Name: 重度不足減衰フリンジフィールド静電MEMSアクチュエータに時間改善スイッチング用リアルタイムDC-ダイナミックバイアス方式 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2014-08-15T17:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 44 s
Description: 学ぶ 重度不足減衰静電MEMSアクチュエータの応答時間改善法。基板選択エッチングによる減衰低減と動的バイアス波形のリアルタイム制御により、従来のステップバイアスと比較してスイッチング時間を大幅に短縮する手法を解説します。

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著者は、彼の支援と便利な技術的な議論のためにライアン桐に感謝したい。 著者はまた、Birckナノテクノロジーセンターの技術スタッフの協力と支援を承認したいと思います。この作品は、パーデュー電子レンジリコンエバネッセントモード空洞の下で国防高等研究計画局によってサポートされていましたが研究をフィルタリングします。また、受賞数DE-FC5208NA28617下の信頼性、整合性とマイクロシステムの耐障害性とエネルギー省の予測のNNSAセンター。この論文/プレゼンテーションに含まれているビュー、意見、および/または所見は、著者/発表者のものであり、米国防総省の国防高等研究計画局や課の、明示または黙示の公式見解や政策を代表するものと解釈すべきではない国防。

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著者らは、開示することは何もない。

低残留応力Au膜堆積およびXeF 2を用いたドライリリースは、デバイスが正常に製造において極めて重要なコンポーネントです。平行平板フィールドアクチュエータと比較した場合、静フリンジフィールドアクチュエータは、比較的低い力を提供する。 &gt; 60MPaでの典型的なMEMS薄膜の応力は、潜在的にEFFA MEMSの信頼性が損なわれる可能性が過度に高い駆動電圧になります。この理由のために電気めっきレシピを注意深く低二軸平均応力の薄膜を得ることを特徴としている。さらに、この研究では、熱サイクルを必要とするプロセス工程の間に（フォトレジストと比較して）の膨張および収縮の相対的な不足による犠牲層型としてシリコンを使用する。最後に、XeF 2を用いたドライ解放ステップは、事実上静止摩擦をなくすことにより、高収率処理を容易にします。 所望のビームギャップ高さはオーバーシュートギャップ高さに相当する（ 図2B </最初のステップバイアス20に対応して強い&gt;）。ビームがオーバーシュート/所望の...

微小電気機械システム（MEMS）の機械的変位を達成するために、いくつかの作動機構を利用する。最も人気のある、熱、圧電、静磁気、静電である。短いスイッチング時間のために、静電駆動は、最も人気のある手法1、2である。実際には、批判的に減衰機械的なデザインは、最初の立ち上がり時間と整定時間の間で最良の妥協点を提供します。膜はスナップダウンと誘電被覆された作動電極に付着するようにDCバイアスを印加し、ダウンプルダウン電極に向かって膜を作動させる際に、セトリング時間が重要な問題ではない。 8 -いくつかのアプリケーションは、上記の静電駆動設計3の恩恵を受けている。しかし、誘電体コーティングされたプルダウン電極の存在は誘電充スティクションにアクチュエータが受けやすくなります。 MEMS膜はuと利用することができる高速の立ち上がり時間を達成するために機械設計をnderdamped。減衰しにくい機械設計の例としては、（EFFA）MEMS作動の静フリンジ·フィールドです。このトポロジでは、静電ベースの設計9-20を悩ませ、一般的な故障メカニズムにはるかに少ない脆弱性を出品しています。これらのMEMSは、適切に（ 図1）が作動「フリンジ場」と呼ばれる理由平行対向電極と、結果として平行電場が存在しないことである。 EFFA設計では、プルダウン電極が位置する横方向に完全に装置の可動部品と静止部品との間の重複を排除し、可動膜にオフセットされた2つの別個の電極に分割される。しかし、可動膜の下からの基板の除去が著しく、それによってセトリング時間を増加させる成分を減衰させるスクイズフィルムを低下させる。 図2Bは standarに応答におけるセトリング時間の一例であるd個のステップバイアス。一過性の、またはDC-ダイナミックリアルタイムで付勢適用セトリング時間20-26を改善するために使用することができる。 図2Cおよび2Dは ​​、定性的に時間的に変化する波形を効果的にリンギングをキャンセルする方法を説明する。以前の研究努力は、スイッチング時間を改善するために、入力バイアスの正確な電圧およびタイミングを計算するために数値的方法を利用する。この作品での方法は、入力バイアス波形パラメータを計算するために、コンパクトな閉じた形の式を使用しています。さらに、以前の研究では、平行板作動に焦点を当てた。構造は不足制動されるように設計されていますが、スクイーズフィルムダンピングはまだこの構成で利用可能です。この作品で提示作動方法は、フリンジフィールド駆動である。この構成では、スクイーズフィルムダンピングを効果的に排除される。これは、MEMSビームの機械的減衰が非常に低い極端な場合を表す。本稿ではEFFA MEMS DEVを作製する方法について説明します氷と実験的に波形のコンセプトを検証するための測定を行います。

