Real-Time DC-דינמית הטיית שיטה להחלפת זמן שיפור בשולים בשדה קשות Underdamped תנעי MEMS אלקטרוסטטית
15 באוגוסט 2014
עיצוב המכשיר חזק של תוצאות מפעילי MEMS אלקטרוסטטי fringing שדה בתנאי מיסוד נמוכים לסחוט סרט דעיכת ופעמים רבות יישוב בעת ביצוע פעולות מיתוג באמצעות הטיית צעד קונבנציונלית. בזמן אמת מיתוג שיפור זמן עם צורות גל DC-דינמיים מקטין את הזמן ליישב של שולים בשדה MEMS מפעילים כאשר מעבר בין up-to-למטה ולמטה אל את המדינות.
המטרה הכללית של הניסוי הבא היא לשפר את זמן ההתייצבות של מפעילים במיקרו-מערכות אלקטרומכניות (MEMS) המבוססים על שדות שוליים אלקטרוסטטיים בעלי תת-שיכוך חמור. מטרה זו מושגת באמצעות ייצור מיקרו של מפעיל ה-MAMs האלקטרוסטטי. כשלב שני, התשתית מתחת למפעיל נחרטת באופן סלקטיבי, דבר המפחית משמעותית את שיכוך שכבת הדחיסה ומעצים את תנאי תת-השיכוך החמור. לאחר מכן, נעשה שימוש בצורות גל של הטיות דינמיות בזמן אמת כדי לקבוע את פרמטרי צורת הגל האופטימליים עבור זמן התייצבות מהיר.
התוצאות שהתקבלו מראות שיפור משמעותי בזמן המיתוג בהשוואה להטעיה טיפוסית במדרגה. למרות שהשיטה משמשת לשיפור זמן המיתוג של מפעילים בעלי שדה שולי אלקטרוסטטי, ניתן ליישמה גם בתחומים כגון מיקרו-מטרוлогия להפקת פרמטרים של שכבות דקות, כגון מודול יאנג, יחס פואסון ומאמץ מתיחה דו-צירי. השלב הראשון בייצור קורות MEMS בעלות שדה שולי אלקטרוסטטי הוא ליתוגרפיה ב-UV.
התחל עם מצע סיליקון מחומצן בעל התנגדות נמוכה שנקי כראוי, בממדים של 25 מילימטרים על 50 מילימטרים ובעובי של 0.5 מילימטרים. בסרטון זה, תיאורים סכמטיים של חתך הרוחב ומבט מלמעלה של המצע יראו את התקדמות תהליך הייצור. הנח את המצע על הצ'אק של ספינר לפוטורזיסט, בצע ציפוי סבב (spin coat) של hexa methyl dine, ולאחר מכן פוטורזיסט חיובי.
סובב כל אחד ב-3,500 RPM למשך 30 שניות. העבר את הדגימה לפלטה מחממת המכוונת ל-105 degrees Celsius ובצע אפייה רכה (soft bake) לפוטורזיסט למשך 90 שניות. זוהי תרשים המבט של הדגימה בנקודה זו.
עם סיום שלב זה, העבירו את הדגימה למכשיר יישור מסכות (mask aligner). השתמשו במכשיר, שגרסה מפושטת של המסכה שלו מוצגת כאן, וחשפו את הדגימה לקרינת UV באורך גל של 350 עד 450 ננומטרים ובאנרגיית חשיפה של 391 מיליג'ול לסנטימטר רבוע. לאחר מכן, העבירו את השקופית לשתי כוס כימית שהוכנו מראש, אחת עם חומר פיתוח המבוסס על tetraethyl ammonium hydroxide והשנייה עם מים דה-יוניים, כאשר בכל אחת מהן נפח מספיק כדי לשקוע את הדגימה; השקיעו את הדגימה החשופה בחומר הפיתוח למשך 12 עד 20 שניות ונערה אותה בעדינות.
לאחר מכן, הוצא במהירות את הדגימה ושקע אותה במי השטיפה למשך 10 שניות. לאחר שהדגימה נשטפה היטב ויובשה באמצעות חנקן, בחן אותה תחת מיקרוסקופ כדי לקבוע אם נדרש פיתוח נוסף. איור זה מציג את הדגימה עם השלמת הפיתוח.
בצעו תכשיט רטוב באמצעות חומצה הידרופלואורית בבuffer להסרת שכבת התחמוצת. לאחר מכן, הסירו את הפוטורזיסט באמצעות אצטון ואיזופרופיל אלכוהול. השלב הבא הוא תכשיט כימי באמצעות טטרהאתיל-אמוניום הידרוקסיד.
