Article de méthode

Real-Time DC-dynamique Méthode de sollicitation pour Temps de commutation amélioration de franges champ gravement sous-amorti électrostatiques MEMS Actionneurs

DOI :

10.3791/51251

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15 août 2014

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1Department of Electrical and Computer Engineering, University of California, Davis, 2Digital Light Projection (DLP) Technology Development, Texas Instruments, 3Birck Nanotechnology Center and the Department of Electrical and Computer Engineering, Purdue University

Dans cet article

Résumé

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

La conception du dispositif robuste de franges-champ électrostatique actionneurs MEMS résultats dans des conditions d'amortissement retrait films intrinsèquement faible et longs de décantation pour effectuer des opérations de commutation à l'aide de polarisation de l'étape classique. L'amélioration de la commutation du temps avec des formes d'onde DC-dynamiques en temps réel réduit le temps de stabilisation de champ de dispersion MEMS actionneurs lors de la transition entre la mise à bas et terre-à-up États.

Résumé

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Mécaniquement MEMS franges de champ électrostatique-sous-amorti actionneurs sont bien connus pour leur opération de commutation rapide en réponse à une tension de polarisation d'entrée en échelon unitaire. Toutefois, le compromis entre les performances de commutation amélioré est un temps relativement long pour atteindre chaque régler la hauteur de la fente en réponse à différentes tensions appliquées. Transitoire appliqué des formes d'onde de polarisation sont utilisés pour faciliter des temps de commutation réduits pour les MEMS électrostatiques franges champ actionneurs présentant des facteurs de qualité mécaniques élevées. Retrait du substrat sous-jacent de l'actionneur champ de dispersion crée l'environnement d'amortissement mécanique faible est nécessaire de tester efficacement le concept. Le retrait du substrat sous-jacent a également une amélioration substantielle du rendement de la fiabilité du dispositif en ce qui concerne une défaillance due à un frottement statique. Bien polarisation DC-dynamique est utile pour améliorer le temps de stabilisation, les vitesses de balayage nécessaires pour les appareils typiques de MEMS peuvent imposer des exigences agressives sur la charge pompes pour entièrement intégrés conceptions sur la puce. En outre, il peut y avoir des défis intégrant l'étape d'élimination du substrat dans les CMOS commerciales étapes d'arrière-plan de ligne de traitement. Validation expérimentale des actionneurs fabriqués démontre une amélioration de 50x en temps de commutation par rapport à l'étape de polarisation des résultats classiques. Par rapport aux calculs théoriques, les résultats expérimentaux sont en bon accord.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Systèmes micro-électromécaniques (MEMS) utilisent plusieurs mécanismes d'actionnement de réaliser un déplacement mécanique. Les plus populaires sont, thermique, piézoélectrique, magnétostatique et électrostatique. Pour peu de temps de commutation, actionnement électrostatique est la technique la plus populaire 1, 2. Dans la pratique, la conception mécanique critique amorties offrent le meilleur compromis entre le temps de montée initiale et le temps de stabilisation. Lors de l'application de la polarisation continue et l'actionnement de la membrane vers le bas vers l'électrode déroulant, le temps de stabilisation n'est pas un problème important que la membrane se casser vers le bas et adhérer à l'électrode d'actionnement enduit diélectrique. Plusieurs applications ont bénéficié de la conception d'actionnement électrostatique précitée 3-8. Cependant, la présence de l'électrode revêtue déroulant diélectrique rend l'actionneur sensible à la charge diélectrique et le blocage par adhérence.

Membranes MEMS peuvent utiliser un uconception mécanique nderdamped d'atteindre un temps de montée initiale rapide. Un exemple d'une conception mécanique sous-amorti est le champ de dispersion commande électrostatique (EFFA) MEMS. Cette topologie a exposé beaucoup moins vulnérabilité aux mécanismes de défaillance typiques qui affligent conceptions basées électrostatiques 9-20. L'absence de la contre-électrode parallèle et par conséquent, le champ électrique parallèle est la raison pour laquelle ces MEMS sont appelées de façon appropriée "champ de dispersion" actionné (figure 1). Pour la conception EFFA, l'électrode d'excursion basse est divisée en deux électrodes séparées qui sont disposées décalées latéralement de la membrane mobile, ce qui élimine complètement le chevauchement entre les parties mobiles et fixes du dispositif. Cependant, l'élimination du substrat du dessous de la membrane mobile permet de réduire considérablement le film de compression élément d'amortissement augmentant ainsi le temps de décantation. Figure 2B est un exemple d'un temps de stabilisation en réponse à standard étape de sollicitation. Transitoire, ou DC-dynamique de polarisation appliquées en temps réel peut être utilisé pour améliorer le temps de décantation 20-26. Figures 2C et 2D illustrent qualitativement comment une forme d'onde variant de temps peut effectivement annuler la sonnerie. Efforts de recherche antérieurs utilisent des méthodes numériques pour calculer la tension précise et les horaires de la polarisation d'entrée pour améliorer le temps de commutation. Le procédé utilise dans cet ouvrage compacts expressions de forme fermée pour calculer les paramètres de forme d'onde de polarisation d'entrée. En outre, des travaux antérieurs a porté sur plaques parallèles actionnement. Bien que les structures sont conçues pour être sous-amorti, presser film amortissement est toujours disponible dans cette configuration. La méthode d'actionnement présentée dans ce travail est champ de dispersion actionnement. Dans cette configuration resserrement film amortissement est effectivement éliminé. Il s'agit d'un cas extrême où l'amortissement mécanique de la poutre MEMS est très faible. Cet article décrit comment fabriquer le dev EFFA MEMSglaces et d'effectuer la mesure de valider expérimentalement le concept de forme d'onde.