<table><tbody><tr><td colspan="4">Chemicals</td></tr><tr><td>緩衝酸化物エッチング液</td><td>Mallinckrodt Baker</td><td>1178</td><td>二酸化ケイ素エッチング、Tiエッチング</td></tr><tr><td>アセトン</td><td>Mallinckrodt Baker</td><td>5356</td><td>ウェーハクリーン</td></tr><tr><td>イソプロピルアルコール</td><td>Honeywell</td><td>BDH-140</td><td>ウェーハクリーン</td></tr><tr><td>ヘキサメチルジシリザン</td><td>Mallinckrodt Baker</td><td>5797</td><td>接着プロ</td></tr><tr><td>モーターMicroposit SC 1827ポジティブフォトレジスト</td><td>Shipley Europe Ltd</td><td>44090</td><td>パターン、電気めっき</td></tr><tr><td>Microposit MF-26A開発者</td><td>Shipley Europe Ltd</td><td>31200</td><td>SC 1827</td></tr><tr><td>テトラメチルアンモニウム水酸化物</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>334901</td><td>バルクSiエッチング</td></tr><tr><td>硫酸</td><td>Sciencelab.com</td><td>SLS2539</td><td>ウェーハクリーン</td></tr><tr><td>を開発過酸化水素</td><td>Sciencelab.com</td><td>SLH1552</td><td>ウェーハ クリーン</td></tr><tr><td>トランセン 亜硫酸塩 金 TSG-250</td><td>トランセンス</td><td>110-TSG-250</td><td>金 電気めっき液</td></tr><tr><td>ベーカー PRS-3000 ポジレジストストリッパー</td><td>マリンクロット ベーカー</td><td>6403</td><td>フォトレジストストリッパー</td></tr><tr><td>金エッチング液タイプ TFA</td><td>トランセンス</td><td>060-0015000</td><td>金 エッチング</td></tr><tr><td colspan="4">装備</td></tr><tr><td>Mask アライナー</td><td></td><td>カール・サス MJB-3</td><td>パターンフォトレジスト</td></tr><tr><td>スパッタコーター</td><td></td><td>パーキン・エルマー 2400 スパッタラー</td><td>デポジットメタル</td></tr><tr><td>熱酸化炉</td><td></td><td>パイロジェニック酸化炉</td><td>二酸化ケイ素の成長</td></tr><tr><td>反応性イオンエッチング</td><td></td><td>プラズマテック RIE</td><td>プラズマ灰</td></tr><tr><td>キセノン二フッ化物ドライエッチャー</td><td></td><td>Xactixキセノン二フッ化物エッチング</td><td>選択的乾燥等方性シリコンエッチング</td></tr><tr><td>表面形状測定</td><td></td><td>アルファステップIQ</td><td>ステップ高さ測定</td></tr><tr><td>プローブリング</td><td></td><td>Signatone</td><td>保持 DCプローブマニピュレーター</td></tr><tr><td>DCマニピュレーター</td><td></td><td>Signatone S-900シリーズ マイクロポジショナー</td><td>デバイスに電位差を適用する</td></tr><tr><td>レーザードップラー振動計</td><td></td><td>ポリテック OFV-551/MSA-500 マイクロシステムアナライザ</td><td>スイッチング時間計測</td></tr><tr><td>デジタルファンクションジェネレータ</td><td></td><td>Agilent E4408B ファンクションジェネレータ</td><td>DCダイナミック波形を作成</td></tr><tr><td>高電圧リニアアンプ</td><td></td><td>シングルチャネル高電圧リニアアンプ A400</td><td>高電圧を実現</td></tr><tr><td>デジタルオシロスコープ</td><td></td><td>Agilent DS05034Aデジタルオシロスコープ</td><td>ダイナミック波形パラメータの確認</td></tr></tbody></table>

