Name: 实时直流偏置的动态法切换时间改善严重欠阻尼边缘化场静电MEMS致动器 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2014-08-15T17:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 44 s
Description: 了解如何通过动态直流偏置波形显著改善严重欠阻尼静电边缘场MEMS致动器的切换时间。该方法结合选择性基底刻蚀与实时波形优化，有效减少稳定时间并提升器件性能。

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作者谨此感谢 Ryan Tung 提供的帮助以及富有成效的技术讨论。
作者还希望感谢比尔克纳米技术中心技术人员提供的协助与支持。本研究工作由美国国防高级研究计划局资助，项目为普渡大学微波可重构渐逝模腔滤波器研究。同时由微系统可靠性、完整性与生存能力预测中心（NNSA）及美国能源部在资助号 DE-FC5208NA28617 下提供支持。本文/报告中所包含的观点、意见和（或）研究成果均属于作者/报告人，不应被解释为代表美国国防高级研究计划局或美国国防部的官方观点或政策，无论是明示或暗示的。

1. EFFA MEMS 固支梁的制备（制备流程概要见图3）
<ol>
	<li>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）。
	<ol>
		<li>使用已氧化的低电阻率硅基底。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>用氮气吹干样品（不得让异丙醇在表面自然挥发）。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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&#160;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&#160;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。</li>
		<li>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）。</li>
		<li>在玻璃烧杯中加入TMAH型显影液（注意33），用量应足以完全浸没样品。</li>
		<li>在另一玻璃烧杯中加入去离子水，用于快速终止显影过程，防止过度显影。</li>
		<li>显影12-20秒，轻轻搅动浸没的样品。</li>
		<li>小心且迅速地将样品从显影烧杯中取出，并浸入清洗用水烧杯中10秒。</li>
		<li>在水槽中用流动的去离子水冲洗样品1-2分钟。</li>
		<li>用氮气小心吹干样品（不得让去离子水在表面自然挥发）。</li>
		<li>在显微镜下检查样品。</li>
		<li>如有必要，调整显影时间并重复显影步骤，以避免过度显影。</li>
		<li>使用等离子体反应离子刻蚀（RIE）对表面进行粗化，以改善表面润湿性。RIE参数34：Ar流量100 sccm，射频功率100 W，腔室压力50 mT，时间1分钟。</li>
		<li>在聚四氟乙烯烧杯中加入足量缓冲氧化物刻蚀液（BOE），以覆盖样品。</li>
		<li>在另一聚四氟乙烯烧杯中加入去离子水，用于样品的中间清洗。</li>
		<li>将样品浸入BOE中。刻蚀速率为90-100 nm/min。</li>
		<li>刻蚀完成后，在装有去离子水的聚四氟乙烯烧杯中清洗10秒，然后在水槽中用流动的去离子水冲洗1-2分钟。</li>
		<li>用氮气吹干样品（不得让去离子水在表面自然挥发）。</li>
		<li>在显微镜下检查样品。</li>
		<li>如有必要，调整刻蚀时间，重复刻蚀和清洗步骤，以避免过度刻蚀和光刻胶下部刻蚀。</li>
		<li>去除光刻胶掩模。</li>
		<li>在玻璃烧杯中加入丙酮（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。</li>
		<li>直接将样品从丙酮烧杯转移至装有异丙醇的烧杯中，在水浴超声仪中超声处理5分钟。</li>
		<li>用氮气吹干样品（不得让异丙醇在表面自然挥发）。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>使用质量分数为25%的四甲基氢氧化铵（TMAH）对硅进行化学湿法刻蚀（注意35）。
	<ol>
		<li>使用一个洁净的4 L烧杯。</li>