השתמשו בפלטה מחוממת עם תרמוזוג (thermocouple) לשמירה על הטמפרטורה, במגנט Stir bar, בכלי בקר (beaker) נקי בנפח של ארבעה ליטר ובסל טפלון שניתן להניח בתוך הכלי. מזגו תמיסת tetraethyl ammonium בריכוז של 25% ממשקל עד לסימון של שני ליטר בכלי, הוסיפו את המגנט והדביקו את התרמוזוג בתוך התמיסה. לאחר מכן, חממו מראש את התמיסה ל-80 °C; ברגע שהתמיסה תגיע ל-80 °C.
הניחו את הדגימה בסל, ותלו את הסל בתוך התמיסה מקצה הכלי. ודאו שנותר מקום למגנט של מערבל המגנטי להסתובב. קבעו את קצב הסיבוב של המערבל ל-400 RPM ובצעו תחקור (etching) לעומק של ארבעה עד חמישה מיקרומטרים.
לאחר כ-15 דקות, שטפו וייבשו את הדגימה כראוי ובדקו את גובה המדרגה באמצעות פרופילומטר. איור זה מציג את הדגימה כאשר הושג גובה המדרגה הרצוי. השלב הבא הוא הסרת הסיליקון הדו-חמצני.
הכינו כלי טפלון עם חומצה פלואורידית, 49% נפח, בכמות המספיקה לכיסוי הדגימה, וכלי טפלון שהוכן באופן דומה עם מים דה-יוניים. הניחו את הדגימה בחומצה הפלואורידית עד להסרה מלאה של הסיליקון דיאוקסיד, למשך פחות מ-30 שניות. העבירו את הדגימה למים הדה-יוניים והשאירו אותה שם למשך 10 עד 20 שניות.
המשיכו בשטיפות נוספות והסירו גם שאריות אורגניות מהדגימה. קחו את הדגימה הנקייה והיבשה ובצעו חמצון תרמי רטוב כדי לגדל שכבה של 500 nanometers של silicon dioxide על פני השטח שלה. להלן ייצוג של הדגימה לאחר שלב הגדילה כאשר שכבת ה-silicon dioxide הושלמה; שוב, בצעו spin coat של hexa methyl xylazine ולאחריו positive photoresist על הדגימה.
לאחר אפייה רכה של הפוטורזיסט, השתמש במכשיר ליישור מסכות (mask aligner) כדי לחשוף את הדגימה לקרינת UV באורך גל של 350 עד 400 ננומטר. המסכה המוצגת היא פשוטית, עם אנרגיית חשיפה של 391 מיליג'ול לסנטימטר רבוע. לאחר מכן, פתח את הדגימה במפתח המבוסס על tetraethyl ammonium hydroxide.
השלימו את התהליך של תעיית השכבה באמצעות חומצה הידרופלואורית מובחנת (buffered hydrofluoric acid) והסירו את הפוטו-רזיסט (photo resist). הדגימה מוכנה כעת להשקעה בשיטת התזה (sputter deposition) של שכבת הזרע לציפוי האלקטרו-פלקטורי. השקיעו בשיטת התזה 20 nanometers של טיטניום, ולאחריהם 100 nanometers של זהב.
תמונה זו מציגה את הדגימה לאחר שהושבה. כעת היא עוברת שוב ציפוי ספין (spin coating) עם hexa methyl DIY במהירות של 3,500 RPM למשך 30 שניות. לאחר מכן, מיושם פוטורזיסט חיובי במהירות של 2000 RPM למשך 30 שניות; באמצעות מכשיר יישור מסכות (mask aligner), מיישרים את הדגימה וחושפים אותה לקרינת UV באורכי גל של 350 עד 450 ננומטר.
באנרגיית חשיפה של 483 millijoules per centimeter squared, פיתחו דגימה במפתח מפתח המבוסס על tetraethyl ammonium hydroxide. לאחר שטיפה יסודית, בחנו את הדגימה באמצעות מיקרוסקופ כדי לקבוע אם נדרש פיתוח נוסף. עם סיום הפיתוח, בצעו ציפוי חשמלי של קורת ה-mems מזהב, תחילה על ידי מילוי כוס כימיות מזכוכית נקייה בנפח של one liter ב-700 milliliters של תמיסה לציפוי זהב חשמלי.
הניחו את הכלי על פלטה מחממת וכווןו אותה ל-60 °C. השתמשו בתרמוקפל כדי להבטיח שהטמפרטורה תישאר בערך הרצוי. כאשר הטמפרטורה תגיע ל-60 °C, הצמידו את הדגימה למתקן המחזיק גם את התרמוקפל ואת האנודה מפלדת אל-חלד.