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Protocole

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1 Fabrication de EFFA MEMS Fixe-faisceaux fixes (Voir Figure 3 pour procédé résumé)

  1. la lithographie par UV et gravure chimique humide du dioxyde de silicium avec de l'acide fluorhydrique tamponné (ATTENTION 27).
    1. Utiliser un substrat de silicium de faible résistivité oxydé.
    2. Remplissez un récipient en verre avec de l'acétone 28 (assez pour se plonger l'échantillon), placer l'échantillon dans l'acétone rempli bécher, et soniquer pendant 5 min dans un bain sonique de l'eau.
    3. Sans séchage, transférer directement l'échantillon provenant du récipient de l'acétone dans un bêcher rempli avec de l'alcool isopropylique 29 et de traitement par ultrasons pendant 5 min dans un appareil à ultrasons au bain-marie.
    4. Sécher l'échantillon avec de l'azote (ne permet pas à l'alcool isopropylique à s'évaporer de la surface).
    5. Sec (déshydratation au four) de l'échantillon sur une platine chauffante réglée à 150 ° C pendant 10 min. Laisser l'échantillon pour atteindre la température ambiante une fois que le frein de déshydratation est terminée.
    6. Placer l'échantillon sur le mandrin d'un spinner de résine photosensible.Pipette et distribuer 1 ml d'hexaméthyldisilazane (HMDS) par 25 mm de diamètre (ATTENTION 30). 3500 à Spincoat rpm pendant 30 s. Pipette et distribuer 1 ml de résine positive par 25 mm de diamètre (ATTENTION 31). Spincoat l'échantillon à 3500 rpm pendant 30 secondes. Cuisson douce la résine photosensible pendant 90 secondes à 105 ° C sur une plaque chauffante.
    7. Utilisation d'un dispositif d'alignement de masque pour exposer l'échantillon à un rayonnement UV avec une longueur d'onde de 350-450 nm. Utiliser l'énergie d'exposition de 391 mJ / cm 2 (ATTENTION 32).
    8. Remplissez un récipient en verre avec le développeur basé TMAH (ATTENTION 33) et utiliser pour submerger l'ensemble de l'échantillon.
    9. Remplissez un récipient en verre avec de l'eau déminéralisée pour mettre fin rapidement la mise au point d'éviter la surexploitation.
    10. Développer l'échantillon pour 12-20 sec. Agiter doucement l'échantillon immergé.
    11. Soigneusement et rapidement retirer l'échantillon du bécher de développement et le plonger dans l'eau bécher de rinçage pendant 10 secondes.
    12. rincer l'échantillon dans un évier sous l'eau déminéralisée pendant 1-2 min.
    13. Retirez soigneusement sécher l'échantillon avec de l'azote (Ne pas laisser l'eau déminéralisée pour s'évaporer de la surface).
    14. Inspecter l'échantillon sous un microscope.
    15. Si nécessaire, répétez la procédure de développement avec des ajustements en temps pour éviter la surexploitation.
    16. Utilisation d'un plasma réactif de gravure ionique (RIE) à rendre la surface rugueuse afin d'améliorer le mouillage de la surface. RIE paramètres 34: 100 sccm d'Ar, une puissance de 100 W RF, 50 pression de la chambre mT, 1 min.
    17. Remplir un récipient en Teflon avec une quantité suffisante de gravure d'oxyde tamponné (BOE) afin de couvrir l'échantillon.
    18. Remplir un autre bêcher en Téflon avec de l'eau désionisée pour un rinçage intermédiaire de l'échantillon.
    19. Immerger l'échantillon dans le BOE. La vitesse d'attaque est de 90 à 100 nm / min.
    20. Lorsque la gravure est terminée, rinçage dans le bécher en téflon qui a de l'eau désionisée pendant 10 secondes. Puis rincer l'échantillon dans un évier sous l'eau déminéralisée courante pendant 1-2 mdans.
    21. Sécher l'échantillon avec de l'azote (Ne pas laisser l'eau déminéralisée pour s'évaporer de la surface).
    22. Inspecter l'échantillon sous un microscope.
    23. Répétez la gravure et rincer étapes que nécessaire avec des ajustements dans le temps afin d'éviter la gravure et la sous-cotation de la résine photosensible.
    24. Retirer le masque résine photosensible.
    25. Remplissez un récipient en verre avec de l'acétone (assez pour se plonger l'échantillon), placer l'échantillon dans l'acétone rempli bécher et soniquer dans un appareil à ultrasons bain-marie pendant 5 min.
    26. Prendre directement l'échantillon du bécher d'acétone et le placer dans un bécher rempli d'alcool isopropylique et de traitement par ultrasons pendant 5 min dans un appareil à ultrasons au bain-marie.
