Summary
Il design robusto dispositivo di frange di campo elettrostatico attuatori MEMS risultati in condizioni di smorzamento squeeze film intrinsecamente bassi e lunghi tempi di assestamento durante l'esecuzione di operazioni di commutazione con passo polarizzazione convenzionale. Commutazione miglioramento del tempo con forme d'onda DC-dinamici in tempo reale riduce il tempo di assestamento di frange campo MEMS attuatori durante le transizioni tra up-to-down e down-to-up Stati.
Abstract
Meccanicamente MEMS elettrostatico frangente campo sottosmorzato attuatori sono ben noti per il loro funzionamento commutazione veloce in risposta ad un gradino unitario tensione di polarizzazione in ingresso. Tuttavia, il compromesso per le prestazioni di commutazione migliorata è un tempo relativamente lungo assestamento per raggiungere ogni altezza gap in risposta a varie tensioni applicate. Transient applicata forme d'onda di polarizzazione sono impiegati per facilitare i tempi di commutazione ridotti per elettrostatiche MEMS frangente campo attuatori con fattori di alta qualità meccaniche. Rimozione del substrato sottostante dell'attuatore frangente campo crea l'ambiente a basso smorzamento meccanico necessario per testare efficacemente il concetto. La rimozione del substrato sottostante ha anche un miglioramento sostanziale delle prestazioni affidabilità del dispositivo con riferimento a guasti dovuti a fenomeni di incollaggio. Sebbene polarizzazione DC-dinamica è utile per migliorare il tempo di assestamento, la slew rate richiesti per i dispositivi tipici MEMS possono collocare requisiti aggressivi sulla carica pumps per completamente integrata disegni on-chip. Inoltre, ci possono essere sfide che integrano la rimozione del substrato passo verso la CMOS commerciali fasi di elaborazione back-end-of-line. Validazione sperimentale di attuatori fabbricati dimostra un miglioramento di 50 volte nel tempo di commutazione rispetto al passo polarizzazione risultati convenzionali. Rispetto ai calcoli teorici, i risultati sperimentali sono in buon accordo.
Introduction
Sistemi microelettromeccanici (MEMS) utilizzano diversi meccanismi di attuazione per raggiungere spostamento meccanico. Le più popolari sono termale, piezoelettrico, magnetostatico, ed elettrostatiche. Per tempo di commutazione brevi, attuazione elettrostatica è la tecnica più popolare 1, 2. In pratica, i disegni meccanici critica smorzati offrono il miglior compromesso tra tempo di salita iniziale e tempo di assestamento. Dopo l'applicazione della polarizzazione CC e azionare la membrana verso l'elettrodo di pull-down, il tempo di assestamento non è un problema significativo in quanto la membrana si scatto verso il basso e rispettare l'elettrodo di attuazione rivestito dielettrica. Diverse applicazioni hanno beneficiato del suddetto disegno di attuazione elettrostatica 3 - 8. Tuttavia, la presenza del elettrodo rivestito tendina dielettrico rende l'attuatore suscettibile di ricarica dielettrico e attrito statico.
Le membrane MEMS possono utilizzare un uprogettazione meccanica nderdamped per ottenere un veloce tempo di salita iniziale. Un esempio di progettazione meccanica sottosmorzato è il frangente campo elettrostatico azionato (EFFA) MEMS. Questa topologia ha esposto molto meno vulnerabilità di meccanismi di rottura tipici che affliggono i disegni elettrostatici basati 9-20. L'assenza del controelettrodo parallelo e di conseguenza il campo elettrico parallelo e perciò questi MEMS sono naturalmente chiamati "frangente campo" azionato (Figura 1). Per la progettazione EFFA, l'elettrodo di pull-down è suddiviso in due elettrodi separati che sono posizionati lateralmente compensate alla membrana in movimento, eliminando completamente la sovrapposizione tra le parti mobili e fisse del dispositivo. Tuttavia, la rimozione del substrato da sotto la membrana mobile riduce significativamente il film compressione smorzamento componente aumentando così il tempo di assestamento. Figura 2B è un esempio del tempo di assestamento in risposta a standard polarizzazione passo. Transitoria, o DC-dinamica applicate polarizzazione in tempo reale può essere usato per migliorare il tempo di assestamento 20-26. Figure 2C e 2D qualitativamente illustrano come una forma d'onda variabile nel tempo può annullare efficacemente la suoneria. Attività di ricerca precedenti utilizzano metodi numerici per calcolare la tensione precisa e tempi di polarizzazione in ingresso per migliorare il tempo di commutazione. Il metodo in questo lavoro utilizza compatte espressioni in forma chiusa per il calcolo dei parametri della forma d'onda di polarizzazione in ingresso. Inoltre, il lavoro precedente focalizzata sulla piastra di azionamento parallelo. Mentre le strutture sono progettate per essere sottosmorzato, squeeze-film di smorzamento è ancora disponibile in questa configurazione. Il metodo di attuazione presentata in questo lavoro è frangente campo di attuazione. In questa configurazione squeeze-film di smorzamento viene effettivamente eliminato. Questo rappresenta un caso estremo in cui lo smorzamento meccanico della trave MEMS è molto bassa. Questo documento descrive come fabbricare il dev EFFA MEMSgelati ed eseguire la misura per convalidare sperimentalmente il concetto di forma d'onda.