בצע ציפוי אלקטרומגנטי לדגימה תוך שימוש בצפיפות זרם של 2 mA/cm² עד להספת הזמן הדרוש. לאחר כשתי דקות, כבה את אספקת הזרם והוצא את האלקטרודות כדי לשלוף את הדגימה.
יש לאמת את השלמת הפסילוף החשמלי. השתמשו בפרופילומטר ובמיקרוסקופ כדי לתעד את התהליך. הסירו את תבנית הפוטורזיסט על ידי מילוי בכלי זכוכית של מסיר פוטורזיסט ייעודי.
הניחו זאת על פלטה מחממת וחממו ל-110 °C. עם הגעה לטמפרטורה זו, טבלו את הדגימה בתמיסה למשך שעה אחת. בתום השעה, הסירו את הכלי מהפלטה המחממת והמתינו עד שהתמיסה והדגימה יתקררו לטמפרטורת החדר.
סקיצות אלו מייצגות את מה שצריך לראות לאחר ניקוי הדגימה. האזור הצהוב מימין מייצג את שכבת הזהב שהופקדה. אזורי הזהב מייצגים את הקורות שעברו ציפוי אלקטרוליטי.
לאחר החספסת הפני השטח, טבול את הדגימה בכלי טפלון עם תמיסת תקיאת זהב למשך 30 עד 45 שניות. עם הסיום, הפסק במהירות את התקיאה על ידי טבילת הדגימה במים דה-יוניים למשך 10 עד 20 שניות. כאשר כל הזהב הוסר, ולאחר הספקה נוספת, טבול את הדגימה בתמיסת תקיאת חומצה הידרופלואורית עם בופר בטמפרטורת החדר למשך שלוש עד שש שניות, שטוף, ייבש ובדוק את התקיאה כדי לוודא שכל הטיטניום הוסר מהאזורים החשופים, כפי שמוצג כאן באופן סכימטי. כשלב סופי, בצע תקיאת xenon di fluoride איזוטרופית יבשה. פעולה זו תסיר באופן סלקטיבי את הסיליקון ותשחרר את קורות הזהב הקבועות.
זהו תצורת הקורות הסופית לאחר ייצור הקורות הקבועות. השלב הבא הוא תיקוף ניסיוני. הניחו את הדגימה על הצ'אק (chuck) של תחנת בדיקה מסוג DC והדקו אותה.
בשלב הבא, השתמשו במיקרוסקופ של תחנת הבדיקה (probe station) כדי למקם במדויק את קצות מחטי התנגסטן. הניחו את קצה מחט אות הסיגנל החי מעל הפד של הקורה הקבועה. הניחו את קצה מחט ההארכה מעל הפד של אלקטרודות המשיכה (pull down electrodes) מעל פדי ממתח ה-DC של ההתקן.
בשלב הבא, הגדירו את פרמטרי גל הנושאי במחולל הפונקציות. בהתאם לחישובים, העבירו את הפלט של מחולל הפונקציות למגבר ליניארי בעל מתח גבוה ומהירות גבוהה. נטרו את הפלט באמצעות אוסצילוסקופ דיגיטלי עם קצב דגימה של 300 megahertz.
כאשר מחולל הפונקציות כבוי, חברו את המוצא של המגבר הליניארי למניפולטורי ה-DC. כעת מקמו את ברומטר הלייזר דופלר מעל הדגימה והדליקו את הלייזר. השתמשו במיקרוסקופ המובנה כדי לזהות את הקרן הרצויה ומקדו את הלייזר למרכזה.
בחרו את קצב הדגימה של הפלט ואת מצבי המדידה. עם השלמת ההכנות, גרמו את אות ההטיה (biasing signal) לגשרי ה-MEMS. התחילו בכיוון פרמטרי התזמון והמתח בגנרטור הפונקציות, ופעלו להשגת תנודות מינימליות של הקורה בפעולות המשיכה (pull down) והשחרור.
לאחר מציאת הערכים האופטימליים, כבו את אות ההטיה (biasing signal) ואת מצב המדידה הרציף של ברומטר לייזר דופלר. הרימו את קצות הפרובה מהמגעים המטייחים (biasing pads). לאחר מכן, הפעילו את המכשיר במצב סריקה בודדת באמצעות viter, כפי שמתואר בפרוטוקול הטקסט המצורף.
החזירו את קצות גששי ה-DC אל פדי ההטיה (biasing pads) של גשר ה-MEMS. הפעילו את סריקת האות ותעו את נתוני ההעתקה לעומת הזמן. כאן מוצגים סטיות הקורה כפונקציה של הזמן עבור גשר MEMS בתגובה למתח הטיה של 60 volt עבור ארבעה תנאים שונים.