    27. Sécher l'échantillon avec de l'azote (Ne laissez pas l'alcool isopropylique à s'évaporer de la surface).
  2. Gravure chimique humide de silicium avec l'hydroxyde de tétraméthylammonium (TMAH) à 25% en poids (ATTENTION 35).
    1. Utilisez un chiffon propre 4 bêcher.
    2. Utilisez une plaque de cuisson avec un thermocouple. Utilisation d'un panier de Téflon qui a un crochet à l'extrémité de la poignée de maintien des échantillons. Utilisation d'une tige d'agitation magnétique d'agitation propre à atténuer la surface de silicium des bulles d'hydrogène qui sont libérés pendant le processus de gravure en vrac.
      REMARQUE: La réaction entre le thermocouple et la plaque de cuisson assure la bonne température reste constante tout au long de la gravure. Si l'hydrogène libéré n'est pas retiré de la surface, il peut masquer le silicium sous-jacent de la TMAH.
    3. Verser le TMAH 25% en poids jusqu'à la marque de 2 L du bécher.
    4. Placez le thermocouple dans la solution et le préchauffage à 80 ° C. Si possible, utilisez un appareil de mesure ou pince pour tenir le thermocouple pour éviter toute interférence avec la rotation de la barre d'agitation magnétique.
    5. Une fois que la solution a atteint la température nécessaire, placer les échantillons dans le panier de téflon et placer le panier dans la solution en l'accrochant à partir de la lèvre du gobelet. Assurez-vous que le panier ne repose passur le fond du bêcher afin de laisser la place à la tige d'agitation magnétique en rotation.
    6. Fixer le taux de la barre d'agitation magnétique à 400 tours par minute de rotation.
    7. Le débit de la solution de gravure est de 300 à 350 nm / min. La profondeur de gravure nécessaire est de 4-5 um.
    8. Lorsque le temps nécessaire s'est écoulé pour achever la gravure, retirer l'échantillon de la solution et rincer avec de l'eau déminéralisée pendant 1-2 min.
    9. Sécher l'échantillon avec de l'azote (Ne pas laisser l'eau déminéralisée pour s'évaporer de la surface).
    10. Utilisation d'un profilomètre à mesurer la hauteur de la marche.
    11. Si la hauteur de l'étape n'a pas été atteinte, placer les échantillons dans la solution de nouveau pour atteindre la hauteur de marche désirée.
  3. Gravure humide chimique de tous SiO 2 du substrat et thermiquement grandir une autre de 500 nm de SiO 2.
    1. Remplir un récipient en Téflon avec de l'acide fluorhydrique à 49% en volume (ATTENTION 36). Utilisez une quantité suffisante pour couvrir l'échantillon.
    2. Remplir un récipient en Téflon avec de l'eau déionisée pour le rinçage de l'échantillon. Utilisez une quantité suffisante pour couvrir l'échantillon.
    3. Graver l'échantillon avec de l'acide fluorhydrique. Laisser l'échantillon dans la solution jusqu'à ce que tout le SiO 2 est supprimé. Comme la solution est très concentrée, la gravure se fera assez rapidement.
    4. Rincer à 10-20 secondes dans le bêcher en Téflon rempli avec de l'eau désionisée.
    5. Rincer soigneusement l'échantillon sous l'eau déminéralisée dans un évier pendant 1-2 min.
    6. Mélanger une solution de H 2 SO 4: H 2 O 2 (acide sulfurique: le peroxyde d'hydrogène, piranha propre) dans un rapport de 1: 1 dans un bêcher en Téflon (ATTENTION 37). Utilisez suffisant pour couvrir l'échantillon.
    7. Remplir un récipient en Téflon avec de l'eau déionisée pour le rinçage de l'échantillon.
    8. Immerger l'échantillon dans le H 2 SO 4: H 2 O 2 pour 7-10 min.
    9. En bref, 10 sec, rincer l'échantillon dans le bécher de l'eau de rinçage.
    10. Rincer soigneusement l'échantillon dans un évier sous l'eau déminéralisée pendant 1-2 min.
    11. Sécher l'échantillon avec de l'azote (Ne pas laisser l'eau s'évaporer de la surface).
    12. Effectuer oxydation thermique humide à une croissance de 500 nm de SiO 2.
  4. la lithographie par UV et gravure chimique par voie humide pour la configuration de SiO 2 pour mettre à nu le silicium qui sert de couche sacrificielle pour la libération finale des faisceaux fixes-fixe.
    1. Remplissez un récipient en verre avec de l'acétone (assez pour se plonger l'échantillon), placer l'échantillon dans l'acétone rempli bécher et soniquer dans un appareil à ultrasons bain-marie pendant 5 min.
    2. Prendre directement l'échantillon du bécher d'acétone et le placer dans un bécher rempli d'alcool isopropylique et de traitement par ultrasons dans un appareil à ultrasons bain-marie pendant 5 min.