重度不足減衰フリンジフィールド静電memsアクチュエータに時間改善スイッチング用リアルタイムdc-ダイナミックバイアス方式

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

機械的に減衰しにくい静フリンジフィールドMEMSアクチュエータはよく単位ステップ入力バイアス電圧に応答して、その高速スイッチング動作のために知られている。しかし、改善されたスイッチング性能のためのトレードオフは、さまざまな印加電圧に応じて、各ギャップ高さに到達するために比較的長いセトリング時間である。過渡バイアス波形は、高い機械的品質係数を有する静フリンジフィールドMEMSアクチュエータの低減スイッチング時間を容易にするために使用されて適用した。フリンジフィールドアクチュエータの下にある基板を除去することは、効果的な概念をテストするために必要な低機械的減衰環境を作成します。下にある基板の除去は、スティクションによる故障に関して、デバイスの信頼性·パフォーマンスに実質的な改善を持っています。 DC-ダイナミックバイアスがセトリング時間を改善するのに有用であるが、典型的なMEMSデバイスのために必要なスルーレートは、電荷pに積極的な要件を置くことができる完全に統合されたオンチップ設計にumps。さらに、バックエンドオブライン商業CMOS処理工程中に基板除去工程を統合する課題が存在してもよい。従来のステップ付勢の結果と比較した場合、製造されたアクチュエータの実験的検証は、スイッチング時間の50倍の改善を示している。理論計算と比較して、実験結果はよく一致している。

図4の設定は、MEMSブリッジの時間特性に対する偏向を捕捉するために使用される。その連続測定モードにおけるレーザードップラー振動計を使用することによって、正確な電圧と時間のパラメータは、所望のギャップ高さの最小光線発振をもたらすことが見られる。 図5は、60 Vギャップ高さに対応する実施例のビーム偏向を示している。これは、事実上すべての発振が除去されることが分かる。だけでなく、動的な波形が1ギャップ高さのために、しかし、ギャップの可能な高さのすべてのために有用である。これは、それぞれ、両方のプルダウンおよび解放動作については、図6及び図7に示されている。前の図での測定を達成するために使用する計算され、測定された動的波形はそれぞれ、 図8および図9に示されている。 <img<html> ALT = &quo...

本質的に低いスクイーズフィルムダンピング条件と長いセトリング時間のフリンジフィールド静電MEMSアクチュエータ結果の堅牢なデバイス設計は、従来のステップバイアスを使用してスイッチング動作を行うとき。 DC-ダイナミック波形によるリアルタイムスイッチング時間の改善はにダウンアップと状態へアップダウンの間で移行フリンジ場のMEMSアクチュエータのセトリング時間が短縮されます。

重度不足減衰フリンジフィールド静電MEMSアクチュエータに時間改善スイッチング用リアルタイムDC-ダイナミックバイアス方式

Mechanically underdamped electrostatic fringing-field MEMS actuators are well known for their fast switching operation in response to a unit step input ...