תגובות שחרור במדרגה מוצגות בשחור ומראות תנודות. מדידות שחרור דינמיות המוצגות באדום בוצעו לאחר כוונון של מדידות תזמון ומתח. אלה מראות כי התנודות הוסרו במידה רבה.
לאחר מציאתו, גל הצורה הדינמי שימושי עבור כל הפערים, ולא רק עבור זה הקשור למתח ממת (input bias) של 60 volt. כאן, תגובת המשיכה למטה (pull down) מוצגת עבור מספר גבהי פערים התואמים למתחי ממת שונים. בכל מקרה, התנודות מוגבלות.
בדומה לכך, להלן תגובות השחרור בכל מקרה. שימו לב כי כמעט כל התנודות הוסרו. אנא זכרו שעבודה עם כימיקלים כגון חומצה פלואורידית ו-TMAH עלולה להיות מסוכנת ביותר.
לפיכך, יש לנקוט באמצעי זהירות, כגון לבישת ציוד מגן אישי, בעת ביצוע הליך זה.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
מחקר זה מתמקד בשיפור זמן ההתייצבות של מפעילים אלקטרוסטטיים מסוג fringing field בטכנולוגיית MEMS, המאופיינים בתנאי שיכוך נמוכים. באמצעות שימוש בצורות גל של מתח הטיות דינמי, המחקר שואף לשפר משמעותית את זמני המיתוג בהשוואה לשיטות מסורתיות.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום מדעי
- מערכות מיקרו-אלקטרו-מכניות (MEMS)
- אלקטרוסטטיקה
- ייצור התקנים
רקע
- מפעילים אלקטרוסטטיים מסוג MEMS עם שדה שולי (Fringing-field) מציגים ריסון נמוך של שכבת דחיסה (squeeze-film damping).
- הטיה מדורגת קונבנציונלית מובילה לזמני התייצבות ארוכים.
- צורות גל של הטיה דינמית יכולות למטב את ביצועי המיתוג.
- היישומים נשירים למטרולוגיה מיקרוסקופית לצורך הפקת תכונות חומרים.
מטרת המחקר
- להפחית את זמן ההתייצבות במפעילים של MEMS עם תת-ריסון חמור.
- לבחון את השפעות תכסית התשתית על תנאי הריסון.
- לזהות את פרמטרי גלי הצורה האופטימליים לשיפור זמני המיתוג.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- מיקרו-פבריקציה של מפעילים אלקטרוסטטיים מסוג MEMS.
- תעשה סלקטיבית של התשתית להפחתת הריסון.
- יישום של גלי מתח דינמיים בזמן אמת.
- השוואת תוצאות מול מתח הטיות טיפוסי מסוג מדרגה יחידה.
תוצאות עיקריות
- נצפה שיפור משמעותי בזמני המיתוג.
- צורות גל דינמיות הציגו ביצועים טובים יותר משיטות קונבנציונליות.
- השיטה ישימה לתחומים אחרים כגון מיקרו-מטרולוגיה.
- התוצאות תורמות להבנת ביצועי המפעיל (actuator).
מסקנות
- הטיה דינמית משפרת ביעילות את זמני ההתייצבות.
- חריטה סלקטיבית של התשתית מועילה לביצועי המפעיל.
- לממצאים יש השלכות רחבות יותר עבור יישומי MEMS.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
שיטה זו נותנת מענה לאתגר של זמני התייצבות ארוכים במפעילים של MEMS עם תת-ריסון (underdamped), גורם קריטי בסינון בתפוקה גבוהה ובפיתוח בדיקות שבהם הפעלה מהירה ואמינה משפיעה על איכות הנתונים ועל התפוקה. על ידי שיפור ביצועי המיתוג באמצעות הטיות דינמיות ושינוי של התשתית, הגישה מגבירה את הביטחון החזוי בבסנסורים ביולוגיים מבוססי MEMS ובפלטפורמות של מעבדה על שבב (lab-on-a-chip) המשמשות לאימות מטרות ולסינון פנוטיפי. הטכניקה תומכת בהפחתת סיכונים מכניסטיים על ידי מתן אפשרות לשליטה מדויקת בתגובה המכנית, ובכך מפחיתה את השונות במדדים ביולוגיים שלבים מאוחרים יותר בתהליך.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביופארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: מאפשר בחינה של היפותזות טיפוליות באמצעות הפעלה מדויקת וניתנת לשחזור בחיישנים ביולוגיים מבוססי MEMS לזיהוי סמנים ביולוגיים.
