Real-Time DC-dynamische Biasing Methode voor het omschakelen Tijd Verbetering Ernstig Underdamped Fringing-veld elektrostatische MEMS Aandrijvingen

Het algemene doel van het volgende experiment is het verbeteren van de niezettingstijd van sterk ondergedempte elektrostatische fringing-field micro-elektromechanische systeem-actuatoren. Dit wordt bereikt door de microfabricage van de elektrostatische MAMs-actuator. Als tweede stap wordt het substraat onder de actuator selectief geëtst, wat de squeeze-film demping aanzienlijk vermindert en de sterk ondergedempte condities versterkt. Vervolgens worden dynamische biasing-golfvormen in realtime toegepast om de optimale golfvormparameters voor een snelle niezettingstijd te bepalen.

Er zijn resultaten verkregen die een significante verbetering van de schakeltijd laten zien in vergelijking met typische unit step biasing. Hoewel de methode wordt gebruikt om de schakeltijd van elektrostatische fringing field-actuatoren te verbeteren, kan deze ook worden toegepast op vakgebieden zoals micrometrologie om dunne-filmparameters zoals de Young-modulus, de Poisson-ratio en de biaxiale trekspanning te bepalen. De eerste stap bij het fabriceren van de elektrostatische fringing field MEMS-balken is UV-lithografie.

Begin met een correct gereinigd geoxideerd siliciumsubstraat met een lage resistiviteit, van 25 millimeter bij 50 millimeter en 0,5 millimeter dik. In deze video tonen schematische weergaven van de dwarsdoorsnede en het bovenaanzicht van het substraat de voortgang van de fabricage. Plaats het substraat op de houder van een spincoater voor fotolak, breng hexamethyldisilazaan aan via spin-coating en breng vervolgens positieve fotolak aan.

Centrifugeer elk bij 3.500 RPM gedurende 30 seconden. Verplaats het monster naar een warmteplaat ingesteld op 105 °C en voer een soft bake van de fotolak uit gedurende 90 seconden. Dit is het schematische overzicht van het monster op dit punt.

Zodra dit is voltooid, verplaatst u het monster naar een mask aligner. Gebruik het apparaat, waarvan een vereenvoudigde versie van het masker wordt getoond, en stel het monster bloot aan UV-straling met een golflengte van 350 tot 450 nanometers en een belichtingsenergie van 391 millijoules per centimeter squared. Neem vervolgens het objectglas naar twee voorbereide bekerglazen, één met een ontwikkelaar op basis van tetraethylammoniumhydroxide en een andere met gedeïoniseerd water, beide met voldoende volume om het monster volledig onder te dompelen; dompel het belichte monster 12 tot 20 seconden onder in de ontwikkelaar en schud dit voorzichtig.

Verwijder vervolgens snel het monster en dompel het 10 seconden onder in het spoelwater. Nadat het monster grondig is gespoeld en daarna is gedroogd met stikstof, inspecteert u het monster onder een microscoop om te bepalen of verdere ontwikkeling noodzakelijk is. Deze figuur representeert het monster wanneer de ontwikkeling is voltooid.

Voer een nat-etsstap uit met gebufferd fluorwaterzuur om de oxidelaag te verwijderen. Verwijder vervolgens de fotolak met aceton en isopropylalcohol na het verwijderen van de fotolak. De volgende stap is een chemische etsing met tetraethylammoniumhydroxide.

Gebruik een warmteplaat met een thermokoppel om de temperatuur te handhaven, een magnetische roerstaaf, een schone beker van vier liter en een Teflon-mandje dat in de beker geplaatst kan worden. Giet tetraethylammonium (25% gewichtsaandeel) tot aan de tweeliterstreep van de beker, voeg de roerstaaf toe en bevestig het thermokoppel in de oplossing. Verwarm de oplossing vervolgens voor tot 80 °C; zodra de oplossing 80 °C heeft bereikt.

Plaats het monster in het mandje en hang het mandje met de rand van het bekerglas in de oplossing. Zorg ervoor dat er voldoende ruimte is voor de magnetische roerstaf om te draaien. Stel de rotatiesnelheid van de roerstaf in op 400 RPM en ets tot een diepte van vier tot vijf micrometer.

