Спросить
Войти
ISSN 1560-3644 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
TECHNICAL SCIENCE. 2020. No 2
УДК 539.23 DOI: 10.17213/1560-3644-2020-2-79-83
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДА ХИМИЧЕСКОГО СРАЩИВАНИЯ ПЛАСТИН ИЗ КВАРЦЕВОГО СТЕКЛА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ДАТЧИКОВ РАЗЛИЧНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
© 2020 г. Л.А. Жикина12, А.А. Кетов2, Е.А. Яценко3, В.А. Смолий3, А.А. Чумаков3
APPLICATION OF THE CHEMICAL BONDING METHOD OF FUSED SILICA SUBSTRATES FOR MANUFACTURING SENSOR SENSITIVE
ELEMENT VARIOUS PURPOSES
L.A. Zhikina12, A.A. Ketov2, E.A. Yatsenko3, V.A. Smoliy3, A.A. Chumakov3
Жикина Людмила Алексеевна - инженер-технолог лаборатории, ПАО «Пермская научно-производственная приборостроительная компания», аспирант, Пермский национальный исследовательский политехнический университет, г. Пермь, Россия. E-mail: lusyzh@gmail.com
Кетов Александр Анатольевич - д-р техн. наук, профессор, кафедра «Охрана окружающей среды», Пермский национальный исследовательский политехнический университет, г. Пермь, Россия. E-mail: alexander_ketov@mail.ru
Яценко Елена Альфредовна - д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой «Общая химия и технология силикатов», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. E-mail: e_yatsenko@mail.ru
Смолий Виктория Александровна - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Общая химия и технология силикатов», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. E-mail: vikk-toria@yandex.ru
Чумаков Андрей Алексеевич - аспирант, Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. E-mail: achumakov1995@mail.ru
Zhikina Lyudmila A. - engineer of laboratory, PJSC «Perm Scientific Industrial Instrument-Making Company», postgraduate student, Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russia. E-mail: lusyzh@gmail.com
Ketov Alexandr A. - Doctor of Technical Sciences, Professor, Department «Environmental Protection», Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russia. E-mail: alexander_ketov@mail.ru
Yatsenko Elena A. - Doctor of Technical Sciences, Professor, Head Department «General Chemistry and Technology of Silicates», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. E-mail: e_yatsenko@mail.ru
Smoliy Viktoriya A. - Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor, Department «General Chemistry and Technology of Silicates», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia.
Chumakov Andrey A. - Graduate Student, Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. E-mail: achumakov1995@mail.ru
ISSN 1560-3644 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2020. No 2
Кварцевое стекло обладает рядом преимуществ по сравнению с другими материалами, что позволяет использовать его в качестве базового материала для изготовления датчиков различного назначения. Известно, что раствор SOG (spin on glass) широко применяется для получения тонких пленок на разного рода материалах. Существует и нетривиальное применение этих растворов - соединение пластин из кремния. В данной работе в качестве аналога SOG использовали раствор состава: тетра-этилортосиликат, деионизованная вода, изопропиловый спирт, как растворитель, и соляная кислота, как катализатор. Полученные однослойные пленки после соединения пластин из кварцевого стекла подвергали термической обработке при 1000 °C для повышения плотности слоя диоксида кремния. Методом электронной сканирующей микроскопии исследована внутренняя структура стеклообразного слоя. Было отмечено отсутствие видимых пор. Полученный слой диоксида кремния был оптически прозрачен, не зафиксировано наличие трещин и отслоений от подложки. Выполнены испытания на отрыв и расслаивание с помощью клина, результаты которых позволяют оценить прочность и характер разрушения пластин в области соединения. Испытания на отрыв показали, что приложенное усилие для разделения двух пластин по слою диоксида кремния, который нанесен на площадь 2,59 мм2 составляет 287,5 г, что не является окончательным пределом прочности. Исследование характера разрушения соединения стеклянных пластин методом расслаивания, свидетельствует о том, что прочность соединения двух пластин методом золь-гель близка к когезионной прочности кварцевого стекла.