		<li>使用带热电偶的热板。使用带有手柄挂钩的聚四氟乙烯篮用于固定样品。使用磁力搅拌子以实现充分搅动，消除体刻蚀过程中释放的氢气泡对硅表面的遮蔽。 
		注：热电偶与热板之间的反馈控制可确保刻蚀过程中温度保持恒定。若不及时清除表面释放的氢气，可能遮蔽硅表面，阻碍TMAH与硅的接触。</li>
		<li>将质量分数为25%的TMAH倒入烧杯至2 L刻度线。</li>
		<li>将热电偶插入溶液中，并预热至80 °C。若可能，使用专用夹具或固定装置固定热电偶，防止其干扰磁力搅拌子的旋转。</li>
		<li>当溶液达到所需温度后，将样品放入聚四氟乙烯篮中，并将篮子悬挂在烧杯口部浸入溶液中。确保篮子不接触烧杯底部，以便磁力搅拌子正常旋转。</li>
		<li>将磁力搅拌子的转速设定为400 rpm。</li>
		<li>该溶液的刻蚀速率为300-350 nm/min。所需刻蚀深度为4-5 µm。</li>
		<li>当达到所需刻蚀时间后，将样品从溶液中取出，并用去离子水冲洗1-2分钟。</li>
		<li>用氮气吹干样品（不得让去离子水在表面自然挥发）。</li>
		<li>使用台阶仪测量台阶高度。</li>
		<li>若未达到所需台阶高度，将样品再次放入溶液中，直至达到目标台阶高度。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>从基底上完全去除所有SiO2，并热生长另一层500 nm的SiO2。
	<ol>
		<li>在聚四氟乙烯烧杯中加入体积分数为49%的氢氟酸（注意36），用量应足以覆盖样品。</li>
		<li>在聚四氟乙烯烧杯中加入去离子水用于清洗样品，用量应足以覆盖样品。</li>
		<li>用氢氟酸刻蚀样品，将样品留在溶液中直至所有SiO2被完全去除。由于溶液浓度较高，刻蚀过程较快。</li>
		<li>在装有去离子水的聚四氟乙烯烧杯中清洗10-20秒。</li>
		<li>在水槽中用流动的去离子水彻底冲洗样品1-2分钟。</li>
		<li>在聚四氟乙烯烧杯中按1:1比例混合H2SO4:H2O2（硫酸:过氧化氢，&#160;即“piranha”清洗液）（注意37），用量应足以覆盖样品。</li>
		<li>在聚四氟乙烯烧杯中加入去离子水用于清洗样品。</li>
		<li>将样品浸入H2SO4:H2O2溶液中7-10分钟。</li>
		<li>在清洗用水烧杯中短暂清洗10秒。</li>
		<li>在水槽中用流动的去离子水彻底冲洗样品1-2分钟。</li>
		<li>用氮气吹干样品（不得让水在表面自然挥发）。</li>
		<li>进行湿法热氧化，生长500 nm的SiO2。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>采用紫外光刻法及化学湿法刻蚀对SiO2进行图形化，以暴露硅层，该硅层将作为最终释放固定-固定梁的牺牲层。
	<ol>
		<li>在玻璃烧杯中加入丙酮（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。</li>
		<li>直接将样品从丙酮烧杯转移至装有异丙醇的烧杯中，在水浴超声仪中超声处理5分钟。</li>
		<li>用氮气吹干样品（不得让异丙醇在表面自然挥发）。</li>
		<li>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。</li>
		<li>使用光刻胶旋涂仪，以3,500 rpm转速旋涂HMDS 30秒。使用光刻胶旋涂仪，以3,500 rpm转速旋涂正性光刻胶30秒。在热板上以105 °C对光刻胶进行软烘90秒。 
		注：每25 mm样品直径使用1 ml&#160;。</li>
		<li>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。</li>
		<li>在玻璃烧杯中加入TMAH型显影液，用量应足以完全浸没样品。</li>
		<li>在玻璃烧杯中加入去离子水，用于快速终止显影，防止过度显影。</li>
		<li>显影12-20秒。</li>
		<li>小心且迅速地将样品从显影烧杯中取出，并浸入清洗用水烧杯中10秒。</li>
		<li>在水槽中用流动的去离子水冲洗样品1-2分钟。</li>
		<li>用氮气小心吹干样品（不得让水在表面自然挥发）。</li>
		<li>在显微镜下检查样品。</li>
		<li>如有必要，调整显影时间并重复显影步骤，以避免过度显影。</li>
		<li>使用等离子体RIE对表面进行粗化，以改善表面润湿性。RIE参数：Ar流量100 sccm，射频功率100 W，腔室压力50 mT，时间1分钟。</li>