本実験の目的は、極めてアンダーダンプな静電端部電界MEMS（微小電気機械システム）アクチュエータの整定時間を改善することである。まず、静電MAMsアクチュエータをマイクロファブリケーションにより作製する。次に、アクチュエータ下の基板を選択的にエッチングすることで、スクイーズ膜ダンピングを大幅に低減させ、極めてアンダーダンプな状態を促進させる。その後、リアルタイムで動的バイアス波形を適用し、高速な整定時間を実現するための最適な波形パラメータを決定する。一般的なユニットステップバイアスとの比較に基づき、スイッチング時間の著しい改善を示す結果が得られました。この手法は静電フリンジング電界アクチュエータのスイッチング時間を改善するために用いられていますが、ヤング率、ポアソン比、二軸引張応力などの薄膜パラメータを抽出するマイクロ計測などの分野にも適用可能です。静電フリンジング電界MEMSビームを製作する最初の工程は、UVリソグラフィーです。適切に洗浄され酸化処理を施した、低抵抗のシリコン基板（25 mm × 50 mm、厚さ 0.5 mm）を用意します。本ビデオでは、基板の断面図と上面図の概略図を用いて、作製の進捗を示します。基板をフォトレジスト回転塗布機のチャックに固定し、ヘキサメチルジシラザンをスピンコートした後、ポジ型フォトレジストを塗布します。それぞれ3,500 RPMで30秒間スピンコートします。サンプルを105 °Cに設定したホットプレートに移し、フォトレジストを90秒間ソフトベークします。これが、この時点におけるサンプルの概略図です。これが完了したら、サンプルをマスクアライナーに移動させます。図に簡略化したマスクが示されている装置を使用し、波長350〜450 nm、露光エネルギー391 mJ/cm²のUV放射をサンプルに照射します。次に、テトラエチルアンモニウム水酸化物ベースの現像液を入れたビーカーと、脱イオン水を入れたビーカーの2つの準備したビーカーにスライドを移します（各ビーカーにはサンプルを完全に浸すのに十分な量が入っている必要があります）。露光したサンプルを現像液に12〜20秒間浸し、静かに撹拌します。その後、速やかにサンプルを取り出し、すすぎ水に10秒間浸します。サンプルを十分にすすぎ、窒素で乾燥させた後、顕微鏡下でサンプルを観察し、さらなる現像が必要かどうかを確認します。この図は、現像が完了した状態のサンプルを示しています。緩衝フッ化水素酸を用いたウェットエッチングを行い、酸化層を除去します。次に、アセトンとイソプロピルアルコールを用いてフォトレジストを除去します。続いて、テトラエチルアンモニウム水酸化物による化学エッチングを行います。温度を維持するための熱電対付きホットプレート、マグネチックスターラーバー、清潔な4リットルのビーカー、およびビーカー内で支持可能なテフロンバスケットを用意します。重量パーセントで25%のテトラエチルアンモニウムをビーカーの2リットル線まで注ぎ、スターバーを加え、溶液中に熱電対を固定します。その後、溶液を80 °Cまで予熱し、溶液が80 °Cに達したことを確認します。サンプルをバスケットに入れ、ビーカーの縁からバスケットを溶液内に吊り下げます。このとき、マグネチックスターラーが回転するための十分なスペースを確保してください。スターラーの回転速度を400 RPMに設定し、4〜5 µmの深さまでエッチングします。約15分後、サンプルを適切に洗浄・乾燥させ、プロフィロメーターで段差の高さを確認します。この図は、目的の段差高さに達したときのサンプルを示しています。次のステップは、二酸化ケイ素を除去することです。試料を浸すのに十分な量の49 vol%フッ化水素酸を入れたテフロン製ビーカーと、同様に脱イオン水を入れたテフロン製ビーカーを用意します。二酸化ケイ素がすべて除去されるまで、試料をフッ化水素酸に30秒未満浸します。その後、試料を脱イオン水に移し、10～20秒間放置します。さらにすすぎを行い、サンプルから有機残留物を除去します。洗浄し乾燥させたサンプルを用い、ウェット熱酸化を行い、表面に500 nanometersの二酸化ケイ素を成長させます。これが二酸化ケイ素層の成長ステップ完了後のサンプルの様子です。ここでもう一度、ヘキサメチルシラザンをスピンコートし、続いてポジ型フォトレジストをサンプルに塗布します。フォトレジストをソフトベークした後、マスクアライナーを用いてサンプルに350〜400 nmのUV照射を行います。露光エネルギーを391 mJ/cm²とし、図に示す簡略化したマスクを使用します。次に、テトラエチルアンモニウム水酸化物ベースの現像液でサンプルを現像します。緩衝フッ化水素酸でエッチングを完了させ、フォトレジストを除去します。これで、電解メッキ用シード層のスパッタ蒸着準備が整いました。チタンを20 nanometers、続いて金を100 nanometersスパッタ蒸着させます。これは回収後のサンプルを示しています。次に、HMDSを3,500 RPMで30秒間スピンコートします。その後、ポジ型フォトレジストを2,000 RPMで30秒間塗布し、マスクアライナーで位置合わせを行い、サンプルに350〜450 nmのUV光を照射します。