실시간 DC-동적 바이어스 방법 심각하게 부족 감쇠 프린 징 필드 정전기 MEMS 엑츄에이터에서 시간 개선을 전환하기위한

다음 실험의 전반적인 목표는 심하게 부족 감쇠된 정전기적 프린징 필드 미세 전기 기계 시스템(MEMS) 액추에이터의 정착 시간을 개선하는 것입니다. 이는 정전기적 MAMs 액추에이터의 미세 가공을 통해 이루어집니다. 두 번째 단계로, 액추에이터 아래의 기판을 선택적으로 식각하여 스퀴즈 필름 감쇠를 크게 줄이고 심한 부족 감쇠 조건을 강화합니다. 그다음, 빠른 정착 시간을 위한 최적의 파형 파라미터를 결정하기 위해 실시간으로 동적 바이어스 파형을 적용합니다.

일반적인 단위 계단 바이어싱과 비교하여 스위칭 시간이 유의미하게 개선된 결과가 얻어졌습니다. 이 방법은 정전기 프린징 필드 액추에이터의 스위칭 시간을 개선하는 데 사용되지만, 마이크로 계측과 같은 분야에 적용하여 영률(Young's modulus), 푸아송 비(Poisson ratio), 이축 인장 응력과 같은 박막 파라미터를 추출하는 데에도 활용될 수 있습니다. 정전기 프린징 필드 MEMS 빔을 제작하는 첫 번째 단계는 UV 리소그래피입니다.

25 mm x 50 mm 크기에 두께가 0.5 mm인, 적절하게 세척된 산화된 저저항 실리콘 기판으로 시작합니다. 본 영상에서는 기판의 단면 및 평면도의 도식적 묘사를 통해 제작 과정을 보여줄 것입니다. 기판을 포토레지스트 스피너의 척 위에 놓고, hexa methyl dine을 스핀 코팅한 다음, 포지티브 포토레지스트를 코팅합니다.

각각 3,500 RPM에서 30초 동안 스핀 코팅합니다. 샘플을 105 °C로 설정된 핫플레이트로 옮겨 포토레지스트를 90초 동안 소프트 베이크합니다. 이것은 이 시점에서의 샘플의 모식도입니다.

이 작업이 완료되면 샘플을 마스크 얼라이너(mask aligner)로 옮깁니다. 단순화된 형태의 마스크가 표시된 장치를 사용하여, 350에서 450 nm 파장의 UV 방사선과 391 mJ/cm²의 노광 에너지로 샘플을 노광합니다. 다음으로, 테트라에틸암모늄 하이드록사이드(tetraethyl ammonium hydroxide) 기반 현상액이 담긴 비커와 탈이온수가 담긴 비커 등 샘플을 충분히 잠기게 할 수 있는 부피의 비커 두 개를 준비하여 슬라이드를 가져갑니다. 노광된 샘플을 현상액에 12에서 20초 동안 담근 후 부드럽게 흔들어 줍니다.

그 후 샘플을 빠르게 꺼내어 헹굼수로 10초 동안 담급니다. 샘플을 충분히 헹구고 질소로 건조시킨 후, 현미경으로 샘플을 관찰하여 추가 현상이 필요한지 확인하십시오. 이 그림은 현상이 완료된 샘플의 모습입니다.

완충 불산(buffered hydrofluoric acid)을 이용한 습식 식각을 진행하여 산화층을 제거합니다. 그 후, 아세톤과 이소프로필 알코올을 사용하여 포토레지스트를 제거합니다. 다음 단계는 테트라에틸 암모늄 하이드록사이드(tetraethyl ammonium hydroxide)를 이용한 화학적 식각입니다.

온도를 유지하기 위한 열전대(thermocouple)가 장착된 핫플레이트, 마그네틱 스터 바, 깨끗한 4L 비커, 그리고 비커 내부에 거치 가능한 테플론 바스켓을 준비합니다. 비커의 2L 표시선까지 25% 중량 비율의 tetraethyl ammonium을 붓고, 스터 바를 넣은 뒤 용액에 열전대를 고정합니다. 그 다음 용액을 80 °C로 예열하고, 용액의 온도가 80 °C에 도달할 때까지 기다립니다.