		<li>在聚四氟乙烯烧杯中加入足量BOE，以覆盖样品。</li>
		<li>在聚四氟乙烯烧杯中加入去离子水，用于样品的中间清洗。</li>
		<li>将样品浸入BOE中。刻蚀速率为90-100 nm/min。</li>
		<li>刻蚀完成后，在装有去离子水的聚四氟乙烯烧杯中清洗10秒，然后在水槽中用流动的去离子水冲洗1-2分钟。</li>
		<li>用氮气吹干样品（不得让水在表面自然挥发）。</li>
		<li>在显微镜下检查样品。</li>
		<li>如有必要，调整刻蚀时间，重复刻蚀和清洗步骤，以避免过度刻蚀和光刻胶下部刻蚀。</li>
		<li>在玻璃烧杯中加入丙酮（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。</li>
		<li>直接将样品从丙酮烧杯转移至装有异丙醇的烧杯中，在水浴超声仪中超声处理5分钟。</li>
		<li>用氮气吹干样品（不得让异丙醇在表面自然挥发）。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>溅射沉积20 nm的Ti和100 nm的Au。该薄膜作为后续电镀工艺的电镀种子层。溅射参数为：直流功率100 W，沉积压力8 mT，Ar流量100 sccm，本底真空3 x 10-6 T。
	<ol>
		<li>将工艺腔室或负载锁释放至大气环境。</li>
		<li>将样品装入工艺腔室或负载锁中。</li>
		<li>将工艺腔室或负载锁抽真空。</li>
		<li>等待工艺腔室达到本底真空3 x 10-6 T。</li>
		<li>将样品定位至合适的沉积位置。</li>
		<li>通过向系统中通入氩气，将腔室压力设定为8 mT。所需精确流量高度依赖所用系统类型。本工作中使用的溅射设备流量为100 sccm。</li>
		<li>启动钛靶源。</li>
		<li>以300 W对钛进行预溅射20分钟。</li>
		<li>以100 W溅射20 nm的钛。具体沉积时间高度依赖所用系统类型。本工作中使用的溅射设备需5 min&#160;才能达到20 nm。</li>
		<li>关闭钛溅射靶源。</li>
		<li>启动金靶源。</li>
		<li>以100 W对金进行预溅射2分钟。</li>
		<li>以100 W溅射100 nm的金。具体沉积时间高度依赖所用溅射设备。本工作中使用的设备需10 min&#160;即可获得100 nm的金层。</li>
		<li>关闭金溅射靶源。</li>
		<li>关闭Ar气阀。</li>
		<li>将工艺腔室或负载锁释放至大气环境。</li>
		<li>待工艺腔室或负载锁恢复至大气环境后，取出样品。</li>
		<li>将负载锁或工艺腔室重新抽至高真空。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>采用紫外光刻法制作光刻胶模具，以定义固定-固定梁的几何结构。
	<ol>
		<li>在玻璃烧杯中加入丙酮（足以浸没样品），将样品放入丙酮烧杯中5分钟。</li>
		<li>直接将样品从丙酮烧杯转移至装有异丙醇的烧杯中5分钟。</li>
		<li>用氮气吹干样品（不得让异丙醇在表面自然挥发）。</li>
		<li>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。</li>
		<li>使用光刻胶旋涂仪，以3,500 rpm转速旋涂HMDS 30秒。使用光刻胶旋涂仪，以2,000 rpm转速旋涂正性光刻胶30秒。在热板上以105 °C对光刻胶进行软烘90秒。 
		注：每25 mm样品直径使用1 ml&#160;。</li>
		<li>使用掩模对准仪对准并以波长为350-450 nm的紫外光照射样品。曝光能量为483 mJ/cm2。</li>
		<li>在玻璃烧杯中加入TMAH型显影液，用量应足以完全浸没样品。</li>
		<li>在玻璃烧杯中加入去离子水，用于快速终止显影，防止过度显影。</li>
		<li>显影12-20秒。</li>
		<li>小心且迅速地将样品从显影烧杯中取出，并浸入清洗用水烧杯中10秒。</li>
		<li>在水槽中用流动的去离子水冲洗样品1-2分钟。</li>
		<li>用氮气吹干样品（不得让水在表面自然挥发）。</li>
		<li>在显微镜下检查样品。</li>
		<li>如有必要，调整显影时间并重复显影步骤，以避免过度显影。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>电镀金MEMS梁。