    3. Sécher l'échantillon avec de l'azote (Ne laissez pas l'alcool isopropylique à s'évaporer de la surface).
    4. Sec (déshydratation au four) de l'échantillon sur une platine chauffante réglée à 150 ° C pendant 10 min. Autoriser til goûter à atteindre la TA fois la cuisson de la déshydratation est terminée.
    5. Utilisation d'un spincoater de résine photosensible, HMDS spincoat sur l'échantillon à 3500 rpm pendant 30 secondes. Utilisation d'un spincoater de résine photosensible, spincoat photoresist positif sur l'échantillon à 3500 rpm pendant 30 secondes. Cuisson douce la résine photosensible pendant 90 secondes à 105 ° C sur une plaque chauffante.
      REMARQUE: Utiliser 1 ml par tous les 25 mm de diamètre de l'échantillon.
    6. Utilisation d'un dispositif d'alignement de masque pour exposer l'échantillon à un rayonnement UV avec une longueur d'onde de 350-450 nm. Utiliser une énergie d'exposition de 391 mJ / cm 2.
    7. Remplir un récipient en verre avec un développeur TMAH et utiliser assez pour se plonger la totalité de l'échantillon.
    8. Remplissez un récipient en verre avec de l'eau déminéralisée pour mettre fin rapidement la mise au point d'empêcher la surexploitation.
    9. Développer l'échantillon pour 12-20 sec.
    10. Soigneusement et rapidement retirer l'échantillon du bécher de développement et le plonger dans l'eau bécher de rinçage pendant 10 secondes.
    11. Rincer l'échantillon dans un évier sous un filet d'eau désionisée wEau pendant 1-2 min.
    12. Séchez soigneusement avec de l'azote (Ne pas laisser l'eau s'évaporer de la surface).
    13. Inspecter l'échantillon sous un microscope.
    14. Si nécessaire, répétez la procédure de développement avec des ajustements en temps pour éviter la surexploitation.
    15. Utilisation de plasma RIE à rendre la surface rugueuse afin d'améliorer le mouillage de la surface. Paramètres RIE: 100 sccm d'Ar, 100 W de puissance RF, 50 pression de la chambre mT, 1 min.
    16. Remplir un récipient en Teflon avec une quantité suffisante de BOE pour couvrir l'échantillon.
    17. Remplir un récipient en Téflon avec de l'eau désionisée pour un rinçage intermédiaire de l'échantillon.
    18. Immerger l'échantillon dans le BOE. La vitesse d'attaque est de 90 à 100 nm / min.
    19. Lorsque la gravure est terminée, rinçage dans le bécher en téflon qui a de l'eau désionisée pendant 10 secondes. Puis rincer l'échantillon sous l'eau déminéralisée dans un évier pendant 1-2 min.
    20. Sécher l'échantillon avec de l'azote (Ne pas laisser l'eau s'évaporer de la surface).
    21. Inspectez échantillon sous un Microscopee.
    22. Répétez la gravure et rincer étapes que nécessaire avec des ajustements dans le temps afin d'éviter la gravure et la sous-cotation de la résine photosensible.
    23. Remplissez un récipient en verre avec de l'acétone (assez pour se plonger l'échantillon), placer l'échantillon dans l'acétone rempli bécher, et soniquer dans un appareil à ultrasons bain-marie pendant 5 min.
    24. Prendre directement l'échantillon du bécher d'acétone et le placer dans un bécher rempli d'alcool isopropylique et de traitement par ultrasons dans un appareil à ultrasons bain-marie pendant 5 min.
    25. Sécher l'échantillon avec de l'azote (Ne laissez pas l'alcool isopropylique à s'évaporer de la surface).
  5. Pulvérisation dépôt de 20 nm de Ti et 100 nm de Au. Cette couche sert de couche de germination de galvanoplastie pour l'étape du procédé de dépôt électrolytique subséquent. Les paramètres de pulvérisation sont: courant continu de 100 W, pression de dépôt de 8 Mt, 100 sccm d'Ar, la pression de base 3 x 10 -6 T.
    1. Purger la chambre de traitement ou de blocage d'une charge à l'atmosphère.
    2. Chargez l'échantillon dans lechambre de traitement ou sas de chargement.
    3. Pomper la chambre de traitement ou de sas de chargement à vide.
    4. Attendez jusqu'à ce que la chambre de procédé permet d'obtenir une pression de base de 3 x 10 -6 T.
    5. Placer l'échantillon à l'endroit approprié pour le dépôt.
    6. Régler la pression de la chambre à 8 Mt en faisant circuler de l'argon dans le système. Le débit exact nécessaire pour atteindre 8 mT hautement dépendante du type de système utilisé. L'outil de pulvérisation cathodique utilisé pour ce travail a utilisé un débit de 100 sccm.
    7. Activer la source de la cible de titane.