Fused silica has several advantages over other materials, which allows it to be used as a base material for the manufacture of sensors for various purposes. It is known that SOG solution is widely used to obtain thin films on the surface of various materials. There is a non-typical use of these solutions - for bonding silicon wafers. In this work, a solution of the composition: tetraethylorthosilicate, deionized water, isopropyl alcohol as a solvent, and hydrochloric acid as a catalyst was used as an prototype of SOG. The obtained single-layer films after bonding of fused silica piece were subjected to heat treatment at 1000 °C to increase the density of the silicon dioxide layer. Using the method of electron scanning microscopy, the internal structure of the glassy layer was studied. The absence of visible pores was noted. The resulting monolayer of silicon dioxide was optically transparent, and there were no cracks or delamination from the substrate. Tearing and delamination tests with a wedge were carried out, the results of which allow us to evaluate the strength and nature of the destruction of the plates in the joint area. The results ofpeeling tests showed that the applied force to separate two fused silica piece along a layer of silicon dioxide, which is deposited on an area of 2,59 mm2, it is 287,5 g. A study of the kind of the destruction of the bonding of fused silica piece by the delamination method indicates that the bond strength of two piece by the sol-gel is close to the cohesive strength offused silica.
Введение
Благодаря своим уникальным свойствам: оптической прозрачности, термостойкости, высокой прочности и упругости - стекло широко используется для изготовления чувствительных элементов датчиков ускорения, давления, механических резонаторов и микроаналитических устройств [1]. Кроме того, элементы из кварцевого стекла устойчивы к радиационному воздействию, что расширяет область их применения.
В наиболее простом случае чувствительный элемент представляет конструкцию из двух герметично соединенных пластин: в одной сформированы микроструктуры, вторая пластина является защитной и позволяет сформировать функциональные элементы, изолированные от окружающей среды. Среди методов и способов герметичного соединения пластин можно выделить «золь-гель сращивание» при помощи плёнкообразующих растворов для получения «spin-on-glass» (SOG) плёнок, например Accuglass® от Honeywell [2].
Известно, что современный SOG - это раствор, состоящий из компонентов: бутанола-1, тетраэтоксисилана, пропиленгликоля, трисме-тилсилилфосфата и раствора азотной кислоты [3]. В настоящее время этот раствор используют для планаризации подложек [4]. Однако японский ученый Yamada [5] предложил и другое применение SOG-раствора - для соединения вейферов кремния. Соединение пластин производят в температурном диапазоне от 400 до 600 °C на воздухе. К недостаткам данного метода сращивания можно отнести выделение продуктов реакции и остатков растворителя в закрытую полость в процессе проведения соединения пластин, растрескивание образцов при сильном прижимном давлении [2]. К преимуществам можно отнести низкую стоимость, а также
ISSN 1560-3644 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
TECHNICAL SCIENCE. 2020. No 2
возможность получения высокочистых нанораз-мерных конечных продуктов, которые позволяют формировать монолитные пленки.
В данной работе продемонстрирована возможность соединения пластин золь-гель методом, а также исследованы свойства полученных стеклообразных слоев.
Методика эксперимента
Для получения пленочных структур применялся раствор, состоящий из источника диоксида кремния, получаемый в результате гидролиза тетраэтилортосиликата при взаимодействии с деионизованной водой марки А с поддержанием известного соотношения воды к ТЭОС [6]. В качестве гомогенизирующего агента использовался стандартный органический растворитель -изопропиловый спирт. В роли катализатора применяли концентрированную соляную кислоту. Все компоненты раствора имели квалификации «ос.ч». Свежеприготовленный раствор выдерживали при температуре - 4 °C для созревания в течение нескольких недель. Полученный раствор наносили на соединяемую поверхность, после чего пластины приводили в контакт. После производили предварительную сушку при 100 °C на воздухе для удаления остаточной воды и органических растворителей, а затем подвергали термической обработке при 1000 °C для уплотнения структуры слоя диоксида кремния. Площадь склеивания между пластинами составляет 2,59 мм2.
В качестве пластин использовали полированные кварцевые стекла марки КУ-1.
Следует отметить, что для обеспечения высокого качества соединения пластин необходимо удалить с поверхности органические загрязнения и пылевидные частицы. Для этого пластины предварительно очищали в изопропи-ловом спирте с последующей ультразвуковой обработкой в перекисно-аммиачном растворе. После очистки пластины были промыты деиони-зованной водой и высушены сжатым воздухом.
Шероховатость и форма поверхности пластин измерялись на оптическом профилометре Zygo New View 7300.
Изучение структуры поперечного среза пленки проводили с помощью сканирующего электронного микроскопа MIRA3 Tescan.
Для оценки прочности и характера разрушения области соединения пластин проводились испытания на отрыв и расслаивание с помощью клина.