	<ol>
		<li>使用1 L玻璃烧杯。</li>
		<li>在烧杯中加入700 ml市售即用型金电镀液（注意38）。将装有溶液的烧杯置于热板上。</li>
		<li>将热板设定为60 °C。使用热电偶确保溶液保持在所需温度。当溶液达到目标温度后，将样品固定在夹具上，该夹具同时固定阳极、工件（样品）和热电偶。</li>
		<li>根据样品暴露的金属化面积，将电流源设定至适当电流。采用恒定电流密度2 mA/cm2。</li>
		<li>使用不锈钢阳极。</li>
		<li>将电源正极连接至阳极，负极连接至样品。</li>
		<li>沉积速率为250-300 nm/min。固定-固定梁的最终厚度为0.5 µm。考虑到电镀金与溅射金在去除溅射种子层时的刻蚀速率比约为4:1，因此将梁电镀至1 µm。</li>
		<li>当达到所需时间后，关闭电流源，断开阳极与工件的连接，取出样品，并在水槽中用流动的去离子水彻底冲洗1分钟。</li>
		<li>用氮气吹干样品（不得让水在表面自然挥发）。</li>
		<li>使用显微镜和台阶仪验证电镀是否完成。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>刻蚀光刻胶模具。
	<ol>
		<li>将装有专用光刻胶剥离液的玻璃烧杯在热板上预热至110 °C（注意39）。将样品浸入溶液中1小时。</li>
		<li>将烧杯从热板上取下，使溶液和样品冷却至室温。</li>
		<li>在水槽中用流动水彻底冲洗样品1-2分钟。</li>
		<li>将样品浸入装有丙酮的烧杯中5分钟。</li>
		<li>将样品浸入装有异丙醇的烧杯中5分钟。</li>
		<li>用氮气吹干样品（不得让异丙醇在表面自然挥发）。</li>
		<li>在显微镜下检查样品，并使用台阶仪测量电镀金的台阶高度。如有必要，重复清洗步骤。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>化学湿法刻蚀Ti/Au种子层。
	<ol>
		<li>将样品放入等离子体RIE中，使用以下参数：Ar流量100 sccm，功率100 W，压力50 mT，时间30秒。</li>
		<li>在聚四氟乙烯或玻璃烧杯中加入金刻蚀液（注意40），用量应足以完全覆盖样品。</li>
		<li>在聚四氟乙烯或玻璃烧杯中加入去离子水，用于快速终止金刻蚀的中间清洗。</li>
		<li>将样品浸入金刻蚀液中。刻蚀参数：室温，7-8 nm/sec，搅动。刻蚀完成后，将样品浸入清洗用水烧杯中，轻轻搅动10-20秒。</li>
		<li>在水槽中用流动的去离子水彻底冲洗样品1-2分钟。</li>
		<li>用氮气吹干（不得让水在表面自然挥发）。</li>
		<li>在显微镜下检查刻蚀效果，如有必要，重复直至暴露区域的金完全去除。</li>
		<li>再次对样品进行等离子体RIE处理，参数为：Ar流量100 sccm，功率100 W，压力50 mT，时间30秒。</li>
		<li>在聚四氟乙烯烧杯中加入BOE（足以浸没样品）。</li>
		<li>在聚四氟乙烯烧杯中加入去离子水用于清洗样品。</li>
		<li>在室温下将样品浸入BOE中。刻蚀速率为15-18 nm/min。刻蚀时间结束后，将样品从烧杯中取出，浸入清洗烧杯中10-20秒。</li>
		<li>在水槽中用流动的去离子水彻底冲洗样品1-2分钟。</li>
		<li>用氮气吹干（不得让水在表面自然挥发）。</li>
		<li>检查刻蚀效果，如有必要，重复直至暴露区域的钛完全去除。缩短刻蚀时间以避免严重侧向刻蚀。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>进行干法各向同性XeF2刻蚀（注意41），选择性去除硅并释放金固定-固定梁。
	<ol>
		<li>将工艺腔室释放至大气环境。</li>
		<li>将样品装入工艺腔室中。</li>
		<li>将系统抽至真空。</li>
		<li>刻蚀时间高度依赖暴露面积和所用刻蚀系统的类型。本样品采用3 T压力，30秒循环，共10个循环。实测刻蚀速率为110-120 nm/min。</li>
		<li>在系统中设定刻蚀参数后，刻蚀硅牺牲层。</li>
		<li>刻蚀完成后，执行必要的吹扫步骤，确保在将系统释放至大气前清除有毒气体。本研究中系统具有自动执行此吹扫步骤的程序。</li>
		<li>将工艺腔室释放至大气环境。</li>
		<li>小心取出样品。</li>
		<li>将工艺腔室重新抽至真空。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. 动态波形的实验验证