    8. Presputter titane à 300 W pendant 20 min.
    9. Pulvérisation de 20 nm de titane à 100 W. L'heure exacte du dépôt dépend fortement du type d'utilisation du système. Pour l'outil de pulvérisation utilisé dans le présent travail, 5 min est nécessaire pour atteindre 20 nm.
    10. Désactiver la source à la cible de pulvérisation cathodique de titane.
    11. Activer la source avec la cible d'or.
    12. Presputter or à 100 W pendant 2 min.
    13. Pulvérisation100 nm d'or à 100 W. Le temps de dépôt exacte dépend fortement de l'outil de pulvérisation qui est utilisé. Pour l'outil de pulvérisation utilisé dans ce travail, 10 min est suffisante pour fournir 100 nm d'or.
    14. Désactiver la source à la cible de pulvérisation cathodique d'or.
    15. Fermez le robinet de gaz Ar.
    16. Purger la chambre de traitement ou de sas de chargement.
    17. Décharger l'échantillon une fois que la chambre de traitement ou sas de chargement atteint atmosphère.
    18. Pomper le sas de chargement ou de la chambre de processus vers le bas à un vide poussé.
  6. la lithographie par UV pour créer un moule de résine photosensible qui définit la géométrie de la poutre fixe fixe.
    1. Remplissez un récipient en verre avec de l'acétone (assez pour se plonger l'échantillon), placer l'échantillon dans l'acétone bécher rempli pendant 5 min.
    2. Prendre directement l'échantillon du bécher d'acétone et le placer dans un alcool isopropylique bécher rempli pendant 5 min.
    3. Sécher l'échantillon avec de l'azote (Ne laissez pas l'alcool isopropylique à s'évaporer de la surface).
    4. sec (déshydratation au four) de l'échantillon sur une platine chauffante réglée à 150 ° C pendant 10 min. Laisser l'échantillon pour atteindre la température ambiante une fois que le frein de déshydratation est terminée.
    5. Utilisation d'un spincoater de résine photosensible, HMDS spincoat sur l'échantillon à 3500 rpm pendant 30 secondes. Utilisation d'un spincoater de résine photosensible, spincoat photoresist positif sur l'échantillon à 2000 rpm pendant 30 secondes. Cuisson douce la résine photosensible pendant 90 secondes à 105 ° C sur une plaque chauffante.
      REMARQUE: Utiliser 1 ml par tous les 25 mm de diamètre de l'échantillon.
    6. Utilisation d'un dispositif d'alignement de masque pour aligner et exposer l'échantillon à un rayonnement UV avec une longueur d'onde de 350-450 nm. Utiliser une énergie d'exposition de 483 mJ / cm 2.
    7. Remplir un récipient en verre avec TMAH développeur basé et utiliser assez pour se plonger la totalité de l'échantillon.
    8. Remplissez un récipient en verre avec de l'eau déminéralisée pour mettre fin rapidement la mise au point afin d'éviter la surexploitation.
    9. Développer l'échantillon pour 12-20 sec.
    10. Soigneusement et rapidement retirer l'échantillon du bécher de développement et soumerge dans le récipient de l'eau de rinçage pendant 10 secondes.
    11. Rincer l'échantillon dans un évier sous l'eau déminéralisée pendant 1-2 min.
    12. Sécher l'échantillon avec de l'azote (Ne pas laisser l'eau s'évaporer de la surface).
    13. Inspecter l'échantillon sous un microscope.
    14. Si nécessaire, répétez la procédure de développement avec des ajustements en temps pour éviter la surexploitation.
  7. Electroplate MEMS d'or faisceau.
    1. Utilisez un bécher de 1 L de bécher.
    2. Remplissez bécher avec 700 ml d'une vente dans le commerce, solution d'électrodéposition d'or prêt à l'emploi (ATTENTION 38) .Positionner bécher rempli sur une plaque chauffante.
    3. Mettre la plaque chauffante à 60 ° C. Utilisation d'un thermocouple pour garantir que la solution reste à la température souhaitée. Une fois que la solution a atteint la température souhaitée, fixer l'échantillon à un appareil qui contient l'anode, la pièce (l'échantillon), et le thermocouple.
    4. Réglez l'alimentation en courant à l'amplitude appropriée en fonction de l'expozone métallisée sed de l'échantillon. Une densité de courant constante de 2 mA / cm 2 est utilisée.
    5. Une anode en acier inoxydable est utilisé.
    6. Connectez le direct à l'anode et le sol de l'échantillon.
    7. La vitesse de dépôt est de 250 à 300 nm / min. L'épaisseur finale de la poutre fixe-fixe est de 0,5 um. Prenant en considération que une participation d'environ 4: 1, existe dans les vitesses de gravure de électrodéposés à l'or pulvérisé (en enlevant la couche de semence pulvérisé), le faisceau est galvanisé à 1 pm.
