В.И. Белоглазов, директор филиала ИРОС, Саратов,
С.П.
Суховеев, канд. техн. наук, МНТК – РОБОТ, г. Москва,
Н.В. Суетин,
д-р физ.-мат. наук, НИИЯФ МГУ
СОЗДАНИЕ МИКРОННЫХ И СУБМИКРОННЫХ ТРЕХМЕРНЫХ СТРУКТУР С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СТЕКЛОВОЛОКОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
| Предложен и реализован новый метод создания трехмерных микроэлектромеханических систем. Основой этого метода являются технологии получения и обработки стекловолокна и стекловолоконных систем. Продемонстрирована возможность получения недорогих микронных и субмикронных стеклянных структур с практически не ограниченным аспектным отношением. Получены как чисто стеклянные, так и стеклянно-металлические субмикронные системы. Рассмотрены наиболее перспективные направления в использовании предложенной технологии, в частности для микророботов и микроприводов. |
Основные принципы стекловолоконной
технологии
Введение
Подавляющее большинство современных методов промышленного производства изделий микроэлектроники и микромеханики основаны на планарных технологиях. В этих технологиях тот или иной рисунок первоначально формируется в специальном резисте, нанесенном на плоскую поверхность обрабатываемого материала, с помощью различных литографических методов, а затем эта поверхность вытравливается на заданную глубину с использованием определенных технологий за счет разности скоростей травления двух материалов (например, модифицированной и немодифицированной части резиста или резиста и обрабатываемой поверхности).
Одной из основных проблем планарной технологии является создание высоко анизотропных трехмерных структур, т.е. структур, у которых высота существенно превышает другие размеры. Для решения этой проблемы развиваются методы высоко анизотропного травления с использованием новейших достижений плазменной микротехнологии на базе плазмы индукционно-связанного разряда, разряда в условиях электронно-циклотронного резонанса или геликонного разряда.
Еще одно из направлений в технологии создания высокоанизотропных структур – это так называемая LIGA – технология, в которой используется высококонтрастная рентгеновская литография в пучках синхронного излучения и электрохимическое осаждение металла [1]. Однако достижение коэффициента анизотропии (т.е. отношения глубины травления к ширине) большего 100 представляет серьезную проблему. Кроме того, все эти технологии весьма дороги, а при дальнейшем развитии их стоимость может стать основным препятствием для широкого внедрения новых изделий.
Вместе с тем, уже сейчас существует достаточно острая практическая потребность в определенного вида микроструктурах, имеющих микронную и субмикронную топологию и высоту рельефа от сотен микрометров до миллиметров и даже метра. В качестве примера можно привести элементы для транспортировки и фокусирования вакуумного ультрафиолетового и рентгеновского излучений. Эти элементы, как правило, состоят из микрокапиллярных волокон с диаметром капилляра от 200 нм до 300 мкм и шероховатостью внутренней стенки капилляра не более 10 нм. Другим примером могут служить различные микромеханизмы, микродозаторы жидкостей и газов, микроприводы. Часть этих изделий может быть изготовлена и с помощью LIGA-технологии, однако при этом их стоимость пока неприемлема для массового потребителя.
В качестве альтернативы планарной технологии может рассматриваться метод непосредственного создания трехмерных структур с использованием стекловолоконных технологий (СВТ) [2, 4]. Подобные методы уже применялись ранее для создания микроканальных и наноканальных пластин, стекловолокон и рентгеношаблонов [3, 5].
В данной работе представлены результаты дальнейшего развития стекловолоконной технологии с целью ее использования для создания микроэлектронных и микромеханических элементов. Для лучшего понимания предлагаемого метода во второй части статьи изложены основные методы стекловолоконной технологии, используемые нами для создания микроструктур, а в третьей – представлены некоторые результаты, полученные с помощью описанной технологии. В заключение обсуждены возможные применения полученных результатов, оценена перспектива дальнейшего развития этого метода, приведено его сравнение с другими.
Основные принципы стекловолоконной технологии
Основной, ключевой операцией стекловолоконного производства является перетягивание при определенной температуре стеклянной заготовки с пропорциональным уменьшением поперечных размеров. Если заготовка сформирована в определенную структуру из нескольких сортов стекла или каких-либо других материалов с близкой температурой размягчения, то поперечные линейные размеры этой структуры уменьшатся с сохранением геометрического подобия, а их соотношение не изменится. Эта процедура может быть повторена многократно до достижения необходимых линейных размеров. После перетяжки заготовка режется на элементы требуемой длины, которые при необходимости полируются. Длина таких элементов может варьироваться от десятков микрометров до нескольких метров.
В случае, если различные участки этой структуры имеют существенно различную скорость химического, электрохимического или любого другого воздействия, то возможно селективное удаление тех или иных элементов структуры. При этом могут быть сформированы как полости и отверстия внутри структуры, так и ее внешняя геометрия. Полученные отверстия могут быть заполнены материалами с различными свойствами, например металлами.
