Введение к работе
Актуальность темы. Микроструктуры с регулярным поверхностным микрорельефом, т.е. с регулярно расположенными на поверхности выступами или углублениями правильной геометрической формы разрабатываются главным образом для регулирования смачивания твердой поверхности полярными жидкостями, в первую очередь водой и водными растворами, движения капли жидкости по поверхности или течения жидкости в контакте с твердой поверхностью, а также для обеспечения их повышенной адгезии к твердым поверхностям, в частности, эффекта «сухой» адгезии. Микроструктуры с регулярно расположенными сквозными отверстиями заданной формы и размеров (регулярные пористые мембраны) предназначены в основном для регулируемого разделения и очистки от примесей (фильтрации) жидких и газовых смесей и для уменьшения эффекта демпфирования при колебаниях мембран. Такие микроструктуры входят в состав элементов микросистемной техники: микрожидкостных устройств для исследования поведения и реакций микроколичеств жидкостей, покрытий с регулируемыми оптическими, гидро- и аэродинамическими свойствами, микроробототехнических устройств, современных миниатюрных химических источников тока, микроакселерометров и микрогироскопов для систем космической навигации, микродвигателей для ориентации космических аппаратов.
Регулярные поверхностные и пористые микроструктуры получают обычно с использованием технологий объемной и поверхностной микрообработки, применяемых в производстве элементов микро- и наносистемнои техники и включающих «сухое» (плазменное) травление. Регулярные микроструктуры изготавливают главным образом из моно- и поликристаллического кремния, его производных и модификаций, других неорганических материалов (металлов, оксидов, стекол), а также органических полимерных материалов - термопластичных полимеров, сополимеров и смесей полимеров, термореактивных и других полимеробразующих композиций. К наиболее широко используемым в технологии поверхностной микрообработки и эффективным полимерным материалам относятся полиимиды, обладающие наиболее высокой среди органических материалов термо- и теплостойкостью в сочетании с высокой химической стойкостью, простотой получения из них микро- и нанотолщинных слоев, покрытий и пленок с регулируемыми поверхностными свойствами, а также сравнительно высокой скоростью плазменного травления.
В литературе имеются данные о формировании регулярных поверхностных и пористых полиимидных микроструктур с использованием различных методов литографии и плазменного травления, в том числе наиболее эффективного для полиимида реактивного ионного травления в индуктивно-связанной высокоплотной плазме. Однако отсутствуют сведения о режимах травления, обеспечивающих заданную скорость формирования выступов, углублений и сквозных пор, но исключающих боковое подтравливание материала под маску, затрудняющее получение вертикальных стенок. Количество литературных дан-
ных о свойствах формируемых полиимидных микроструктур, имеющих важнейшее значение с точки зрения их практического применения, незначительно. Таким образом, сочетание широких возможностей практического применения регулярных полиимидных поверхностных и пористых микроструктур, необходимости разработки оптимальных режимов их формирования и важности проведения систематических исследований их свойств обусловливает актуальность тематики работы.
Цель работы заключалась в разработке и оптимизации режимов прецизионного формирования микрототолщинных полиимидных покрытий и пленок (мембран) с регулярным поверхностным микрорельефом и пористостью (регулярных поверхностных и пористых микроструктур) и проведении систематических исследований физико-химических и физико-механических свойств таких структур, определяющих их эксплуатационные качества и эффективность использования в элементах микросистемной техники.
Для достижения поставленной цели в работе необходимо было решить следующие задачи:
исследовать влияние величины напряжения самосмещения подложко-держателя и давления в реакторе на кинетику и анизотропию реактивного ионного травления полиимида с использованием высокоплотной индуктивно-связанной кислородно-аргоновой плазмы;
оптимизировать режим травления и получить образцы регулярных поверхностных и пористых микроструктур с заданным и воспроизводимым микрорельефом и вертикальным профилем травления на основе микротолщинных полиимидных покрытий на кремниевой подложке и свободных пленок (мембран);
использовать выявленные закономерности и опыт реактивного ионного травления полиимида для получения регулярных микроструктур при разработке ряда операций в технологических процессах изготовления чувствительных элементов туннельного и мембранного микроакселерометров;
исследовать форму капли воды на регулярных поверхностных полиимидных микроструктурах с различной поверхностной энергией и геометрическими параметрами заданного микрорельефа в зависимости от направления относительно его осей симметрии для оценки анизометрии формы капли, анизотропии и гистерезиса измеряемого (эффективного) краевого угла смачивания;
разработать методики и провести исследования локальной и интегральной «сухой» адгезии полиимида к твердым поверхностям;
экспериментально исследовать и теоретически оценить влияние геометрических параметров регулярно расположенных микропор правильной формы (их размеров и расстояния между ними) на деформационно-прочностные свойства тонких полиимидных микропористых мембран.
