デザインと効率的な広帯域波長可変 MEMS フィルター特性評価手法

フィルターは非常に人気があり、無線通信の受信機と送信機のシーケンスで広く使用されています。さらに、ガスセンサー、バイオセンサー、温度センサーが最も一般的なアプリケーションです。これらの要求の厳しいフィルタは、CMOS MEMSプロセスで製造し、2つの別々のチップ間の余分なワイヤを排除することにより、より信頼性の高い製造と低ノイズ信号設計の両方をサポートする必要があります。

ここで、CMOSは相補型金属酸化膜半導体の略で、MEMSは微小電気機械システムおよびセンサーの略です。さらに、ポストプロセスは、製造プロセス中のスティクションを回避するように設計する必要があります。MEMS共振器の共振を測定する方法はよく知られていますが、以下の理由から、レーザードップラー振動計技術ほど強力な方法ではありません。

ネットワークアナライザ方式の大きな課題の1つは、寄生容量をなくすことです。設計ツールを使用して、120ミクロンの長いビームの等価回路の周波数と位相応答を爆破したようです。この 2 ワットの P-P値は、寄生容量が 1 フェムトファラッドから 20 フェムトファラッドに増加しても、6 dB から 0.34 dB に大幅に減少しました。

そのため、これには最大共振器のすぐ隣に設計を発射するためのチップが1つ必要です。レーザードップラー振動計は、レーザーを使用してビームが共振するときのビームの振動を感知する別の方法です。ネットワークアナライザとは対照的に、レーザードップラー振動計技術は寄生容量の問題を排除します。

さらに、生体感度アプリケーションなどのさまざまな研究分野で多くの利点をもたらす高モード共振を検出でき、ネットワークアナライザとは対照的に、はるかに小さな共振器を特徴付けることができます。これにより、特に生体に敏感なアプリケーションにおいて、迅速なプロトタイピングと、より高感度で正確な共振器が可能になります。この研究の目標は、設計後に実証するためのガイドラインを提供し、周波数チューニングを測定し、チューニング機能を調整し、レーザードップラー振動計を使用して二重のスティクショナル固定-固定ビームを回避することです。

このプロセスは、最適な構造を見つけることから始まります。固定ビームは、他の候補と比較して、周波数の温度係数が大きく、個々の熱膨張定数のために加熱されたときに広範囲のチューニングが可能になるため、2番目の広範囲周波数チューニングで固定固定ビームを選択します。目的がより良いチューニング効率である場合、より長いビームを設計します。

目的が周波数ホッピングまたは信号追跡アプリケーションである場合は、ビームを短く設計します。有限要素ベースのプログラムでMEMSフィーダーの3Dモデルを設計および作成します。集積回路設計ツールで同じレイアウトをレイヤーごとに再構築して、GDSファイルを作成します。

このGDSファイルをCMOSファウンドリに提出して製造します。ここでは、CMOS 0.6ミクロン技術を使用しています。CMOSプロセスが完了すると、チップにはポリシリコン、アルミニウム、および酸化物の層が付属します。

次のステップは、後処理ステップを実行することです。CHF302ドライエッチングプロセスは、アルミニウム層間に二酸化ケイ素を挟み込み、アスペクト比5.7のビームを形成するICPHシステムを介して行います。このプロセスでは、次のパラメータを使用します。

40sccmのCHF3、5sccmの酸素、0.5パスカルの圧力、500ワットのICP電力、100ワットのサンプル電力、合計56分のエッチング時間。シリコン基板にキセノンフッ化物エッチングプロセスを適用して、ビームの下に9マイクロメートルの深さの空洞を作成します。このプロセスでは、キセノンフッ化物エッチングシステムを3サイクル、3トールで1サイクルあたり60秒間使用します。

ECMの下でデバイスを特性評価し、適切に製造されていることを確認します。このステップでは、ビーム加速電圧を 2.58 キロボルトに変更し、作動距離を 9.5 ミリメートルに変更します。デバイステストは、ジュール加熱テストや周波数応答テストなど、多くのステップで構成されています。

サーマルカメラをチップの上にある位置に置き、アンビエントヒーターをテストして、ビームが加熱されることを確認します。電源をチップパッケージに接続して、組み込みヒーターに0ボルトから5.7ボルトのDC電圧を少しずつ印加し、ビーム全体の温度を上昇させます。加熱プロセス中にサーマルカメラでチップパッケージ全体の温度プロファイルを記録し、結果を数値完成プログラムに保存して加熱プロファイルをプロットします。

120マイクロメートルの長さのビームの上にレーザーを配置します。120ミクロンの長い2本のビームの間に電源を接続して、共振動作のために約7ボルトのDC電圧と3つのAC電圧を印加します。追加のDCバイアス電圧を最大5.7ボルトで組み込みヒーターに接続して、共振動作中にビームにジュール加熱を加えます。