- ערך תפעולי: מקצר את זמן ההתייצבות, ובכך מגביר את התפוקה במבדקי תיקוף של מטרות פונקציונליות הדורשים ייצוב מהיר של האות.
סריקה ופיתוח בדיקות (Assay Development)
- ערך מדעי: הכנת ממשקים ביולוגיים שעברו תיקוף על פלטפורמות MEMS לצורך סריקת תרכובות בשלבים הבאים עם נאמנות אות משופרת.
- ערך תפעולי: מענה לסטנדרטיזציה ושחזוריות של הבדיקה על ידי מזעור ארטיפקטים של תנודות מכניות בקריאות המבוססות על תזוזה.
- ערך אסטרטגי: תמיכה במערכי חיישני MEMS ניתנים לשימוש חוזר ובקנה מידה רחב עבור קמפיינים של סריקה בתוכן גבוה (high-content screening).
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- ערך מדעי: מתואם עם מערכות רלוונטיות למחלות על ידי כך שמאפשר הפקה מדויקת של תכונות מכניות של שכבות דקות (למשל, מודול יאנג) הרלוונטיות למודלים של הנדסת רקמות.
- ערך תפעולי: מבטיח רציפות משלב הגילוי ועד לתיקוף פרה-קליני על ידי אספקת הנעה יציבה בעלת שיכוך נמוך לניטור לאורכי.
שילוב תהליכי עבודה וקווי עיבוד
השיטה משתלבת ברצף הגילוי, החל מתיקוף מטרות בשלבים מוקדמים ועד למידול פרה-קליני, שבו אקטואטורים מסוג MEMS משמשים כמתמרים בפלטפורמות של חישתו-ביולוגית הדורשות תגובה מכנית מהירה ויציבה.
- ביולוגיה של הגילוי: תומכת בבדיקת השערות ובהבהרת מסלולים על ידי מתן שליטה דינמית ומדויקת בביוסנסורים מבוססי MEMS בזיהוי סמנים ביולוגיים בזמן אמת.
- סריקה: משפרת את מוכנות הבדיקה ואת מהימנות הפלט הכמותי על ידי הפחתת זמן ההתייצבות והתנודתיות במדידות עקיפה.
- אנליטיקה: מספקת נתוני עקיפה לעומת זמן ברוחב פס גבוה ורעש נמוך, המאפשרים השוואה מדויקת בין תנאים ניסיוניים.
- מחקר תרגומי: מקשרת לרצף פרה-קליני באמצעות הפקת תכונות חומרים (למשל, מאמץ מתיחה דו-צירי) הרלוונטיים לחיקוי של המטריצה החוץ-תאית.
- שימוש חוזר ארגוני: ממצבת את גישת הייצור וההטיה של ה-MEMS כפלטפורמה בעלת יכולת שימוש חוזר בפורמטים מרובים של בדיקות ובסוגי מטרות שונים.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: ביטחון חיזוי בביצועי ביו-חיישנים מבוססי MEMS, הפחתת עמימות מכניסטית בתגובה מכנית.
- ערך תפעולי: סטנדרטיזציה, הדירות ויכולת הרחבה (scalability) של ההפעלה במערכי MEMS בקנה מידה של פרוסה (wafer-scale).
- ערך אסטרטגי: קבלת החלטות משופרת לגבי המשך פיתוח (go/no-go) בתהליכי פיתוח בדיקות, יעילות הונית באמצעות הגדלת התפוקה, והפחתת תוצאות ביולוגיות שגויות שליליות הנובעות מחוסר יציבות של האות.
- השפעה על תיק המוצרים: תעדוף מותאם סיכון של כלי אבחון וסינון מבוססי MEMS בהתבסס על נאמנות הפעלה (actuation fidelity) מאומתת.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות בתהליכי מיקרו-פבריקציה של MEMS, פוטוליתוגרפיה ותהליכי תססית רטובה (wet etching).
- תלוי בגישה למגברים במהירות גבוהה ובמתח גבוה, ובשיטת ויברומטריה בלייזר דופלר (laser Doppler vibrometry) לצורך תיקוף הביצועים.
- מחייב סטנדרטיזציה בין-צוותית בין קבוצות המיקרו-פבריקציה, פיתוח הבדיקות (assay development) וניתוח הנתונים.
- כולל שיקולי התאמה בעת העברת שלב הסרת התשתית למערכות חומרים או גיאומטריות שונות של MEMS.
- מגבלות מעשיות כוללות דרישות קצב שינוי (slew rate) תוקפני עבור משאבות מטען לצורך אינטגרציה על השבב ותאימות לעיבוד CMOS בשלבים הסופיים (back-end-of-line).