샘플을 바스켓에 넣고, 비커 가장자리를 이용해 바스켓을 용액에 매답니다. 이때 마그네틱 스터 바가 회전할 수 있는 공간을 충분히 확보하십시오. 스터 바의 회전 속도를 400 RPM으로 설정하고, 4~5 µm 깊이로 식각합니다.

약 15분 후, 샘플을 적절히 헹구고 건조시킨 다음 프로파일로미터로 단차 높이를 확인합니다. 이 그림은 단차 높이에 도달했을 때의 샘플을 나타냅니다. 다음 단계는 이산화규소를 제거하는 것입니다.

시료를 충분히 덮을 수 있는 양의 49% (v/v) 불산이 담긴 테플론 비커와 동일하게 준비된 탈이온수가 담긴 테플론 비커를 준비합니다. 모든 이산화규소가 제거될 때까지 시료를 불산에 30초 미만으로 담급니다. 그 후 시료를 탈이온수로 옮겨 10~20초 동안 둡니다.

추가 세척을 계속하여 샘플에서 유기 잔류물을 제거합니다. 세척 및 건조가 완료된 샘플을 사용하여 습식 열 산화를 수행함으로써 표면에 500 nanometers 두께의 이산화규소를 성장시킵니다. 다음은 이산화규소 층의 성장이 완료된 후의 샘플 모습입니다. 다시 한번 샘플 위에 hexa methyl xylazine을 스핀 코팅한 후 양성 포토레지스트를 코팅합니다.

포토레지스트를 소프트 베이킹한 후, 마스크 얼라이너를 사용하여 샘플을 350 내지 400 nanometer UV 방사선에 노출시킵니다. 391 millijoules per centimeter squared의 노광 에너지로 노광하며, 표시된 마스크는 단순화된 형태입니다. 다음으로, 테트라에틸암모늄 하이드록사이드 기반 현상액에서 샘플을 현상합니다.

완충 불산으로 식각을 완료하고 포토레지스트를 제거합니다. 이제 샘플은 전해 도금 시드층의 스퍼터 증착 준비가 되었습니다. 티타늄 20 nanometers를 스퍼터 증착한 후 금 100 nanometers를 증착합니다.

회수된 샘플의 모습입니다. 이제 3,500 RPM에서 30초 동안 hexa methyl DIY를 다시 스핀 코팅합니다. 그 후 2,000 RPM에서 30초 동안 포지티브 포토레지스트를 코팅하고, 마스크 얼라이너(mask aligner)에서 정렬한 뒤 샘플을 350에서 450 nanometer UV에 노광합니다.

cm²당 483 millijoules의 노광 에너지로, tetraethyl ammonium hydroxide 기반 현상액에서 샘플을 현상합니다. 충분히 헹군 후, 현미경으로 샘플을 검사하여 추가 현상이 필요한지 확인합니다. 현상이 완료되면, 먼저 깨끗한 1 liter 유리 비커에 700 milliliters의 금 전해 도금 용액을 채워 금 MEMS 빔을 전해 도금합니다.

비커를 핫플레이트 위에 놓고 핫플레이트 온도를 60 °C로 설정합니다. 열전대를 사용하여 온도가 원하는 수준으로 유지되는지 확인합니다. 온도가 60 °C가 되면, 열전대와 스테인리스강 양극이 함께 고정된 고정 장치에 샘플을 부착합니다.

필요한 시간이 경과할 때까지 2 mA/cm²의 전류 밀도로 시료를 전기 도금합니다. 약 2분 후, 전원 공급 장치를 끄고 전극을 제거하여 시료를 회수합니다.

전해 도금의 완료 여부를 확인합니다. 프로필로미터와 현미경을 사용하여 포토레지스트 몰드를 식각하며, 먼저 전용 포토레지스트 제거제를 채운 유리 비커를 사용합니다.

이를 핫플레이트에 올리고 110 °C까지 가열합니다. 해당 온도에 도달하면 시료를 용액에 1시간 동안 담급니다. 1시간이 지나면 비커를 핫플레이트에서 내려 용액과 시료를 상온까지 식힙니다.

이 스케치들은 시료 세척 후 관찰되어야 하는 모습을 나타냅니다. 오른쪽의 노란색 영역은 증착된 gold 층을 나타냅니다. 금색 영역은 전기 도금된 빔을 나타냅니다.

