.
  5. London F. Zur theorie und systematik der molekularkräfte // Zeitschrift für Physik. 1963. V. 63. P. 245–279.
  6. Бойнович Л.Б. Дальнодействующие поверхностные силы и их роль в развитии нанотехнологии // Успехи химии. 2007. Т. 76(5). С. 510–528.
  7. Дерягин Б.В., Чураев Н.В., Муллер В.М. Поверхностные силы. Москва: Наука, 1985. 398 с.
  8. Churaev N.V. Surface forces in wetting films // Adv. Colloid Interface Sci. 2003. V. 103. P. 197–218.
  9. Лифшиц Е.М. Теория молекулярных сил притяжения между твердыми телами // ЖЭТФ. 1955. T. 29. C. 94–110.
  10. Дзялошинский И.Е., Лифшиц Е.М., Питаевский Л.П. Общая теория ван-дер-ваальсовых сил // Успехи физических наук. 1961. T. 73(3). C. 381–422.
  11. Лифшиц Е.М., Питаевский Л.П. Статистическая физика, часть 2. Москва: Наука, 1978. 448 c.
  12. Casimir H.B.G. On the attraction between two perfectly conducting plates // Proc. Kon. Ned. Akad. Wet. 1948. V. 51. P. 793–795.
  13. Klimchitskaya G.L., Mohideen U., Mostepanenko V.M. The Casimir force between real materials: Experiment and theory // Rev. Mod. Phys. 2009. V. 81. 1827.
  14. Rodriguez A.W., Capasso F., Johnson S.G. The Casimir effect in microstructured geometries // Nat. Photonics. 2011. V. 3. P. 211.
  15. Palasantzas G., Sedighi M., Svetovoy V.B. Applications of Casimir forces: Nanoscale actuation and adhesion // Appl. Phys. Lett. 2020. V. 117. 120501.
  16. Harris B.W., Chen F., Mohideen U. Precision measurement of the Casimir force using gold surfaces // Phys. Rev. A. 2000. V. 62. 052109.
  17. Chan H.B., Aksyuk V.A., Kleiman R.N., Bishop D.J., Capasso F. Quantum mechanical actuation of microelectromechanical systems by the Casimir force // Science. 2001. V. 291. P. 1941–1944.
  18. van Zwol P.J., Palasantzas G., De Hosson J.T.M. Influence of random roughness on the Casimir force at small separations // Phys. Rev. B. 2008. V. 77. 075412.
  19. Sedighi M., Svetovoy V.B., Palasantzas G. Casimir force measurements from silicon carbide surfaces // Phys. Rev. B. 2016. V. 93. 085434.
  20. Mastrangelo C.H., Hsu C.H. Mechanical stability and adhesion of microstructures under capillary forces. I. Basic theory // J. Microelectromech. Syst. 1993. V. 2. P. 33–43.
  21. Mastrangelo C.H., Hsu C.H. Mechanical stability and adhesion of microstructures under capillary forces. II. Experiments // J. Microelectromech. Syst. 1993. V. 2. P. 44–55.
  22. de Boer M.P., Michalske T.A. Accurate method for determining adhesion of cantilever beams // J. Appl. Phys. 1999. V. 86. P. 817–827.
  23. Knapp J.A., de Boer M.P. Mechanics of microcantilever beams subject to combined electrostatic and adhesive forces // J. Microelectromech. Syst. 2002. V. 11. P. 754–764.
  24. DelRio F.W., Dunn M.L., Phinney L.M., Bourdon C.J., de Boer M.P. Rough surface adhesion in the presence of capillary condensation // Appl. Phys. Lett. 2007. V. 90. 163104.
  25. van Zwol P.J., Palasantzas G., De Hosson J.T.M. Influence of random roughness on the adhesion between metal surfaces due to capillary condensation // Appl. Phys. Lett. 2007. V. 91. 101905.
  26. DelRio F.W., de Boer M.P., Knapp J.A., Reedy E.D., Clews P.J., Dunn M.L. The role of van der Waals forces in adhesion of micromachined surfaces // Nat. Mater. 2005. V. 4. P. 629–634.
  27. Svetovoy V., Postnikov A., Uvarov I., Stepanov F., Palasantzas G. Measuring the dispersion forces near the van der Waals–Casimir transition // Phys. Rev. Appl. 2020. V. 13. 064057.
  28. Морозов О.В. Динамика осаждения и удаления фторуглеродной пленки в циклическом процессе плазмохимического травления кремния // Известия РАН. Серия физическая. 2024. Т. 88. № 4. C. 531–537.
  29. Morozov O.V., Amirov I.I. Aspect-ratio-independent anisotropic silicon etching in a plasma chemical cyclic process // Russ. Microelectron. 2007. V. 36. P. 333–341.
  30. Soldatenkov I.A., Stepanov F.I., Svetovoy V.B. Dispersion forces and equilibrium distance between deposited rough films in contact // Phys. Rev. B. 2022. V. 105. 075401.
  31. van Zwol P.J., Svetovoy V.B., Palasantzas G. Distance upon contact: Determination from roughness profile // Phys. Rev. B. 2009. V. 80. 235401.
  32. Muravyeva T.I., Uvarov I.V., Naumov V.V., Palasantzas G., Svetovoy V.B. Excessive number of high asperities for sputtered rough films // Phys. Rev. B. 2021. V. 104. 035415.
  33. Postnikov A.V., Uvarov I.V., Svetovoy V.B. Experimental setup for measuring the dispersion forces by the adhered cantilever method // Rev. Sci. Instrum. 2023. V. 94. 043907.
  34. Hopcroft M.A., Nix W.D., Kenny T.W. What is the Young’s modulus of silicon? // J. Microelectromech. Syst. 2010. V. 19. P. 229–238.
  35. Soldatenkov I.A., Svetovoy V.B. Adhesion energy for a nonideal cantilever and its relation to the Casimir-Lifshitz forces // Physics. 2024. V. 6. 1204.
  36. Derjaguin B. Untersuchungen über die Reibung und Adhäsion, IV // Kolloid-Zeitschrift. 1934. V. 69. P. 155–164.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Схематичное представление залипшего кантилевера. Зазор h (x) отсчитывается от среднего расстояния между поверхностями h0 в области контакта