    8. Lorsque le temps nécessaire s'est écoulé, éteignez l'alimentation en courant, débrancher les fils de l'anode et la pièce, retirer l'échantillon, et rincer abondamment sous l'eau courante déminéralisée dans un évier pendant 1 min.
    9. Sécher l'échantillon avec de l'azote (Ne pas laisser l'eau s'évaporer de la surface).
    10. Utilisation d'un microscope et profilomètre pour vérifier que le dépôt électrolytique est terminée.
  8. Graver le moule de résine photosensible.
    1. Préchauffer le gbécher rempli lass avec un décapant de résine photosensible sur une plaque chauffante dédié à 110 ° C (ATTENTION 39). Immerger l'échantillon dans la solution pendant 1 heure.
    2. Retirer le bécher plaque de cuisson et permettre à la solution et goûter à atteindre la TA.
    3. Rincer l'échantillon sous l'eau courante dans un évier pendant 1-2 min.
    4. Immerger l'échantillon dans un bêcher rempli avec de l'acétone pendant 5 min.
    5. Immerger l'échantillon dans un bêcher rempli avec de l'alcool isopropylique pendant 5 min.
    6. Sécher l'échantillon avec de l'azote (Ne laissez pas l'alcool isopropylique à s'évaporer de la surface).
    7. Inspectez échantillon sous un microscope et mesurer la hauteur de la marche de l'Au galvanisé avec un profilomètre. Répétez les étapes de nettoyage si nécessaire.
  9. Gravure humide couche de semences Ti / Au chimique.
    1. Placer l'échantillon dans le plasma RIE et utiliser les paramètres suivants: 100 sccm d'Ar, 100 W, à 50 mètres pendant 30 secondes.
    2. Remplir un verre Téflon ou bécher Au gravure (ATTENTION 40). Utilisez enough pour couvrir la totalité de l'échantillon.
    3. Remplir un verre Téflon ou bécher avec de l'eau déminéralisée. Ce bécher servira de rinçage bécher intermédiaire de mettre fin rapidement la gravure Au.
    4. Immerger l'échantillon dans l'Au gravure. Paramètres de gravure - RT, 7-8 nm / sec, agité. Une fois la gravure terminée, immerger l'échantillon dans le bécher d'eau de rinçage et agiter doucement pendant 10-20 secondes.
    5. Rincer soigneusement l'échantillon sous l'eau déminéralisée dans un évier pendant 1-2 min.
    6. coup d'azote sec (Ne pas laisser l'eau s'évaporer de la surface).
    7. Inspectez la gravure sous un microscope et, si nécessaire, répéter jusqu'à ce que tout l'Au est retiré des zones exposées.
    8. Effectuer plasma RIE à nouveau sur l'échantillon avec les paramètres suivants: 100 sccm d'Ar, 100 W, 50 mT pendant 30 sec.
    9. Remplir un récipient en téflon avec BOE (assez pour se plonger l'échantillon).
    10. Remplir une Teflon avec de l'eau déminéralisée pour le rinçage de l'échantillon.
    11. Immerger l'échantillon dans le BOE à température ambiante. Lala vitesse de gravure est 15-18 nm / min.When le temps de gravure est terminée, retirez l'échantillon du bécher et l'immerger dans le bécher de rinçage pour 10-20 sec.
    12. Rincer soigneusement l'échantillon sous l'eau déminéralisée dans un évier pendant 1-2 min.
    13. coup d'azote sec (Ne pas laisser l'eau s'évaporer de la surface).
    14. Inspectez gravure et, si nécessaire, répéter jusqu'à ce que le titane est retiré des zones exposées. Réduire le temps de gravure pour éviter la sous-cotation significative.
  10. Effectuez une isotrope XeF2 gravure sèche (ATTENTION 41) qui élimine sélectivement le silicium et libère les poutres Au-fixes fixe.
    1. Purger la chambre de traitement dans l'atmosphère.
    2. Charger l'échantillon dans la chambre de traitement.
    3. Pomper le système vers le vide.
    4. Le temps de gravure dépend fortement de la surface exposée et le type de système de gravure utilisé. Pour cet échantillon sous une pression de 3 T avec un cycle de 30 secondes est utilisée. 10 cycles sont utilisés. Un taux de 110-1 de gravure20 nm / min est extrait.
    5. Une fois que le paramètre de gravure est situé dans le système, la gravure de la couche sacrificielle de silicium.
    6. Lorsque la gravure est terminée effectuez les étapes de purge nécessaires pour assurer gaz toxiques sont éliminés avant la purge du système à l'atmosphère. Le système de cette étude a un processus qui effectue automatiquement cette étape de purge.
    7. Purger la chambre de traitement dans l'atmosphère.
    8. Retirez délicatement les échantillons.
    9. Pompe la chambre de traitement vers le vide.