<ol>
	<li>将样品加载到直流探针台。
	<ol>
		<li>将样品放置在直流探针台的卡盘上。</li>
		<li>启动卡盘的真空装置以固定样品。</li>
		<li>使用直流探针尖端操纵器，将钨探针尖端定位在MEMS桥的偏置焊盘上。</li>
		<li>使用直流探针台的显微镜观察钨探针尖端在器件直流偏置焊盘上的精确定位。使用有源信号探针尖端探测两端固定的梁，同时使用接地探针尖端探测下拉电极。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>在函数发生器上编程动态偏置信号。
	<ol>
		<li>使用初始波形参数的计算值20。</li>
		<li>在函数发生器上选择任意波形函数以生成动态波形。</li>
		<li>输入波形的时间参数。根据函数发生器的类型，第一个时间参数可能在几微秒后开始（而非0 μs）。第一个和第二个时间参数之间的间隔应为计算得出的梁达到过冲间隙所需的时间。第二个和第三个时间参数之间的间隔应足够长，以使梁能够完全达到平衡状态并最小化振荡。当输入用于反向操作（从下拉到释放）的时间参数时，过冲间隙时间将决定第三个时间参数与信号关闭之间的时间间隔。需要第五个时间间隔以重新启动波形循环。此间隔应留出足够时间，使梁在重新启动循环前达到平衡。</li>
		<li>输入波形的电压参数。由于该信号将通过线性放大器，因此设定的电压仅为实际施加到梁上电压的一部分。本研究中函数发生器编程的电压值为实际电压的1/20。</li>
		<li>将函数发生器的输出连接至高速高压线性放大器。</li>
		<li>将线性放大器的输出连接至采样率为300 MHz的数字示波器。示波器用于验证任意波形发生器的信号输出。</li>
		<li>将线性放大器的输出连接至直流操纵器。执行此步骤时务必确保函数发生器处于关闭状态。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>使用激光多普勒测振仪（LDV）进行设置与测量。
	<ol>
		<li>将LDV的探头置于样品上方。</li>
		<li>打开激光器。</li>
		<li>使用与LDV集成的显微镜找到需要测量的目标梁。</li>
		<li>将激光聚焦在MEMS桥的中心位置，即最大挠度点。</li>
		<li>确保激光反射强度足够，以实现精确测量。</li>
		<li>将采样时间设置为适当的采样率。本测量采用5.1 MHz的采样率。</li>
		<li>选择LDV的位移-时间输出模式。</li>
		<li>选择连续测量模式。</li>
		<li>对MEMS桥施加偏置信号。LDV将实时捕捉振铃效应。</li>
		<li>调节函数发生器上的时序和电压参数，以实现下拉和释放操作中梁的最小振荡。</li>
		<li>找到最优参数后，关闭偏置信号。</li>
		<li>关闭LDV的连续测量模式。</li>
		<li>将直流探针尖端从偏置焊盘上抬起。</li>
		<li>将函数发生器的触发输入端连接至LDV硬件接口的触发输出端。本研究中使用BNC电缆完成此连接。</li>
		<li>设置函数发生器以响应LDV系统发出的外部触发信号。</li>
		<li>设置LDV软件在测量扫描模式开始时触发函数发生器。</li>
		<li>将LDV软件设置为单次扫描模式。单次扫描的时间长度等于波形的持续时间。</li>
		<li>将直流探针尖端重新降落在MEMS桥的偏置焊盘上。</li>
		<li>通过激活LDV的测量模式来捕获信号扫描。</li>
		<li>保存位移-时间数据。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol><li>Rebeiz, G. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aRebeiz%2C+G+%22RF+MEMS%3A+Theory%2C+Design%2C+and+Technology%22">RF MEMS: Theory, Design, and Technology</a>. , John Wiley and Sons. (2003).</li>
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作者无任何利益冲突需要披露。

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&#62;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。
<p class="jove_content...