Spoel het monster na ongeveer 15 minuten zorgvuldig af, droog het en controleer de traphoogte met een profilometer. Deze afbeelding toont het monster wanneer de gewenste traphoogte is bereikt. De volgende stap is het verwijderen van het siliciumdioxide.

Zorg dat een Teflon bekerglas met fluorwaterstofzuur, 49% volume, voldoende om het monster te bedekken, en een op dezelfde wijze voorbereid Teflon bekerglas met gedeïoniseerd water klaarliggen. Plaats het monster in het fluorwaterstofzuur totdat al het siliciumdioxide is verwijderd, gedurende minder dan 30 seconden. Breng het monster over naar het gedeïoniseerde water en laat het daar 10 tot 20 seconden in staan.

Ga verder met extra spoelen en verwijder tevens organische residuen van het monster. Neem het schone en droge monster en voer een natte thermische oxidatie uit om 500 nanometer siliciumdioxide op het oppervlak te laten groeien. Hier is de weergave van het monster na de groeistap wanneer de siliciumdioxidelaag is voltooid; spin-coat vervolgens opnieuw hexamethyloxiazine gevolgd door positieve fotolak op het monster.

Na het zacht bakken van de fotorezist wordt een maskaligner gebruikt om het monster bloot te stellen aan UV-straling van 350 tot 400 nanometer. Bij een belichtingsenergie van 391 millijoule per vierkante centimeter is het afgebeelde masker vereenvoudigd. Ontwikkel vervolgens een monster in een ontwikkelaar op basis van tetraethylammoniumhydroxide.

Voltooi het etsen met gebufferde waterstoffluoridezuur en verwijder de fotolak. De monster is nu klaar voor de sputterdepositie van de seedlaag voor elektroplating. Sputter 20 nanometers titanium, gevolgd door 100 nanometers goud.

Dit toont het monster nadat het is teruggewonnen. Spin-coat het monster nu opnieuw met hexamethyldisilazaan bij 3.500 RPM gedurende 30 seconden. Breng vervolgens een positieve fotolak aan bij 2000 RPM gedurende 30 seconden op een mask-aligner, lijn het monster uit en stel het bloot aan uv-straling van 350 tot 450 nanometer.

Ontwikkel een monster in een ontwikkelaar op basis van tetraethylammoniumhydroxide met een belichtingsenergie van 483 millijoules per vierkante centimeter. Inspecteer na grondig spoelen het monster met een microscoop om te bepalen of verdere ontwikkeling noodzakelijk is. Zodra het ontwikkelen is voltooid, wordt de gouden MEMS-balk elektroplating onderworpen door eerst een schoon glazen bekerglas van één liter te vullen met 700 milliliter goud-elektroplatingoplossing.

Plaats het bekerglas op een warmteplaat en stel de warmteplaat in op 60 °C. Gebruik een thermokoppel om te garanderen dat de temperatuur op de gewenste waarde blijft. Wanneer de temperatuur 60 °C is, bevestig het monster aan een houder die ook het thermokoppel en een roestvrijstalen anode vasthoudt.

Galvaniseer het monster met een stroomdichtheid van 2 mA/cm² totdat de benodigde tijd is verstreken. Na ongeveer twee minuten schakelt u de stroomvoorziening uit en verwijdert u de elektroden om het monster terug te winnen.

Verifieer of het galvaniseren is voltooid. Ets de fotolakmatrijs met behulp van een profilometer en microscoop, nadat u eerst een glazen beker heeft gevuld met een specifieke fotolakstripper.

Plaats dit op een warmteplaat en verwarm het tot 110 °C. Wanneer de temperatuur is bereikt, wordt het monster gedurende één uur in de oplossing ondergedompeld. Neem na een uur het bekerglas van de warmteplaat en laat de oplossing en het monster afkoelen tot kamertemperatuur.

Deze schetsen laten zien wat er zichtbaar zou moeten zijn nadat het monster is gereinigd. Het gele gebied aan de rechterkant stelt de afgezette goudlaag voor. De gouden gebieden stellen de elektrogeplateerde balken voor.