レーザーをビーム上の別の場所に移動して、レーザーのたわみを長く抑えます。ノイズを減らすために、青いバーの強度を上げてください。画面を複数のビューに分割して、キャリブレーションを行い、測定セットアップを開始します。

取得設定に移動します。測定モードをFFTに設定します。フィルターは使用しないでください。

そして、帯域幅を2メガヘルツに設定します。2.5 メガヘルツの最大周波数をサポートできる速度を変更します。周期的なチップ波形を使用します。

ここで、振幅はAC電圧を表し、オフセットはDC電圧を表します。この新しいセットアップで連続測定を開始します。DC電圧を1ボルトに変更して、集録設定を更新します。

Ref1 に赤いアラームが表示されている場合は、信号にノイズが多いことを意味します。アクイジション設定ウィンドウで印加バイアス電圧を下げて、問題を解決します。レーザーをビーム上の別の場所に移動して、信号対雑音比をさらに増加させます。

時々、バイブレーションバーに赤いアラームを引き起こすビームの悪いスポットを見つけることがあります。ビームの最高の場所を探し続けてください。テストには、長さ68ミクロンのMEMSフィルタを選択します。

25 ボルトの DC 電圧と 5 ボルトの AC 電圧を、長さ 68 ミクロンの 2 つの隣接するビームの間に一緒に印加します。ここで、DC電圧はバンディングを提供し、AC電圧は共振動作を可能にします。68ミクロンの長いビームにある埋め込みヒーターに追加のDC電圧を印加し、電圧を0ボルトから5.7ボルトに少しステップで増やします。

これにより、ジュール加熱に基づく周波数チューニングが提供されます。各ステップで印加されたバイアス電圧に対する共振周波数と位相応答を観察および記録し、結果を表にまとめます。ここで、このサンプルの合計周波数チューニングは、5.7ボルトのDC電圧が埋め込まれたヒーターに印加されたとき、約874キロヘルツです。

A/Dボタンを押すと、LDVのキャリブレーションとテストセットアップのセクションで示されたアクイジション設定ウィンドウに移動し、非常に高い周波数をサポートできる速度を変更できます。1 番目と 2 番目のモードを位相で測定します。1ヘルツの方形波信号を適用して、隣接する2つのビームから速度を帯電させることから生じるスティクション問題を解きます。

ジェネレータータブに移動し、波形ドロップダウンメニューで矩形波フォームを選択します。オフセットボックスに移動し、DC電圧を1ボルトに設定します。周波数ボックスに移動し、周波数を1ヘルツに設定します。

これらの新しい設定をアクティブにして、ビームに適用します。ビームの分離を観察します。熱応力試験に追加のサンプルを使用します。

組み込みヒーターに印加されるバイアス電圧を少しずつ増加させて、高い熱ストレスによるデバイスの故障前の最大許容電圧を見つけます。25 ボルトの DC 電圧と 5 ボルトの AC 電圧を 68 ミクロンの隣接する 2 本のビームの間に印加し、内蔵ヒーターに印加されるバイアス電圧を 0 ボルトから 5.7 ボルトに増加させると、合計 661 キロヘルツの周波数シフトが得られます。印加バイアス電圧を25Vから35Vに増やして、68ミクロンの長さの隣接する2つのビーム間にさらなる軟化効果を加えながら、1ボルトのAC電圧を印加し、組み込みヒーターのバイアス電圧設定を同じに保ちます。

この追加の軟化効果により、661キロヘルツから875キロヘルツに増加するはずの総周波数シフトが32%改善されたことを記録してください。組み込みヒーターにバイアス電圧を印加して広範囲の周波数チューニングを実現し、レーザードップラー振動計で検証します。高ボルト共振測定は、高感度で正確なバイオセンサーに有望な結果を提供するため、共振器にとって非常に重要です。

レーザードップラー振動計は、ネットワークアナライザではほとんど読み取れない高電圧測定を可能にします。5番目のモードは、レーザードップラー振動計で各ビームの複数の点を測定することにより測定されました。影響の計測モード形状は、右隅に示されている有限要素解析ベースのプログラム結果と一致します。

このビデオでは、長波の広範囲のチューナブルCMOS MEMSフィルターの設計、製造、および特性評価の方法を学びます。広範囲のチューナブルMEMSフィルタは、特に信号トラッキングおよび周波数ホッピングアプリケーションにおいて非常に要求が厳しいです。そのため、失敗を避けながらチューニング範囲を拡大した後、成功裏に実証され、適用が簡単で、再現性があります。

燃焼やスティクションなどの一般的な問題を回避する方法は、信頼性と低コストの製造のために成功裏に実証されています。特性評価の目的で、レーザードップラー振動計またはネットワークアナライザーの優位性が見事に実証されます。これにより、フィフスモードストライピングだけでなく、ポータブルバイオセンサーやHIVなどの早期診断のための最先端技術も可能にします。