표면을 거칠게 만든 후, 금 식각액이 담긴 테플론 비커에 샘플을 30~45초 동안 담급니다. 식각이 완료되면 샘플을 탈이온수에 10~20초 동안 빠르게 담가 식각을 중단시킵니다. 금이 모두 제거되고 표면을 더 거칠게 만든 후, 상온의 완충 불산 식각액에 샘플을 3~6초 동안 담급니다. 세척 후 건조시키고, 여기의 도식에서 보여주는 것처럼 노출된 영역에서 티타늄이 모두 제거되었는지 식각 상태를 확인합니다. 마지막 단계로, 건식 등방성 xenon di fluoride 식각을 수행합니다. 이를 통해 실리콘을 선택적으로 제거하여 고정된 금 빔을 분리합니다.

이는 고정 빔 제작 후의 최종 빔 구성을 나타냅니다. 다음 단계는 실험적 검증입니다. 샘플을 DC 프로브 스테이션의 척 위에 놓고 고정하십시오.

다음으로, 프로브 스테이션의 현미경을 사용하여 텅스텐 프로브 팁의 위치를 정밀하게 조정합니다. 라이브 신호 프로브 팁을 고정 빔의 패드 위에 배치합니다. 접지 프로브 팁을 장치의 DC 바이어싱 패드 위에 있는 풀다운 전극 패드 위에 배치합니다.

다음으로, 함수 발생기에서 파형의 파라미터를 설정합니다. 계산 결과에 따라 함수 발생기의 출력을 고속 고전압 선형 증폭기로 전달합니다. 샘플링 속도가 300 megahertz인 디지털 오실로스코프로 출력을 모니터링합니다.

함수 발생기를 끈 상태에서 선형 증폭기의 출력을 DC 매니퓰레이터에 연결하십시오. 이제 레이저 도플러 기압계를 시료 위에 배치하고 레이저를 켭니다. 통합 현미경을 사용하여 원하는 빔을 식별하고 레이저를 그 중심에 초점을 맞추십시오.

준비가 완료되면 샘플링 레이트 출력 및 측정 모드를 선택하십시오. MEMS 브리지에 바이어스 신호를 인가하십시오. 함수 발생기에서 타이밍 및 전압 파라미터 튜닝을 시작하십시오. 풀다운 및 릴리스 동작 시 빔 진동이 최소화되도록 조정하십시오.

최적 값을 찾으면 바이어싱 신호와 연속 레이저 도플러 기압계 측정 모드를 끕니다. 바이어싱 패드에서 프로브 팁을 들어 올립니다. 그런 다음 동반된 텍스트 프로토콜에 설명된 대로 viter를 사용하여 단일 스캔 모드에서 장치를 작동시킵니다.

DC 프로브 팁을 MEMS 브리지의 바이어싱 패드로 되돌립니다. 신호 스캔을 활성화하고 시간에 따른 변위 데이터를 캡처합니다. 다음은 네 가지 서로 다른 조건에서 60 volt 입력 바이어스에 반응하는 MEMS 브리지의 시간에 따른 빔 굴곡입니다.

단계별 방출 응답은 검은색으로 표시되며 진동을 나타냅니다. 빨간색으로 표시된 동적 방출 측정값은 타이밍과 전압 측정값을 조정한 후에 측정된 것입니다. 이를 통해 진동이 대부분 제거되었음을 알 수 있습니다.

동적 파형을 일단 찾아내면 60 V 입력 바이어스와 관련된 간격뿐만 아니라 모든 간격에 유용하게 활용할 수 있습니다. 여기에서는 서로 다른 입력 바이어스 전압에 해당하는 여러 간격 높이에 대한 풀다운 응답을 보여줍니다. 각각의 경우에서 진동은 제한적으로 나타납니다.

마찬가지로, 모든 경우의 릴리스 응답은 다음과 같습니다. 거의 모든 진동이 제거되었음에 유의하십시오. 불산(hydrofluoric acid) 및 TMAH와 같은 화학 물질을 다루는 것은 매우 위험할 수 있음을 기억하시기 바랍니다.

따라서 본 절차를 수행하는 동안 개인 보호 장구 착용과 같은 예방 조치를 취해야 합니다.