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Protocol
1 Fabbricazione di EFFA MEMS fisso-fisso Beams (vedere la figura 3 per il processo Riassunti)
- Litografia UV e etch bagnato chimica del biossido di silicio con acido fluoridrico tamponata (ATTENZIONE 27).
- Utilizzare un ossidato, bassa resistività substrato di silicio.
- Riempire un bicchiere di vetro con acetone 28 (abbastanza per sommergere il campione), posizionare il campione nel becher riempito acetone, e ultrasuoni per 5 minuti in un bagno sonicatore acqua.
- Senza essiccazione, trasferire direttamente il campione dal bicchiere acetone per un bicchiere pieno di alcool isopropilico 29 e ultrasuoni per 5 minuti in un sonicatore bagnomaria.
- Asciugare il campione con azoto (non consentono l'alcool isopropilico per evaporare dalla superficie).
- Dry (disidratazione cuocere) il campione su una piastra impostato a 150 ° C per 10 min. Lasciare che il campione raggiunga RT una volta che la cottura è completa disidratazione.
- Posizionare il campione sul mandrino di un filatore photoresist.Pipetta e dispensare 1 ml di esametildisilazano (HMDS) per 25 mm di diametro (ATTENZIONE 30). Spincoat a 3.500 rpm per 30 sec. Pipetta e dispensare 1 ml di photoresist positivo per 25 mm di diametro (ATTENZIONE 31). Spincoat il campione a 3500 rpm per 30 sec. Softbake il photoresist per 90 secondi a 105 ° C su una piastra.
- Utilizzare un allineatore maschera per esporre il campione alla radiazione UV con una lunghezza d'onda di 350-450 nm. Utilizzare energia esposizione di 391 mJ / cm 2 (ATTENZIONE 32).
- Riempire un bicchiere di vetro con lo sviluppatore basato TMAH (ATTENZIONE 33) e utilizzare abbastanza per sommergere l'intero campione.
- Riempire un bicchiere di vetro con acqua deionizzata per terminare rapidamente allo sviluppo al fine di evitare sviluppo eccessivo.
- Sviluppare il campione per 12-20 sec. Agitare delicatamente il campione sommerso.
- Attentamente e rapidamente rimuovere il campione dal bicchiere sviluppo e immergerlo nel bicchiere acqua di risciacquo per 10 sec.
- Soffiare accuratamente asciugare il campione con azoto (Non lasciare che l'acqua deionizzata evaporare dalla superficie).
- Ispezionare il campione al microscopio.
- Se necessario, ripetere la procedura di sviluppo con aggiustamenti in tempo per evitare eccessivo sviluppo.
- Utilizzare un plasma reattiva etch ioni (RIE) per irruvidire la superficie per migliorare la bagnatura della superficie. RIE Impostazioni 34: 100 SCCM di Ar, 100 W di potenza RF, 50 mT pressione della camera, 1 min.
- Riempire un bicchiere di teflon con una sufficiente quantità di ossido tamponata etch (BOE) per coprire il campione.
- Riempire un bicchiere di teflon con acqua deionizzata per un risciacquo intermedio del campione.
- Immergere il campione nel BOE. Il tasso di etch è 90-100 nm / min.
- Quando l'attacco è completo, lavare nel bicchiere Teflon che ha l'acqua deionizzata per 10 sec. Poi sciacquare il campione in un lavandino con acqua corrente deionizzata per 1-2 min.
- Asciugare il campione con azoto (Non lasciare che l'acqua deionizzata evaporare dalla superficie).
- Ispezionare il campione al microscopio.
- Ripetere la etch e risciacquare passi come necessario con le regolazioni nel tempo, al fine di evitare un eccesso di incisione e sottoquotazione del photoresist.
- Rimuovere la maschera photoresist.
- Riempire un bicchiere di vetro con acetone (abbastanza per sommergere il campione), posizionare il campione nel becher acetone compilato e sonicare in un sonicatore bagnomaria per 5 min.