Dompel het monster, na het ruwer maken van het oppervlak, gedurende 30 tot 45 seconden onder in een Teflon bekerglas met goudetsmiddel. Beëindig het etsen direct na voltooiing door het monster 10 tot 20 seconden onder te dompelen in gedeïoniseerd water. Wanneer al het goud is verwijderd en na verder ruwer maken, wordt het monster gedurende drie tot zes seconden bij kamertemperatuur ondergedompeld in gebufferd fluorwateretsmiddel; spoel het monster vervolgens droog en inspecteer het etsingproces om er zeker van te zijn dat al het titanium uit de blootgestelde gebieden is verwijderd, zoals hier schema-matig wordt getoond. Voer als laatste stap een droge isotrope xenon difluoride-ets uit. Dit zal het silicium selectief verwijderen en de vastgelegde goudbalken vrijmaken.

Dit is de uiteindelijke bundelconfiguratie na de fabricage van de vaste bundels. De volgende stap is de experimentele validatie. Plaats de sample op de houder van een DC-probestation en zet deze vast.

Gebruik vervolgens de microscoop van het probe-station om de wolfraam-probe-tips nauwkeurig te positioneren. Plaats de probe-tip voor het actieve signaal boven de pad van de vaste balk. Plaats de probe-tip voor de aarding boven de pad voor de pull-down-elektrodes op de DC-bias-pads van het apparaat.

Stel vervolgens de parameters van de golfvorm in op de functiegenerator. Leid op basis van de berekening de output van de functiegenerator naar een lineaire versterker met een hoge snelheid en hoog voltage. Monitor de output met de digitale oscilloscoop met een bemonsteringssnelheid van 300 megahertz.

Sluit bij uitgeschakelde functiegenerator de uitgang van de lineaire versterker aan op de DC-manipulatoren. Plaats nu de laser-doppler-barometer boven het monster en schakel de laser in. Gebruik de geïntegreerde microscoop om de gewenste straal te identificeren en focus de laser op het centrum ervan.

Selecteer de output van de bemonsteringssnelheid en de meetmodi. Wanneer de voorbereidingen zijn voltooid, dient het bias-signaal op de MEMS-bruggen te worden aangelegd. Begin met het afstemmen van de timing- en spanningsparameters op de functiegenerator. Werk toe naar een minimale bundelosillatie tijdens de pull-down en release-operaties.

Zodra de optimale waarden zijn gevonden, schakelt u het bias-signaal en de continue laser-doppler-barometermetingmodus uit. Til de probespitsen op van de bias-pads. Voer het apparaat vervolgens uit in de single-scanmodus met behulp van een viter, zoals beschreven in het bijbehorende tekstprotocol.

Plaats de DC-sondes terug op de bias-pads van de MEMS-brug. Activeer de signaalscan en leg de gegevens van de verplaatsing versus tijd vast. Hier zijn de uitbuigingen van de balk als functie van de tijd voor een MEMS-brug in reactie op een ingangsspanning van 60 volt onder vier verschillende omstandigheden.

Stapsgewijze release-responsen zijn in het zwart weergegeven en vertonen oscillatie. De dynamische release-metingen, weergegeven in het rood, zijn uitgevoerd nadat de timing- en spanningsmetingen zijn afgesteld. Deze laten zien dat de oscillaties grotendeels zijn verwijderd.

Zodra deze is gevonden, is de dynamische golfvorm nuttig voor alle tussenruimtes, niet alleen voor die die hoort bij een ingangsspanning van 60 volt. Hier wordt de pull-down respons getoond voor verschillende tussenruimtehoogtes die overeenkomen met verschillende ingangsspanningen. In elk geval zijn de oscillaties beperkt.

Op dezelfde manier volgen hier de responsen bij het loslaten voor elk geval. Let op dat vrijwel alle oscillaties zijn verdwenen. Houd er rekening mee dat het werken met chemicaliën zoals fluorwaterstofzuur en TMAH uiterst gevaarlijk kan zijn.

Neem daarom voorzorgsmaatregelen, zoals het dragen van persoonlijke beschermingsmiddelen, bij het uitvoeren van deze procedure.