Наиболее просто этот принцип может быть продемонстрирован на примере двух видов стекла, имеющих различную растворимость, например, в соляной кислоте. Для создания тест-структур мы использовали в качестве растворимого стекло Х230 с высоким содержанием В2О3 (57,8 %), а в качестве нерастворимого электровакуумное стекло С87-2. Элемент структуры, полученный после выполнения всех операций и растворения, представлен на рис. 1. Характерный размер отверстий на этом образце порядка 0,5 мкм (ширина наиболее узкой щели). На фотографии видна тонкая структура волокон нерастворимого стекла, из которых в данном случае сформирована вся структура. Очевидно, что данное разрешение далеко от предельного. На рис. 2 представлена другая тест-структура, изготовленная аналогичным методом, с характерным масштабом отверстий порядка 0,2 мкм, что тоже не является пределом. Подобную технологию [5] использовали для получения многоканальной матрицы идентичных круглых отверстий с диаметром порядка 30 нм. Отметим, что наша методика позволяет получать структуры с отверстиями произвольной формы, в том числе с существенно различными поперечными размерами.
|
|
|
| Рис. 1 | Рис. 2 |
Такого рода структуры уже сами по себе могут использоваться в качестве элементов рентгеновской и вакуумной ультрафиолетовой (ВУФ) оптики, таких элементов микромеханики, как рентгеновские маски, фильтры тонкой очистки и т.п. Одно из перспективных направлений – использование таких элементов как матриц для создания различного рода квантово-размерных полупроводниковых и проводящих структур. При столь высоком аспектном соотношении возникает проблема заполнения отверстий. В случае использования легкоплавких металлов и сплавов эта проблема решается включением металлической структуры непосредственно в заготовляемые полые стеклянные волокна, из которых формируют требуемую структуру. В качестве проводника могут быть также использованы проводящие стекла, полимеры и электролиты. Основное требование эти материалы должны иметь температуру размягчения или плавления близкую или меньшую, чем температура размягчения стекла. В экспериментах мы, в основном, использовали PbSn-сплавы.
Реально, нами получены структуры с размером порядка 100 нм. В результате многократного перетягивания удалось добиться практически "растворения" металла, что привело к уменьшению объемного сопротивления стекла на два порядка.
Экспериментальные результаты
Разработанная методика была использована для создания реальных микроэлектронных и микромеханических элементов. В отличие от микроканальных пластин изделия микромеханики имеют весьма сложную структуру, состоящую из отверстий и поверхностей различной конфигурации и размеров, а также упругих элементов в виде балок, мембран, пружин. Поэтому выбор материала и геометрии волокон, а также сам процесс перетягивания заготовки для каждого изделия является новым. В результате проведенных работ были созданы рентгеновский шаблон, наборы микроконсолей с плотностью миллион штук на квадратном сантиметре и характерным поперечным размером 7 мкм, заготовки статоров электромагнитных микродвигателей с внешним диаметром 160 мкм, микрокатушек индуктивности с шириной витка 7 мкм. Особо следует отметить возможность изготовления деталей с винтообразными поверхностями, для чего используется скручивание вытянутой стеклозаготовки вокруг оси. Такие поверхности характерны для микровинтов, шнеков, червячных и косозубчатых колес и не могут быть изготовлены с помощью ни одной из известных технологий.
Опишем более детально процедуры изготовления некоторых компонентов, например, микроструктур катушек индуктивности. Было произведено шесть вытяжек. Из расплавов стекла С87-2 и стекла Х230 сначала были изготовлены волокна диаметром 2 мм (не менее 500 штук волокон из каждого сорта стекла). Полученные заготовки были разбракованы и уложены в пакеты шестигранной формы (по 397 штук в каждом). Затем пакеты были спечены и перетянуты в шестигранные стержни с максимальным поперечным размером 0,6 мм. Стержни были уложены в новый пакет таким образом, что растворимые стержни образовывали требуемую топологию обмотки катушки. После спекания и перетягивания полученного пакета до поперечного размера 2,7 мм он был разрезан на заготовки длиной в несколько сантиметров, в которых затем химически было вытравлено растворимое стекло. Полученные полости были вакуумированы и заполнены припоем ПОС-30. После этого была проведена окончательная групповая перетяжка (в количестве 37 шт.) этих пакетов, плотно упакованных в пучок. Полученные заготовки катушек имели поперечный размер до 50 мкм. Они были разрезаны и отполированы до продольного размера (высота катушек) 300-500 мкм. Типичная фотография такой катушки представлена на рис. 3. В настоящее время удалось изготовить катушки с шагом витков порядка 20 мкм при толщине витка 7-8 мкм и его высоте 300 мкм. Размер центрального отверстия катушки составляет до половины внешнего поперечного размера. Это отверстие может быть использовано для размещения в нем ферромагнитного сердечника при создании микроэлектромагнитных систем.
|
|
|
| Рис. 3 |
Рис. 4 |
Подобная технология с использованием тех же сортов стекла была применена для создания наборов микроконсолей. Фотография такого набора представлена на рис. 4. В качестве механического упругого элемента стеклянные микроконсоли такого профиля не вполне пригодны. Однако СВТ позволяет изготовлять микроконсоли любого профиля, в том числе и с металлической арматурой внутри.