- Direttamente prendere il campione dal bicchiere acetone e metterlo in un bicchiere pieno di alcool isopropilico e ultrasuoni per 5 minuti in un sonicatore bagnomaria.
- Asciugare il campione con azoto (Non consentire l'alcol isopropilico per evaporare dalla superficie).
- Etch chimica umida di silicio con idrossido di tetrametilammonio (TMAH) 25% in peso (ATTENZIONE 35).
- Utilizzare un bicchiere pulito 4 L.
- Utilizzare una piastra con un thermocouple. Usare un cesto Teflon che ha un gancio all'estremità del manico per tenere i campioni. Utilizzare un bastoncino per mescolare magnetica per una corretta agitazione per alleviare la superficie del silicio di bolle di idrogeno che vengono rilasciati durante il processo di incisione di massa.
NOTA: Il feedback tra la termocoppia e la piastra garantisce la giusta temperatura rimane costante per tutta la etch. Se l'idrogeno rilasciato non viene rimosso dalla superficie, può mascherare il silicio sottostante dal TMAH. - Versare il TMAH 25% in peso a volume 2 L del bicchiere.
- Inserire la termocoppia nella soluzione e preriscaldare a 80 ° C. Se possibile, utilizzare un dispositivo personalizzato o pinza per tenere la termocoppia per evitare interferenze con la rotazione della ancoretta magnetica.
- Una volta che la soluzione raggiunge la temperatura necessaria, posizionare i campioni nel cestello teflon e posizionare il cestello nella soluzione da appendere dal labbro del bicchiere. Assicurarsi che il cestello non riposasul fondo del beaker in modo da lasciare spazio per l'asta di agitazione magnetica per ruotare.
- Impostare la velocità di rotazione del ancoretta magnetica a 400 rpm.
- La velocità di attacco della soluzione è 300-350 nm / min. La profondità etch necessaria è di 4-5 micron.
- Quando è trascorso il tempo necessario per completare la etch, rimuovere il campione dalla soluzione e sciacquarlo con acqua deionizzata per 1-2 min.
- Asciugare il campione con azoto (Non lasciare che l'acqua deionizzata evaporare dalla superficie).
- Utilizzare un profilometro per misurare l'altezza del gradino.
- Se non è stata raggiunta l'altezza del gradino, posizionare i campioni nella soluzione di nuovo per ottenere l'altezza del gradino desiderato.
- Etch bagnato chimica di tutto il SiO 2 dal substrato e termicamente crescere altri 500 nm di SiO 2.
- Riempire un bicchiere di teflon con acido fluoridrico al 49% in volume (ATTENZIONE 36). Utilizzare un importo che è sufficiente a coprire il campione.
- Riempire un bicchiere di teflon con acqua deionizzata per il risciacquo del campione. Utilizzare un importo che è sufficiente a coprire il campione.
- Etch il campione con acido fluoridrico. Lasciare il campione nella soluzione finché tutte le SiO 2 viene rimosso. Dal momento che la soluzione è altamente concentrato, il etch si verificherà in tempi relativamente brevi.
- Sciacquare per 10-20 secondi nel bicchiere Teflon riempita con acqua deionizzata.
- Sciacquare il campione accuratamente sotto acqua corrente deionizzata in un lavandino per 1-2 min.
- Mescolare una soluzione di H 2 SO 4: H 2 O 2 (acido solforico: perossido di idrogeno, piranha pulita) in un rapporto 1: 1 in un becher Teflon (NOTA 37). Utilizzare sufficiente a coprire il campione.
- Riempire un bicchiere di teflon con acqua deionizzata per il risciacquo del campione.
- Immergere il campione in H 2 SO 4: H 2 O 2 per 7-10 min.
- In breve, 10 secondi, sciacquare il campione nel becher acqua di risciacquo.
- Sciacquare accuratamente il campione in un lavandino con acqua corrente deionizzata per 1-2 min.
- Asciugare il campione con azoto (Non permettere all'acqua di evaporare dalla superficie).
- Eseguire ossidazione termica bagnato a crescere 500 nm di SiO 2.
- Litografia UV e attacco chimico bagnato per il modello SiO 2 per esporre il silicio, che funge da strato sacrificale per la versione finale delle travi fisso-fisso.
- Riempire un bicchiere di vetro con acetone (abbastanza per sommergere il campione), posizionare il campione nel becher acetone compilato e sonicare in un sonicatore bagnomaria per 5 min.
- Direttamente prendere il campione dal bicchiere acetone e metterlo in un bicchiere pieno di alcool isopropilico e sonicare in un sonicatore bagnomaria per 5 min.