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&#160;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于改善稳定时间20-26。图2C 和 图2D 定性地说明了&#160;如何利用随时间变化的波形有效抑制振铃现象。以往的研究工作采用数值方法计算输入偏压的精确电压值和时序，以缩短开关时间。本研究采用紧凑的闭式表达式来计算输入偏压波形的参数。此外，以往的研究主要集中在平行板驱动结构。尽管这些结构设计为欠阻尼，但在此构型中仍存在一定的挤压膜阻尼。而本研究所提出的驱动方法为边缘场驱动，在该构型中，挤压膜阻尼被有效消除。这代表了一种极端情况，即 MEMS 梁的机械阻尼极低。本文描述了如何制备 EFFA MEMS 器件，并进行测量以实验验证该波形概念。

<table><tbody><tr><td colspan="4">&lt;strong&gt;化学品&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>缓冲氧化物刻蚀液</td><td>Mallinckrodt Baker</td><td>1178</td><td>二氧化硅刻蚀，钛刻蚀</td></tr><tr><td>丙酮</td><td>Mallinckrodt Baker</td><td>5356</td><td>晶圆清洗</td></tr><tr><td>异丙醇</td><td>Honeywell</td><td>BDH-140</td><td>晶圆清洗</td></tr><tr><td>六甲基二硅氮烷</td><td>Mallinckrodt Baker</td><td>5797</td><td>附着力促进剂</td></tr><tr><td>Microposit SC 1827 正性光刻胶</td><td>Shipley Europe Ltd</td><td>44090</td><td>图形化，电镀</td></tr><tr><td>Microposit MF-26A 显影液</td><td>Shipley Europe Ltd</td><td>31200</td><td>显影 SC 1827</td></tr><tr><td>四甲基氢氧化铵</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>334901</td><td>体硅刻蚀</td></tr><tr><td>硫酸</td><td>Sciencelab.com</td><td>SLS2539</td><td>晶圆清洗</td></tr><tr><td>过氧化氢</td><td>Sciencelab.com</td><td>SLH1552</td><td>晶圆清洗</td></tr><tr><td>Transene 亚硫酸金 TSG-250</td><td>Transense</td><td>110-TSG-250</td><td>金电镀溶液</td></tr><tr><td>Baker PRS-3000 正性光刻胶剥离液</td><td>Mallinckrodt Baker</td><td>6403</td><td>光刻胶剥离剂</td></tr><tr><td>金刻蚀液 TFA 型</td><td>Transense</td><td>060-0015000</td><td>金刻蚀</td></tr><tr><td colspan="4">&lt;strong&gt;设备&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>掩模对准器</td><td></td><td>Karl Suss MJB-3</td><td>光刻胶图形化</td></tr><tr><td>溅射镀膜仪</td><td></td><td>Perkin Elmer 2400 Sputterer</td><td>金属沉积</td></tr><tr><td>热氧化炉</td><td></td><td>Pyrogenic Oxidation Furnace</td><td>生长二氧化硅</td></tr><tr><td>反应离子刻蚀机</td><td></td><td>Plasmatech RIE</td><td>等离子去胶</td></tr><tr><td>二氟化氙干法刻蚀机</td><td></td><td>Xactix Xenon Difluoride Etcher</td><td>选择性各向同性硅干法刻蚀</td></tr><tr><td>表面轮廓仪</td><td></td><td>Alpha-Step IQ</td><td>台阶高度测量</td></tr><tr><td>探针环</td><td></td><td>Signatone</td><td>固定直流探针操纵器</td></tr><tr><td>直流操纵器</td><td></td><td>Signatone S-900 系列微定位器</td><td>对器件施加电势差</td></tr><tr><td>激光多普勒测振仪</td><td></td><td>Polytec OFV-551/MSA-500 微系统分析仪</td><td>开关时间测量</td></tr><tr><td>数字函数发生器</td><td></td><td>Agilent E4408B 函数发生器</td><td>生成直流动态波形</td></tr><tr><td>高压线性放大器</td><td></td><td>单通道高压线性放大器 A400</td><td>提供高压输出</td></tr><tr><td>数字示波器</td><td></td><td>Agilent DS05034A 数字示波器</td><td>验证动态波形参数</td></tr></tbody></table>

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

Real-Time DC-dynamic Biasing Method for Switching Time Improvement in Severely Underdamped Fringing-field Electrostatic MEMS Actuators

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。

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。
<img alt="MEMS 桥的示意图，显示 XeF2 蚀刻凹槽、下拉电极及结构细节。" src="/files/ftp_upload/51251/51251fig1highres.jpg" data-altupdatedat="17876304...