1 cm²あたり483 millijoulesの露光エネルギーで、テトラエチルアンモニウム水酸化物ベースの現像液を用いてサンプルを現像します。十分に洗浄した後、顕微鏡でサンプルを観察し、さらなる現像が必要かどうかを確認します。現像が完了したら、まず清潔な1 literのガラスビーカーに700 millilitersの金電解メッキ液を満たし、MEMS金ビームの電解メッキを行います。ビーカーをホットプレートの上に置き、ホットプレートを60 °Cに設定します。熱電対を使用して、温度が目的の温度に維持されていることを確認してください。温度が60 °Cに達したら、熱電対とステンレス製アノードを保持する固定具にサンプルを取り付けます。1 cm²あたり2 mAの電流密度で、必要な時間が経過するまで試料を電気メッキします。約2分後、電源を切り、電極を取り外して試料を回収します。電気めっきの完了を確認します。プロフィロメーターと顕微鏡を用いて、フォトレジストのモールドをエッチングします。まず、専用のフォトレジスト剥離剤をガラスビーカーに満たしてください。これをホットプレートに載せ、110 °Cまで加熱します。設定温度に達したら、サンプルを溶液に1時間浸漬させます。1時間後、ビーカーをホットプレートから取り出し、溶液とサンプルを室温まで冷却します。これらのスケッチは、サンプルを洗浄した後に観察されるべき状態を示しています。右側の黄色い領域は、堆積させた金層を表しています。金色の領域は、電析されたビームを表しています。表面を粗化した後、サンプルを金エッチング液を入れたテフロン製ビーカーに30〜45秒間浸します。完了後、サンプルを脱イオン水に10〜20秒間浸し、迅速にエッチングを停止させます。金がすべて除去され、さらに粗化した後、サンプルを室温の緩衝フッ化水素酸エッチング液に3〜6秒間浸し、すすいで乾燥させ、ここに示す概略図のように、露出領域からすべてのチタンが除去されているかエッチング状態を確認します。最終ステップとして、ドライ等方性二フッ化キセノンエッチングを行います。これによりシリコンが選択的に除去され、固定された金ビームが解放されます。これは固定ビームの作製後における最終的なビーム構成を示しています。次のステップは実験による検証です。サンプルをDCプローブステーションのチャックに載せ、固定します。次に、プローブステーションの顕微鏡を使用して、タングステン製プローブチップの位置を精密に調整します。ライブ信号用プローブチップを固定ビームのパッド上に配置してください。グランド用プローブチップを、デバイスのDCバイアスパッド上のプルダウン電極用パッド上に配置してください。次に、ファンクションジェネレータで波形パラメータを設定します。計算に基づき、ファンクションジェネレータの出力を高速・高電圧リニアアンプに送ります。デジタルオシロスコープを用い、サンプリングレート300 megahertzで出力をモニターします。ファンクションジェネレーターの電源を切った状態で、リニアアンプの出力をDCマニピュレーターに接続します。次に、レーザードップラー気圧計をサンプル上に配置し、レーザーの電源を入れます。内蔵顕微鏡を用いて目的のビームを確認し、レーザーをその中心にフォーカスさせます。サンプリングレートの出力および測定モードを選択します。準備が完了したら、MEMSブリッジにバイアス信号を印加します。ファンクションジェネレータでタイミングと電圧パラメータの調整を開始し、プルダウンおよびリリース操作時のビームの振動が最小限になるように調整します。最適値が得られたら、バイアス信号と連続レーザードップラー気圧計測定モードをオフにします。バイアスパッドからプローブチップを離します。その後、付随するテキストプロトコルに従い、viterを用いてデバイスをシングルスキャンモードで動作させます。DCプローブチップをMEMSブリッジのバイアスパッドに戻します。シグナルスキャンを有効にし、変位の時間変化データをキャプチャします。以下は、4つの異なる条件下で60 Vの入力バイアスを印加した際の、MEMSブリッジのビームたわみの時間関数です。ステップリリースの応答を黒色で示しており、振動が見られます。赤色で示したダイナミックリリースの測定値は、タイミングと電圧の測定値を調整した後のものです。これにより、振動が大幅に除去されていることがわかります。動的な波形が見つかれば、60 Vの入力バイアスに関連するものだけでなく、すべてのギャップにおいて有用です。ここでは、異なる入力バイアス電圧に対応するいくつかのギャップ高さにおけるプルダウン応答を示しています。いずれの場合においても、振動は抑制されています。同様に、すべてのケースにおけるリリース後の応答を以下に示します。ほぼすべての振動が除去されていることに注意してください。フッ化水素酸やTMAHなどの化学薬品を取り扱う際は、極めて危険であることに留意してください。したがって、本手順を行う際は、個人用保護具の着用などの予防措置を講じる必要があります。

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