严重欠阻尼边缘场静电MEMS执行器中用于改善开关时间的实时直流动态偏置方法

摘要

边缘场静电微机电系统执行器的坚固器件设计在使用传统阶跃偏置进行开关操作时，会导致固有的低挤压膜阻尼条件和较长的稳定时间。采用直流动态波形实现实时开关时间优化，可缩短边缘场微机电系统执行器在从上至下和从下至上状态切换过程中的稳定时间。

摘要

机械欠阻尼的静电 fringe场MEMS执行器以其在单位阶跃输入偏置电压下的快速开关操作而著称。然而，开关性能提升的代价是，在响应不同施加电压时，达到各间隙高度所需的稳定时间相对较长。为实现具有高机械品质因数的静电 fringe场MEMS执行器的开关时间缩短，通常采用瞬态施加的偏置波形。通过去除 fringe场执行器下方的衬底，可形成实现该概念所需的低机械阻尼环境。去除衬底同时在提高器件抗粘连失效的可靠性方面具有显著改善。尽管动态直流偏置有助于缩短稳定时间，但对于典型的MEMS器件而言，所需的压摆率可能对完全集成的片上设计中的电荷泵提出严苛要求。此外，将衬底去除步骤集成到后端商用CMOS工艺流程中可能存在技术挑战。对已制备执行器的实验验证表明，与传统阶跃偏置结果相比，开关时间改善了50倍。实验结果与理论计算结果吻合良好。

引言

微机电系统（MEMS）利用多种驱动机制实现机械位移。其中最常用的包括热驱动、压电驱动、磁静电驱动和静电驱动。对于需要短切换时间的应用，静电驱动是最常用的技术^1,2。在实际应用中，临界阻尼的机械设计在初始上升时间和稳定时间之间提供了最佳折中。当施加直流偏压并驱动薄膜向下运动至下拉电极时，由于薄膜会迅速下落并粘附在涂有介质层的驱动电极上，稳定时间通常不是主要问题。前述的静电驱动设计已在多个应用中取得成功^3-8。然而，带有介质涂层的下拉电极的存在使驱动器容易受到介质充电和粘连现象的影响。

MEMS 膜可采用欠阻尼机械设计，以实现快速的初始上升时间。一种欠阻尼机械设计的实例是静电边缘场驱动（EFFA）MEMS。这种结构对困扰静电驱动设计的典型失效机制表现出显著更低的敏感性^9-20。由于不存在平行对电极，因而也不存在平行电场，因此这类 MEMS 被恰当地称为“边缘场”驱动（图1）。在 EFFA 设计中，下拉电极被分为两个独立电极，侧向偏移地布置在可动膜的两侧，从而完全消除了器件可动部分与固定部分之间的重叠。然而，移除可动膜下方的衬底会显著降低挤压膜阻尼分量，从而延长稳定时间。图2B 展示了在标准阶跃偏压作用下稳定时间的一个示例。实时施加瞬态或直流动态偏压可用....

方案

1. EFFA MEMS 固支梁的制备（制备流程概要见图3）

1. 采用紫外光刻法及使用缓冲氢氟酸对二氧化硅进行化学湿法刻蚀（注意²⁷）。
   1. 使用已氧化的低电阻率硅基底。
   2. 在玻璃烧杯中加入丙酮²⁸（足以浸没样品），将样品放入丙酮烧杯中，在水浴超声仪中超声处理5分钟。
   3. 不进行干燥，直接将样品从丙酮烧杯转移至装有异丙醇²⁹的烧杯中，并在水浴超声仪中超声处理5分钟。
   4. 用氮气吹干样品（不得让异丙醇在表面自然挥发）。
   5. 将样品置于设定为150 °C的热板上进行干燥（脱水烘烤）10分钟。脱水烘烤完成后，使样品冷却至室温。
   6. 将样品放置于光刻胶旋涂仪的卡盘上。每25 mm直径加入1 ml 六甲基二硅氮烷（HMDS）（注意³⁰），以3,500 rpm转速旋涂30秒。每25 mm直径加入1 ml 正性光刻胶（注意³¹），以3,500 rpm转速旋涂30秒。在热板上以105 °C对光刻胶进行软烘90秒。
   7. 使用掩模对准仪，以波长为350-450 nm的紫外光照射样品。曝光能量为391 mJ/cm² （注意³²）。
   8. 在玻璃烧杯中加入TMAH型显影液（注意³³