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。

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

机械欠阻尼静电边缘场微机电系统执行器以其在单位阶跃输入下的快速开关操作而著称……

以下实验的总体目标是改善严重欠阻尼静电边缘场微机电系统执行器的响应时间。首先通过微加工技术制备静电微机电系统执行器；第二步，选择性地刻蚀执行器下方的衬底，从而显著降低挤压膜阻尼，增强严重欠阻尼状态。随后，实时施加动态偏置波形，以确定实现快速响应时间的最优波形参数。实验结果表明，与典型的单位阶跃偏置相比，开关时间显著改善。尽管该方法用于改善静电边缘场驱动器的开关时间，但也可应用于微尺度计量学等领域，以提取薄膜参数，如杨氏模量、泊松比和双轴拉伸应力。制备静电边缘场MEMS梁的第一步是紫外光刻。从一块经过适当清洗的氧化低电阻率硅基底开始，尺寸为25毫米×50毫米，厚度为0.5毫米。在本视频中，基底的截面示意图和俯视图将展示器件制备的进展情况。将基底放置在光刻胶旋涂仪的卡盘上，依次旋涂六甲基二硅氮烷（HMDS），然后涂覆正性光刻胶。在3,500 RPM条件下离心30秒。将样品转移至设定为105摄氏度的加热板上，对光刻胶进行90秒的前烘处理。此图为当前样品的示意图。完成此步骤后，将样品转移至掩膜对准仪。使用该设备（其掩膜的简化示意图如图所示），用波长为 350 至 450 纳米、曝光能量为 391 毫焦耳/平方厘米的紫外光照射样品。随后，将载玻片依次放入两个预先准备好的烧杯中，一个装有以四乙基氢氧化铵为基础的显影液，另一个装有去离子水，每个烧杯中的液体体积均足以浸没样品；将曝光后的样品浸入显影液中 12 至 20 秒，并轻轻搅动。然后迅速取出样品并将其浸入冲洗水中10秒。样品充分冲洗后，用氮气吹干，再在显微镜下检查样品，以确定是否需要进一步显影。此图表示显影完成后的样品状态。使用缓冲氢氟酸进行湿法刻蚀，以去除氧化层。随后用丙酮和异丙醇去除光刻胶。下一步是使用四乙基氢氧化铵进行化学刻蚀。使用带有热电偶的加热板以维持温度，配备磁力搅拌子、一个洁净的四升烧杯，以及一个可支撑在烧杯内的聚四氟乙烯（Teflon）篮。将质量分数为25%的四乙基氢氧化铵溶液倒入烧杯至两升刻度线处，加入搅拌子，并将热电偶固定于溶液中。随后将溶液预热至80摄氏度，当溶液达到80摄氏度时开始计时或进行后续操作。将样品放入篮中，把篮子悬挂在烧杯边缘的溶液中。确保留出空间以便磁力搅拌子能够旋转。将搅拌子的转速设置为400 RPM，并蚀刻至四到五微米的深度。大约15分钟后，用去离子水充分冲洗并干燥样品，然后使用台阶仪检测台阶高度。该图显示了达到目标台阶高度时的样品形貌。下一步是去除二氧化硅。准备一个聚四氟乙烯烧杯，内装体积分数为49%的氢氟酸，用量需足以浸没样品，同时准备另一个相同的聚四氟乙烯烧杯，内装去离子水。将样品放入氢氟酸中，直至二氧化硅完全去除，时间少于30秒。随后将样品转移至去离子水中，浸泡10到20秒。继续进行进一步清洗，并去除样品上的有机残留物。取洁净干燥的样品，进行湿法热氧化，使其表面生长500纳米的二氧化硅。此处展示的是完成二氧化硅层生长后的样品示意图，随后再次在样品上旋涂六甲基二甲苯并嗪（HMDS），接着涂覆正性光刻胶。软烘光刻胶后，使用掩模对准仪将样品暴露于350至400纳米的紫外光下。在391毫焦耳/平方厘米的曝光能量下，所示掩模已简化。接着，使用基于四乙基氢氧化铵的显影液对样品进行显影。使用缓冲氢氟酸完成蚀刻，并去除光刻胶。样品现已准备好进行溅射沉积电镀种子层，先溅射沉积20纳米的钛，再沉积100纳米的金。