Скачать (150KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Этапы изготовления микромеханического чипа с кантилеверами

Скачать (195KB)
Метаданные
4. Рис. 3. АСМ-сканы поверхности кремния (а), золота (б) и рутения (в) с указанием среднеквадратичной шероховатости σ и цветового масштаба. Графики (г–е) показывают плотность функции распределения шероховатости по высоте для трех сканов на каждом материале. Черная штриховая кривая показывает нормальное распределение для данных, соответствующих черным маркерам и указанным значениям σ

Скачать (561KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Результаты измерения формы залипших кантилеверов: (а) форма кантилевера для контакта Si-Au (светло-коричневая кривая) и Si-Ru (синяя кривая); (б) форма вблизи фиксированного конца для системы Si-Ru, маркерами отмечены экспериментальные данные, голубая кривая соответствует полиному 4-го порядка; (в) то же самое, но для залипшего конца; (г) разница высот между левым и правым краем кантилевера; (д) схематичное изображение сечения скрученного кантилевера

Скачать (214KB)
Метаданные
6. Рис. 5. (а) Энергия адгезии между параллельными поверхностями. Желтая и синяя кривые соответствуют расчетам для систем Si-Au и Si-Ru соответственно. Голубые и розовые маркеры соответствуют измерениям для Si-Au и Si-Ru. (б) Относительная площадь контакта поверхностей, находящихся под углом φ = Δh / w, для образцов Au4 (желтая кривая) и Ru2 (синяя кривая). Штриховые линии показывают среднее расстояние и соответствующее значение Reff

Скачать (177KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025