结果

该装置的设置在 图 4 用于捕捉MEMS桥结构的偏转-时间特性。通过使用激光多普勒测振仪的连续测量模式，可精确确定实现目标间隙高度下梁振荡最小所需的电压和时间参数。 图5 展示了对应于60 V间隙高度的一个示例光束偏转情况。可以看出，几乎所有的振荡都已被消除。动态波形不仅适用于单一的间隙高度，而且适用于所有可能的间隙高度。这一点在下文中得到验证。 图6 和 图7 分别用于拉下和释放操作。实现前述图中测量结果所使用的计算和实测动态波形如图所示。 图8 和 9分别。

讨论

低残余应力金膜沉积以及使用XeF₂进行干法释放，是器件成功制备的关键环节。与平行板电场驱动器相比，静电 fringe-field 驱动器提供的力相对较小。典型的MEMS薄膜应力若高于>60 MPa，将导致驱动电压过高，可能影响EFFA MEMS器件的可靠性。因此，本研究对电镀工艺进行了精细表征，以获得双轴平均应力较低的薄膜。此外，本研究选用硅作为牺牲层材料，因其在涉及热循环的工艺步骤中相较于光刻胶具有更小的膨胀与收缩。最后，采用XeF₂的干法释放步骤几乎可完全消除粘连现象，从而实现高产率的加工过程。

期望的梁间隙高度对应于对第一个阶跃偏压响应时的过冲间隙高度（图2B）²⁰。当梁达到过冲/期望间隙高度后，施加第二个阶跃偏压（图2C）以使梁保持在此位置。通过已知MEMS桥的机械品质因数（可测量或计算得到），可计算出过冲百分比以及达到过冲间隙高度所需的时间。这些参数用于确定输入电压的幅值和时序。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
化学品
缓冲氧化物刻蚀液	Mallinckrodt Baker	1178	二氧化硅刻蚀，钛刻蚀
丙酮	Mallinckrodt Baker	5356	晶圆清洗
异丙醇	Honeywell	BDH-140	晶圆清洗
六甲基二硅氮烷	Mallinckrodt Baker	5797	附着力促进剂
Microposit SC 1827 正性光刻胶	Shipley Europe Ltd	44090	图形化，电镀
Microposit MF-26A 显影液	Shipley Europe Ltd	31200	显影 SC 1827
四甲基氢氧化铵	Sigma-Aldrich	334901	体硅刻蚀
硫酸	Sciencelab.com	SLS2539	晶圆清洗
过氧化氢	Sciencelab.com	SLH1552	晶圆清洗
Transene 亚硫酸金 TSG-250	Transense	110-TSG-250	金电镀溶液
Baker PRS-3000 正性光刻胶剥离液	Mallinckrodt Baker	6403	光刻胶剥离剂
金刻蚀液 TFA 型	Transense	060-0015000	金刻蚀
设备
掩模对准器		Karl Suss MJB-3	光刻胶图形化
溅射镀膜仪		Perkin Elmer 2400 Sputterer	金属沉积
热氧化炉		Pyrogenic Oxidation Furnace	生长二氧化硅
反应离子刻蚀机		Plasmatech RIE	等离子去胶
二氟化氙干法刻蚀机		Xactix Xenon Difluoride Etcher	选择性各向同性硅干法刻蚀
表面轮廓仪		Alpha-Step IQ	台阶高度测量
探针环		Signatone	固定直流探针操纵器
直流操纵器		Signatone S-900 系列微定位器	对器件施加电势差
激光多普勒测振仪		Polytec OFV-551/MSA-500 微系统分析仪	开关时间测量
数字函数发生器		Agilent E4408B 函数发生器	生成直流动态波形
高压线性放大器		单通道高压线性放大器 A400	提供高压输出
数字示波器		Agilent DS05034A 数字示波器	验证动态波形参数