При изготовлении образцов для испытаний на отрыв применялся акриловый высокопрочный клей ультрафиолетового отверждения «Квант-401», с помощью которого к поверхности стекла приклеивали металлический субстрат с тонкой медной проволокой. Площадь склеивания между пластинами и субстратом равна 2,59 мм2. Затем медную проволоку соединяли с граммометром, с помощью которого подводилось некоторое усилие, направленное по нормали к поверхности стеклянных пластин. Схема установки проверки прочности соединения на отрыв представлена на рис. 1. Отметим, что усилие, которое измеряется в данном случае в граммах, не всегда является реальным пределом прочности.
Рис. 1. Схема установки проверки прочности соединения, где: зона А - область сращивания методом золь-гель; зона В - область склеивания / Fig. 1. Scheme of the equipment for strength testing of juncture, where: zone A is the area
of sol-gel splicing; zone B is the area of bonding
В процессе испытаний на расслаивание клин устанавливался в зазор, который был сформирован между пластинами. После приложения нагрузки происходит углубление клина вдоль области соединения пластин.
Результаты обсуждения
Наиболее прочное соединение кварцевых пластин методом сращивания достигается при минимальных величинах плоскостности и шероховатости соединяемых поверхностей. Характерная профилограмма поверхности пластин приведена на рис. 2. Значения параметров шероховатости, рассчитанные на основе профило-грамм, лежат в пределах нескольких нанометров.
В результате проведенных исследований было установлено, что отклонение от величины плоскостности поверхности соединяемых пластин находится в диапазоне от 5 до 62 нм.
ISSN 1560-3644 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
Рис. 2. Профилограмма поверхности исходных пластин из кварцевого стекла / Fig. 2. Profilogram of the surface of the initial silica glass plates
С помощью метода золь-гель возможно получить пленку с системой пор различного типа: мезопор (размером от 2 до 50 нм) и макропор (размером < 50 нм) [7]. Для повышения плотности пленки была проведена термообработка при повышенной температуре (1000 °С). Полученный слой диоксида кремния был оптически прозрачен, не растрескивался и не отслаивался от стеклянной подложки. Для проведения исследования методом электронной сканирующей микроскопии образец разламывали. Наблюдаемая микроструктура слоя диоксида кремния приведена на рис. 3.
Рис. 3. Микроизображение структуры пленки диоксида кремния, после термообработки при 1000 °С / Fig. 3. Microimage of the structure of the silica film, after heat treatment at 1000 °С
На рис. 3 видно, что сформирована сплошная пленка без пор. Таким образом, был получен монолитный тонкий слой диоксида кремния толщиной до 3,5 мкм, который обеспечит герметичное соединение пластин из стекла.
Далее были проведены испытания на прочность пленки, соединяющей две стеклянные подложки. На первом этапе проводилось определение величины силы (усилие на отрыв), удерживающей две стеклянные пластинки. Среднее
TECHNICAL SCIENCE. 2020. No 2
значение прочности соединения на отрыв после ряда измерений составило 287,5 г. При этом происходило разрушение только клеевого соединения в зоне A (в соответствии с рис. 1). Наблюдалось отсутствие всякого рода трещин и отслоений в области соединения пластин (зона В). Анализ полученных данных показал, что усилие, которое необходимо приложить для разделения двух пластин по слою диоксида кремния, полученному методом золь-гель, существенно больше, чем может обеспечить клеевое соединение.
На втором этапе было выполнено исследование характера разрушения соединения стеклянных пластин методом расслаивания. Все испытанные образцы показали, что разрушение соединения происходит по самой подложке (рис. 4), т.е. разрушение имеет когезионный характер, но не по слою диоксида кремния, полученному методом золь-гель, а по подложке.
Рис. 4. Изображение разрушенного образца после испытаний на расслаивание с помощью клина / Fig. 4. Image of a destroyed sample after a wedge delamination test
Наблюдаемый эффект может быть связан с относительно низкой прочностью связей в приповерхностном слое подложки, из-за наличия поверхностного нарушенного слоя, который играет роль концентратора напряжений, в результате чего снижает механическую прочность образца [8].
Выводы
ISSN 1560-3644 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2020. No 2
двух пластин по слою диоксида кремния, полученному методом золь-гель, существенно больше, чем может обеспечить клеевое соединение.
прочности кварцевого стекла.
References
Поступила в редакцию /Received 10 апреля 2020 г. /April 10, 2020
