Migration of Chromium on the Silicon Oxide Surface under the Strong Electric Field

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Migration of chromium, which acts as an adhesive material for planar electrodes of a MEMS switch, over the surface of a thermally oxidized silicon wafer is demonstrated. Voltage pulses lead to the formation of chromium and carbon nanostructures on the driving electrode and their growth towards the signal electrode. Over time, the structures reach micron sizes and cover the interelectrode gap. Migration is activated by an electric field of about 108 V/m. The first structures appear after applying 102–105 pulses, but the process accelerates as they grow. For platinum electrodes, migration is faster and requires lower voltage compared to gold electrodes. Material transfer occurs not only in the gap between the electrodes, but also on the SiO2 surface around the positive electrode. The material also moves under the Pt and Au films, peeling them off from the substrate. The described phenomena can damage electrostatically actuated MEMS switches and other devices that use high electric fields.

Full Text

Restricted Access

About the authors

I. V. Uvarov

Yaroslavl Branch of the Valiev Institute of Physics and Technology of the RAS

Author for correspondence.
Email: i.v.uvarov@bk.ru
Russian Federation, Yaroslavl, 150067

L. A. Mazaletsky

Yaroslavl Branch of the Valiev Institute of Physics and Technology of the RAS

Email: i.v.uvarov@bk.ru
Russian Federation, Yaroslavl, 150067

References

  1. Rebeiz G.M. RF MEMS: Theory, Design, and Technology. Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons, Inc., 2003. 512 p.
  2. Cao T., Hu T., Zhao Y. // Micromachines. 2020. V. 11. Р. 694. doi: 10.3390/mi11070694
  3. Kurmendra, Kumar R. // Microsyst. Technol. 2021. V. 27. P. 2525. doi: 10.1007/s00542-020-05025-y
  4. Rebeiz G.M., Patel C.D., Han S.K., Ko C.-H., Ho K.M.J. // IEEE Microw. Mag. 2013. V. 14. P. 57. doi: 10.1109/MMM.2012.2226540
  5. Patel C.D., Rebeiz G.M. // IEEE Trans. Microw. Theory Techn. 2011. V. 59. P. 1230. doi: 10.1109/TMTT.2010.2097693
  6. Klein N., Gafni H. // IEEE Trans. Electron Dev. 1966. V. ED-13. P. 281. doi: 10.1109/T-ED.1966.15681
  7. Sze S.M. // J. Appl. Phys. 1967. V. 38. P. 2951. doi: 10.1063/1.1710030
  8. He M., Lu T.-M. Metal-Dielectric Interfaces in Gigascale Electronics. New York, NY: Springer Science+Business Media, LLC, 2012. 149 p.
  9. Uvarov I.V., Kupriyanov A.N. // Russ. Microelectron. 2018. V. 47. P. 307. doi: 10.1134/S1063739718050086
  10. Uvarov I.V. // Microelectron. Reliab. 2021. V. 125. Р. 114372. doi: 10.1016/j.microrel.2021.114372
  11. Lide D.R. CRC Handbook of Chemistry and Physics. Boca Raton: CRC Press/Taylor and Francis, 2009. 2760 p.
  12. Groudeva-Zotova S., Vitchev R.G., Blanpain B. // Surf. Interface Anal. 2000. V. 30. P. 544. doi: 10.1002/1096-9918(200008)30:1<544::AID-SIA814>3.0.CO;2-7
  13. Marechal N., Quesnel E., Pauleau Y. // J. Mater. Res. 1994. V. 9. P. 1820. doi: 10.1557/JMR.1994.1820
  14. McBrayer J.D., Swanson R.M., Sigmon T.W. // J. Electrochem. Soc. 1986. V. 133. P. 1242. doi: 10.1149/1.2108827
  15. Valov I., Waser R., Jameson J.R., Kozicki M.N. // Nanotechnology. 2011. V. 22. Р. 254003. doi: 10.1088/0957-4484/22/25/254003
  16. Tappertzhofen S., Mundelein H., Valov I., Waser R. // Nanoscale. 2012. V. 4. P. 3040. doi: 10.1039/C2NR30413A
  17. Tappertzhofen S., Menzel S., Valov I., Waser R. // Appl. Phys. Lett. 2011. V. 99. Р. 203103. doi: 10.1063/1.3662013
  18. Thermadam S.P., Bhagat S.K., Alford T.L., Sakaguchi Y., Kozicki M.N., Mitkova M. // Thin Solid Films. 2010. V. 518. P. 3293. doi: 10.1016/j.tsf.2009.09.021
  19. Yao J., Zhong L., Zhang Z., He T., Jin Z., Wheeler P.J., Natelson D., Tour J.M. // Small. 2009. V. 5. P. 2910. doi: 10.1002/smll.200901100
  20. Uvarov I.V., Kupriyanov A.N. // Microsyst. Technol. 2019. V. 25. P. 3243. doi: 10.1007/s00542-018-4188-4
  21. Jiang N., Silcox J. // J. Appl. Phys. 2000. V. 87. P. 3768. doi: 10.1063/1.372412
  22. Zhang X., Adelegan O.J., Yamaner F.Y., Oralkan O. // J. Microelectromech. Syst. 2018. V. 27. P. 190. doi: 10.1109/JMEMS.2017.2781255
  23. Shekhar S., Vinoy K.J., Ananthasuresh G.K. // J. Micromech. Microeng. 2018. V. 28. Р. 075012. doi: 10.1088/1361-6439/aaba3e
  24. Liu Y., Bey Y., Liu X. // IEEE Trans. Microw. Theory Techn. 2016. V. 64. P. 3151. doi: 10.1109/TMTT.2016.2598170
  25. Song Y.-H., Kim M.-W., Lee J.O., Ko S.D., Yoon J.B. // J. Microelectromech. Syst. 2013. V. 22. P. 846. doi: 10.1109/JMEMS.2013.2248125
  26. Song Y.-H., Han C.-H., Kim M.-W., Lee J.O., Yoon J.-B. // J. Microelectromech. Syst. 2012. V. 21. P. 1209. doi: 10.1109/JMEMS.2012.2198046

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Schematic representation of the switch electrodes.

Download (96KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. SEM images of platinum (a) and gold (b) electrodes obtained at an angle of 20° to the substrate plane.

Download (712KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Structures in the gap between platinum electrodes formed as a result of 104 pulses, top view. White dots indicate the areas of energy dispersive analysis.

Download (381KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Large structures formed between platinum electrodes as a result of 2 × 104 pulses. The SEM image was obtained at an angle of 20° to the substrate plane.

Download (346KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. General view of the connecting line of the control electrode after 104 pulses (a). Magnified SEM image of the surface area highlighted by a rectangle (b). Dots indicate areas of energy dispersive analysis.

Download (823KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Time dependence of the control voltage and current flowing through the platinum electrodes.

Download (100KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».