- Asciugare il campione con azoto (Non consentire l'alcol isopropilico per evaporare dalla superficie).
- Dry (disidratazione cuocere) il campione su una piastra impostato a 150 ° C per 10 min. Consenti tlui campione di raggiungere RT una volta che la cottura è completa disidratazione.
- Utilizzando una spincoater photoresist, HMDS spincoat sul campione a 3.500 rpm per 30 sec. Utilizzando una spincoater photoresist, spincoat photoresist positivo sul campione a 3.500 rpm per 30 sec. Softbake il photoresist per 90 secondi a 105 ° C su una piastra.
NOTA: Utilizzare 1 ml per ogni 25 mm di diametro del campione. - Utilizzare un allineatore maschera per esporre il campione alla radiazione UV con una lunghezza d'onda di 350-450 nm. Utilizzare energia esposizione di 391 mJ / cm 2.
- Riempire un bicchiere di vetro con uno sviluppatore basato TMAH e utilizzare abbastanza per sommergere l'intero campione.
- Riempire un bicchiere di vetro con acqua deionizzata per terminare rapidamente lo sviluppo per evitare eccessivo sviluppo.
- Sviluppare il campione per 12-20 sec.
- Attentamente e rapidamente rimuovere il campione dal bicchiere sviluppo e immergerlo nel bicchiere acqua di risciacquo per 10 sec.
- Sciacquare il campione in un lavandino sotto il getto deionizzata water per 1-2 min.
- Asciugare accuratamente con azoto (Non lasciare che l'acqua evapori dalla superficie).
- Ispezionare il campione al microscopio.
- Se necessario, ripetere la procedura di sviluppo con aggiustamenti in tempo per evitare eccessivo sviluppo.
- Utilizzare RIE plasma per irruvidire la superficie per migliorare la bagnatura della superficie. Impostazioni RIE: 100 SCCM di Ar, 100 W di potenza RF, 50 mT pressione della camera, 1 min.
- Riempire un bicchiere di teflon con una quantità sufficiente di BOE per coprire il campione.
- Riempire un becher teflon con acqua deionizzata per un risciacquo intermedio del campione.
- Immergere il campione nel BOE. Il tasso di etch è 90-100 nm / min.
- Quando l'attacco è completo, lavare nel bicchiere Teflon che ha l'acqua deionizzata per 10 sec. Risciacquare il campione sotto acqua corrente deionizzata in un lavandino per 1-2 min.
- Asciugare il campione con azoto (Non permettere all'acqua di evaporare dalla superficie).
- Ispezionare campione al Microscopioe.
- Ripetere la etch e risciacquare passi come necessario con le regolazioni nel tempo, al fine di evitare un eccesso di incisione e sottoquotazione del photoresist.
- Riempire un bicchiere di vetro con acetone (abbastanza per sommergere il campione), posizionare il campione nel becher riempito acetone, e sonicare in un sonicatore bagnomaria per 5 min.
- Direttamente prendere il campione dal bicchiere acetone e metterlo in un bicchiere pieno di alcool isopropilico e sonicare in un sonicatore bagnomaria per 5 min.
- Asciugare il campione con azoto (Non consentire l'alcol isopropilico per evaporare dalla superficie).
- Polverizzazione catodica acconto 20 nm di Ti e 100 nm di Au. Questo film serve come strato di base elettrolitica per la successiva fase di processo di elettrodeposizione. I parametri di sputtering sono: corrente continua di 100 W, pressione di deposizione di 8 mt, 100 SCCM di Ar, pressione di base 3 x 10 -6 T.
- Vent la camera di processo o di blocco del carico in atmosfera.
- Caricare il campione nelcamera di processo o di blocco del carico.
- Pompare la camera di processo o di blocco del carico a vuoto.
- Attendere che la camera di processo raggiunge una pressione di base di 3 x 10 -6 T.
- Posizionare il campione per il luogo appropriato per la deposizione.
- Impostare la pressione della camera di 8 mt da argon che scorre nel sistema. La portata esatta occorrente per ottenere 8 mT dipende fortemente dal tipo di sistema usato. Lo strumento sputtering utilizzato per questo lavoro utilizzata una portata di 100 sccm.
- Attivare la sorgente con la destinazione di titanio.
- Presputter titanio a 300 W per 20 min.
- Polverizzazione catodica 20 nm di titanio a 100 W. L'ora esatta della deposizione dipende fortemente dal tipo di utilizzo del sistema. Per lo strumento sputtering utilizzato in questo lavoro, 5 min è necessario per raggiungere 20 nm.