2 Validation Expérimentale de dynamique de forme d'onde

  1. échantillon de charge sur la station de la sonde DC.
    1. Placer l'échantillon sur le mandrin de la station de sonde CC.
    2. Activer le vide du mandrin pour maintenir l'échantillon vers le bas.
    3. Utilisez DC manipulateurs de pointe de sonde pour positionner les pointes de tungstène sur les plots de polarisation des ponts MEMS.
    4. Utilisez le microscope de la station de sonde DC pour voir le positionnement précis de la pointe de la sonde de tungstènes au cours de la polarisation DC patins de l'appareil. Le faisceau fixe fixe est sondée avec la pointe en direct de la sonde de signal tandis que les électrodes déroulants sont sondés avec la pointe de la sonde de sol.
  2. Programme de signal de polarisation dynamique sur le générateur de fonction.
    1. Utiliser des valeurs calculées pour la première vague des paramètres 20.
    2. Choisir la fonction de forme d'onde arbitraire sur le générateur de fonction pour créer la forme d'onde dynamique.
    3. Entrez les paramètres temporels de la forme d'onde. Selon le type de générateur de fonction, le premier paramètre de temps commence après quelques microsecondes (par opposition à 0 ps). L'intervalle entre le premier et le second paramètre temporel est calculé le temps qu'il faudra pour atteindre le rayon de l'écart de dépassement. L'intervalle entre le deuxième et le troisième paramètre de temps devrait être suffisamment long pour permettre au faisceau d'atteindre complètement l'équilibre avec oscillation minimale. Lors de la saisie des paramètres temporels de fonctionner dans le sens inverse (de pull-down pour libérer), le temps de l'écart de dépassement détermine l'intervalle de temps entre le troisième paramètre de temps et d'éteindre l'. Il y aura un cinquième intervalle de temps nécessaire de redémarrer la vague. Pour ce permis intervalle de temps suffisant pour que le faisceau d'atteindre l'équilibre avant de redémarrer le cycle.
    4. Saisissez les paramètres de tension de la forme d'onde. Les tensions sera une fraction de la tension effective appliquée à la poutre en raison de ce signal va passer par un amplificateur linéaire. Les valeurs programmées dans le générateur de fonction pour cette étude étaient 1/20 de la tension réelle.
    5. Connectez la sortie du générateur de fonction à la haute tension amplificateur linéaire à haute vitesse.
    6. Connectez la sortie de l'amplificateur linéaire à un oscilloscope numérique avec un taux de 300 MHz d'échantillonnage. L'oscilloscope est utilisé pour vérifier le signal de sortie du générateur de forme d'onde arbitraire.
    7. Connectez la sortie de l'amplificateur linéaire pour les manipulateurs DC. Assurez-vous que le générateur de fonction esthors tension pendant l'exécution de cette étape.
  3. Configuration et mesurer avec le vibromètre laser Doppler (LDV)
    1. Placez la tête qui détient la LDV sur l'échantillon.
    2. Allumez le laser.
    3. Utilisez le microscope qui est intégré à la LDV pour trouver le faisceau souhaité à mesurer.
    4. Concentrer le laser sur le centre du pont MEMS. C'est le point de déformation maximale.
    5. S'assurer que l'intensité de la réflexion du faisceau laser est suffisante pour une mesure précise.
    6. Réglez l'heure de l'échantillonnage à la fréquence d'échantillonnage appropriée. Cette mesure s'appuie sur un taux de 5,1 MHz d'échantillonnage.
    7. Sélectionnez la sortie de déplacement en fonction du temps pour la LDV.
    8. Sélectionnez le mode de mesure en continu.
    9. Appliquer le signal de polarisation sur les ponts MEMS. La LDV capturer l'effet de cloche en temps réel.
    10. Cision le timing et tension paramètres sur le générateur de fonction pour atteindre un minimum l'oscillation du faisceau sur le menu déroulant et la libérationopérations.
    11. Une fois les valeurs optimales sont trouvés à couper le signal de polarisation.
    12. Désactivez le mode de mesure de LDV continue.
    13. Soulevez les pointes de sonde DC à partir des plaquettes de polarisation.
    14. Connectez l'entrée de déclenchement du générateur de fonction à la sortie de déclenchement de l'interface matérielle de LDV. Pour cette étude, un câble BNC est utilisé pour cette connexion.
    15. Régler le générateur de fonction pour reconnaître le déclenchement externe du système de LDV.
    16. Choisir le logiciel de LDV pour déclencher le générateur de fonction lorsque le mode de balayage de mesure commence.
    17. Choisir le logiciel de LDV mode unitaire. Le seul balayage de temps sera la durée de la forme d'onde.
    18. Déposer les pointes de sonde à courant continu vers le bas sur les plages de rappel du pont MEMS.
    19. Capturer le signal de balayage en activant le mode de la LDV de mesure.
    20. Enregistrer le déplacement par rapport à des données de temps.