Другим примером изделия, полученного с использованием СВТ, является созданный нами синхронный микродвигатель с двухполюсным ротором из NdFeB. Цилиндрический статор изготовлен по СВТ и содержит 12 отверстий, заполненных PbSn, которые являются активными частями обмоток статора. Статор двигателя имеет внешний диаметр 1 мм и длину 2 мм. Диаметр отверстия под ротор составляет примерно половину внешнего диаметра статора. Сопротивление одновитковых обмоток по постоянному току составляет при этом не более 0,1 Ом. Разрушение обмоток имеет место при токе в 5,5 А (250 А/мм2). В номинальном режиме (без заметного нагрева) амплитуда питающего переменного тока в обмотках не превышала 1,5 А. Минимальный рабочий зазор между статором и ротором составляет 10 мкм. При этом расчетный момент на валу ротора составлял 10-4 Н×мм (0,01 гс×мм). Общий вид микродвигателя представлен на рис. 5.
Втулки подшипников скольжения вала ротора также были изготовлены по СВТ. Созданные нами микродвигатели уверенно работали с частотой вращения до 3000 об/мин при наличии подшипников и до 30 000 об/мин без них.
Характерная скорость процессов вытягивания стекла составляет до 0,5 м/мин, что позволяет использовать предложенный метод для массового производства микрокомпонентов.
|
|
|
| Рис. 5 |
Рис. 6 |
Рассмотренная в работе технология, как и традиционная планарная, может быть отнесена к групповой технологии. Действительно, если в современной микроэлектронной технологии однотипные изделия изготовляются одновременно в рамках одной пластины, то в СВТ – в составе одного пучка. При этом число изделий в сечении пучка, при необходимости разнотипных, может быть достаточно большим. Рис. 6 демонстрирует вариант одновременного изготовления семи заготовок статора микродвигателя с диаметром каждого около 160 мкм. Таким образом, СВТ является дважды групповой.
Заключение
Таким образом, разработан и реализован новый метод создания сложных высокоанизотропных микро- и наноструктур из стекла и других аморфных материалов.
Исходя из продемонстрированных в настоящей работе результатов, можно в общих чертах описать наиболее очевидные области применения разработанной нами технологии:
1. Микромеханические и электрические компоненты и устройства:
· микродвигатели, микроконсоли, микромаховики, микротурбины, шнеки;
· микроэлектронные компоненты (емкости, инду-тивности);
· компоненты вакуумной электроники (автоэлектронные эмиттеры, триоды, матрицы и т.д.);
· микродетали, в том числе с винтообразной поверхностью.
2. Оптические микрокомпоненты:
· цилиндрические и конические трубки прецизионной точност×и для устройств микрооптики, в том числе и рентгеновской;
· дифракционные решетки с субмикронным шагом на внешней или внутренней поверхности детали;
· мультиканальные эластичные кабели для транспортировки вакуумного ультрафиолетового и мягкого рентгеновского излучений.
Близкие по анизотропии структуры получаются при создании пористых наноструктур, например пористого кремния [6] или анодированного алюминия [7]. Однако эти структуры являются спонтанными, т.е. не вполне регулярными, кроме того, они имеют одну и ту же форму (как правило, в виде круглых отверстий) и не вполне однородны по глубине. Поэтому дальнейшее развитие СВТ может иметь большое значение как для развития фундаментальных исследований, так и для практических целей.
Список литературы
1. Ehrfeld W., Lehr H. Radiat. Phys. Chem., 1995, v. 45, n. 4. P. 349-365.
2. Белоглазой В.И., Суховеев
С.П. Патент РФ. № 2085523, 1995.
3. Jansen К. US Patent'. N 5173097. 1992.
4. Soukhoveev S.P., Stepanov V.V., Beloglazov
V.I., Skibina N.B., Stcherbakov A.V., Suetin N.V. Int. Workshop on Micro Robots,
Micro Machines, and Systems. Moscow, Russia. 24-25 November 1999. p. 185.
5. Tonucci R.J., Justus B.L., Campillo
A.J., Ford C.E. Nanochannel Array Glass // Science, 1992, v. 258. P. 783-785.
6. Lehman V., Griming U. The limits of
macropore array fabrication //Thin Solid Films, 1997, v. 297. P. 13-17.
7. Thompson G.E. Porous anodic alumina:
fabrication, characterization and applications//Thin Solid Films, 1997, v. 297.
P. 192-201.