Научная новизна.
Впервые установлен и количественно оценен эффект возрастания скорости и степени анизотропии реактивного ионного травления слоя полиимида через металлическую маску в кислородно-аргоновой индуктивно-связанной вы-
сокоплотной плазме при увеличении модуля отрицательного напряжения самосмещения подложкодержателя и при уменьшении рабочего давления в реакторе при постоянном расходе газов. При увеличении модуля напряжения самосмещения выше 50 В степень анизотропии травления возрастает вне зависимости от рабочего давления, достигая при 160 В предельного значения. При уменьшении рабочего давления в реакторе на десятичный порядок (при любом напряжении самосмещения) скорость травления увеличивается в 2 -^ 3 раза. Оптимальное сочетание высокой скорости травления полиимида (~3 мкм/мин) и степени анизотропии травления (-0,9) достигается при давлении 0,15 Па и напряжении самосмещения -160 В.
Выявлено влияние геометрических параметров заданного микрорельефа (выступов и впадин квадратного сечения, распределенных по принципу квадратной решетки) регулярных поверхностных полиимидных микроструктур и поверхностной энергии полиимида на анизометрию формы капель воды на них и анизотропию краевых углов смачивания их водой. Установлено, что решающую роль при этом играет метастабильное состояние капли на микрорельефной поверхности, определяемое механизмом и кинетикой локальных (микроскопических) процессов, протекающих в зоне контакта капли с элементами рельефа, движущей силой которых является стремление к минимизации свободной поверхностной энергии.
Установлено, что локальная адгезия полиимида к твердым поверхностям по порядку величины близка к теоретически ожидаемой, а интегральная - значительно меньше ее. Более низкие значения интегральной «сухой» адгезии исследованных поверхностных микроструктур по сравнению с непрофилирован-ными полиимидными поверхностями обусловлены малой площадью контакта этих структур с твердой подложкой при заданном микромасштабе их рельефа.
Показано, что эффективные значения предельного разрывного напряжения, условного предела текучести и модуля упругости регулярных микропористых мембран уменьшаются с возрастанием поперечного размера микропор при постоянном расстоянии между ними и растут с увеличением расстояния между микропорами при неизменных значениях их поперечного размера. Разработана модель нагружаемой элементарной ячейки микропористой мембраны и проведены расчеты вышеуказанных физико-механических характеристик по полуэмпирическим формулам, выведенным с ее использованием. Показана четкая корреляция между расчетными и экспериментально полученными данными.
Практическая значимость.
Получены образцы регулярных поверхностных и пористых микроструктур на основе микротолщинных полиимидных слоев на кремниевой подложке и свободных пленок (мембран) с заданными и воспроизводимыми геометрическими параметрами и поверхностной энергией. Разработан ряд операций в технологии формирования компонентов туннельного и мембранного микроакселерометров. Разработаны и опробованы имеющие важное практическое значение установки и методики для оценки анизометрии формы капли, анизотропии и гистерезиса угла смачивания жидкостями микрорельефных поверхностей, ло-
кальной и интегральной «сухой» адгезии полимеров и их тонких пленок к твердым поверхностям различной природы, а также деформационно-прочностных свойств тонких полимерных пленок и мембран.
Практическая значимость результатов работы подтверждена заключениями об их использовании ФГУП «НИФХИ им. Л. Я. Карпова», ФГУП «ЦНИИХМ» и МАТИ.
Апробация работы. Материалы работы изложены на Международных молодежных научных конференциях МАТИ «Гагаринские чтения» (2006 г., 2007 г., 2008 г., Москва), Всероссийских научно-технических конференциях «Новые материалы и технологии» (2006 г., 2010 г., Москва), V Научно-практической конференции «Микротехнологии в авиации и космонавтике» (2007 г., Москва), Всероссийской конференции по физической химии и нано-технологиям «НИФХИ-90» (2008 г., Москва), V международной научно-технической школе-конференции «Молодые ученые - 2008» (2008 г., Москва), Первой международной научной конференции «Наноструктурные материалы -2008: Беларусь - Россия - Украина» (НАНО-2008) (2008 г., Минск), Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий» (2009 г., Москва).
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 15 работ, в том числе в ведущих рецензируемых научных журналах, определенных Высшей аттестационной комиссией - 4, получен 1 патент на изобретение. Список основных работ приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов и приложения. Работа изложена на 148 станицах, содержит 48 рисунков, 8 таблиц и список используемых источников, содержащий 155 наименований.