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Résultats

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La configuration de la figure 4 est utilisée pour capturer la déviation par rapport à des caractéristiques temporelles des ponts MEMS. En utilisant le laser doppler vibromètre dans son mode de mesure en continu, les paramètres de tension et de temps précises peuvent être trouvés à entraîner l'oscillation du faisceau minimum à la hauteur de l'intervalle souhaité. Figure 5 illustre une déviation exemple de faisceau correspondant à la hauteur de 60 V d'écart. On constate que la quasi-total...

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Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Faible contrainte résiduelle Au dépôt du film et une libération sec avec XeF2 sont des éléments gravement à la fabrication réussie de l'appareil. Actionneurs frangeant champ électrostatique fournissent des forces relativement faibles par rapport aux actionneurs terrain à plaques parallèles. MEMS typiques minces contraintes de films> 60 MPa donneront lieu à des tensions élevées de l'entraînement qui peuvent potentiellement compromettre la fiabilité de l'EFFA MEMS. Pour cette raison, la recette d...

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Déclarations de divulgation

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Les auteurs n'ont rien à divulguer.

Remerciements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Les auteurs tiennent à remercier Ryan Tung pour son aide et discussions techniques utiles.

Les auteurs souhaitent également souligner l'aide et le soutien du personnel technique Birck Nanotechnology Center. Ce travail a été financé par l'Agence Defense Advanced Research Projects sous la Purdue Micro-ondes reconfigurable évanescent Mode cavité Filtres étude. Et aussi par le Centre de prévision NNSA de la fiabilité, l'intégrité et la survie des microsystèmes et ministère de l'Énergie sous Prix Nombre DE-FC5208NA28617. Les vues, les opinions et / ou les conclusions contenues dans le présent document / présentation sont celles des auteurs / présentateurs et ne doivent pas être interprétées comme représentant l'opinion ou les politiques officielles, explicite ou implicite, de l'Agence pour les projets de recherche avancée de défense ou le ministère de la Défense.

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
Chemicals
Buffered oxide etcantMallinckrodt Baker1178Dioxyde de silicium gravé, Ti etch
AcétoneMallinckrodt Baker5356Wafer clean
Alcool isopropyliqueHoneywellBDH-140Wafer clean
HexamethyldisilizaneMallinckrodt Baker5797Adhérence promoteur
Microposit SC 1827 Positive PhotoresistShipley Europe Ltd44090Motif, galvanoplastie
Microposit MF-26A développeurShipley Europe Ltd31200Develop SC 1827
Hydroxyde de tétraméthylammoniumSigma-Aldrich334901Bulk Si etch
Acide sulfuriqueSciencelab.comSLS2539Wafer clean
Peroxyde d’hydrogèneSciencelab.comSLH1552Wafer clean
Transene Sulfite Gold TSG-250Transense110-TSG-250Au Solution de galvanoplastie
Baker PRS-3000 Positive Resist StripperMallinckrodt Baker6403Décapant photoresist
Type de mordançant d’or TFATransense060-0015000Au etch
Equipement
AligneurKarl Suss MJB-3Motif photoresist
Revêtement par pulvérisation cathodantePerkin Elmer 2400 SputtererDépôt
métal Four d’oxydationFour d’oxydation pyrogèneGrow dioxyde de silicium
Gravure ionique réactive PlasmatechRIECendres plasmas
Gravure à secde dioxyde de xénonXactix Difluorure de xénon Graveur Gravuresélective du silicium isotrope sec
ProfilomètreAlpha-Step IQMesure de la hauteur de pas
Anneau deSignatoneMaintient les manipulateurs de sonde DC
ManipulateursSignatone Série S-900 MicropositionneurApplique la différence de potentiel à l’appareil
Vibromètrelaser DopplerPolytec OFV-551/MSA-500 Analyseur de micro-systèmesMesure du temps de commutation
de fonctions numériquesAgilent E4408B Générateur de fonctionsCrée la forme d’onde dynamique DC
AmplificateurAmplificateur linéaire haute tension monocanal A400
Agilent DS05034A Oscilloscope numériqueVérifier les paramètres de forme d’onde dynamique
de masque thermique de surface sonde DC Générateur linéaire haute tension Facilite l’oscilloscope numérique haute tension

Références

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
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Mots-clés

MEMS ActuatorsFringing field ElectrostaticDC dynamic BiasingSubstrate RemovalSwitching Time ImprovementUV LithographyTetraethyl Ammonium HydroxideBuffered Hydrofluoric AcidGold ElectroplatingLaser Doppler Vibrometry

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