这是样品取出后的状态。现在以3,500 RPM的转速旋涂六甲基二硅氧烷（hexa methyl DIY）30秒。然后在掩模对准器上以2000 RPM的转速旋涂正性光刻胶30秒，对准并用350至450纳米的紫外光照射样品。使用483毫焦每平方厘米的曝光能量，在基于四乙基氢氧化铵的显影液中显影样品。充分冲洗后，用显微镜检查样品，以确定是否需要进一步显影。显影完成后，开始对金MEMS悬臂梁进行电镀：首先将700毫升金电镀液加入一个洁净的1升玻璃烧杯中。将烧杯放在加热板上，并将加热板温度设置为 60 摄氏度。使用热电偶确保温度保持在所需温度。当温度达到 60 摄氏度时，将样品固定在夹具上，该夹具同时固定热电偶和不锈钢阳极。使用2毫安/平方厘米的电流密度对样品进行电镀，直至达到所需时间（约两分钟）。然后关闭电源，移除电极，以取出样品。验证电镀过程是否完成。使用轮廓仪和显微镜拍摄照片。通过先用专用的光刻胶剥离液填充玻璃烧杯，来蚀刻光刻胶模具。将其置于加热板上，加热至 110 摄氏度。当达到该温度时，将样品浸入溶液中持续一小时。一小时结束后，将烧杯从加热板上取下，使溶液和样品冷却至室温。这些示意图表示样品清洗后应观察到的结果。右侧的黄色区域代表沉积的金层。金色区域代表电镀形成的悬臂梁。表面粗化后，将样品浸入聚四氟乙烯烧杯中的金刻蚀液中，刻蚀30至45秒。刻蚀完成后，当所有金均已被去除时，迅速将样品浸入去离子水中10至20秒以终止刻蚀反应；再次进行粗化处理后，将样品在室温下浸入缓冲氢氟酸刻蚀液中3至6秒，冲洗并干燥后检查刻蚀效果，确保暴露区域的钛已完全去除，如图中示意图所示。最后一步，进行干法各向同性的二氟化氙刻蚀，该步骤将选择性地去除硅，从而释放被固定的金固定梁结构。这表示固定梁制备完成后的最终梁结构。下一步是进行实验验证。将样品放置在直流探针台的卡盘上并固定。接下来，使用探针台的显微镜精确定位钨探针尖端。将信号探针尖端置于固定-固定梁的焊盘上方，将接地探针尖端置于器件直流偏置焊盘上用于下拉电极的焊盘上方。接下来，在函数发生器上设置波形参数。根据计算结果，将函数发生器的输出连接至高速、高电压线性放大器。使用采样速率为 300 兆赫兹的数字示波器监测输出信号。关闭函数发生器后，将线性放大器的输出端连接至直流操纵器。随后将激光多普勒测振仪置于样品上方，并开启激光。使用集成显微镜识别目标梁，并将激光聚焦在其中心位置。选择采样率输出和测量模式。准备工作完成后，向 MEMS 桥施加偏置信号。开始调节函数发生器上的时序和电压参数，以在下拉和释放操作中实现最小的梁振荡。找到最佳值后，关闭偏置信号和连续激光多普勒测振模式。将探针尖端从偏置焊盘上抬起。然后按照随附文本方案中所述，使用viter以单次扫描模式运行器件。将直流探针尖端重新连接至MEMS桥的偏置焊盘。启动信号扫描，采集位移随时间变化的数据。以下是针对四种不同条件下，MEMS桥在施加60伏输入偏置电压时，梁的偏转随时间变化的曲线。阶跃释放响应以黑色显示，表现出振荡现象。红色显示的动态释放测量结果是在对时间和电压测量进行调谐后获得的，这些结果表明振荡基本被消除。一旦确定，该动态波形可用于所有间隙，而不仅限于与60伏输入偏压相关的间隙。此处展示了对应于不同输入偏压的多个间隙高度下的下拉响应。在每种情况下，振荡均受到限制。同样，以下是各种情况下的释放响应。请注意，几乎所有的振荡都已被消除。请务必牢记，操作氢氟酸和四甲基氢氧化铵（TMAH）等化学品可能具有极高的危险性。因此，在进行此操作时，应采取佩戴个人防护装备等预防措施。

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