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

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。