- Disattivare la sorgente con la destinazione titanio sputtering.
- Attivare la sorgente con la destinazione d'oro.
- Presputter oro a 100 W per 2 min.
- Sputter100 nm di oro a 100 W. Il tempo esatto di deposizione dipende fortemente lo strumento di polverizzazione che viene utilizzato. Per lo strumento sputtering utilizzato in questo lavoro, 10 minuti è sufficiente per fornire 100 nm di oro.
- Disattivare la sorgente con la destinazione d'oro sputtering.
- Chiudere il rubinetto del gas Ar.
- Vent la camera di processo o di blocco del carico.
- Scaricare il campione una volta che la camera di processo o di blocco del carico raggiunge l'atmosfera.
- Pompare il blocco del carico o camera di processo verso il basso per alto vuoto.
- Litografia UV per creare uno stampo fotoresist che definisce la geometria della trave-fisso fisso.
- Riempire un bicchiere di vetro con acetone (abbastanza per sommergere il campione), posizionare il campione nel becher riempito acetone per 5 min.
- Direttamente prendere il campione dal bicchiere acetone e metterlo in un bicchiere pieno di alcool isopropilico per 5 min.
- Asciugare il campione con azoto (Non consentire l'alcol isopropilico per evaporare dalla superficie). <li> Dry (disidratazione cuocere) il campione su una piastra impostato a 150 ° C per 10 min. Lasciare che il campione raggiunga RT una volta che la cottura è completa disidratazione.
- Utilizzando una spincoater photoresist, HMDS spincoat sul campione a 3.500 rpm per 30 sec. Utilizzando una spincoater photoresist, spincoat photoresist positivo sul campione a 2.000 rpm per 30 sec. Softbake il photoresist per 90 secondi a 105 ° C su una piastra.
NOTA: Utilizzare 1 ml per ogni 25 mm di diametro del campione. - Utilizzare un allineatore maschera per allineare ed esporre il campione alla radiazione UV con una lunghezza d'onda di 350-450 nm. Utilizzare un energia di esposizione di 483 mJ / cm 2.
- Riempire un bicchiere di vetro con TMAH sviluppatore e utilizzare abbastanza per sommergere l'intero campione.
- Riempire un bicchiere di vetro con acqua deionizzata per terminare rapidamente allo sviluppo, al fine di evitare sviluppo eccessivo.
- Sviluppare il campione per 12-20 sec.
- Attentamente e rapidamente rimuovere il campione dal bicchiere sviluppo e submsi erge nel bicchiere acqua di risciacquo per 10 sec.
- Sciacquare il campione in un lavandino con acqua corrente deionizzata per 1-2 min.
- Asciugare il campione con azoto (Non permettere all'acqua di evaporare dalla superficie).
- Ispezionare il campione al microscopio.
- Se necessario, ripetere la procedura di sviluppo con aggiustamenti in tempo per evitare eccessivo sviluppo.
- Utilizzare un bicchiere di vetro bicchiere 1 L.
- Riempire becher con 700 ml di una disponibile in commercio, soluzione pronta per l'uso dell'oro elettrolitica (ATTENZIONE 38) .Montare bicchiere riempito su una piastra.
- Impostare la piastra a 60 ° C. Utilizzare una termocoppia per garantire che la soluzione rimane alla temperatura desiderata. Una volta che la soluzione ha raggiunto la temperatura desiderata, fissare il campione per un apparecchio che contiene l'anodo, pezzo (campione), e la termocoppia.
- Impostare la corrente di alimentazione per l'ampiezza appropriata in base alla exposed superficie metallizzata del campione. Una costante densità di corrente di 2 mA / cm 2 viene utilizzato.
- Viene utilizzato un anodo di acciaio inossidabile.
- Collegare la diretta verso l'anodo e il terreno al campione.
- La velocità di deposizione è 250-300 nm / min. Lo spessore finale del fascio fisso fisso è di 0,5 micron. Prendendo in considerazione che un approssimativo 4: 1 rapporto esiste nei tassi di etch galvanizzate oro polverizzata (quando si rimuove lo strato seme polverizzata), il fascio viene placcato a 1 micron.
- Una volta trascorso il tempo necessario, spegnere la corrente di alimentazione, scollegare i cavi dalla anodo e il pezzo, rimuovere il campione, e sciacquare abbondantemente sotto l'acqua corrente deionizzata in un lavandino per 1 min.
- Asciugare il campione con azoto (Non lasciare che l'acqua evapori dalla superficie).
- Utilizzare un microscopio e profilometro per verificare che la galvanica è completa.
- Preriscaldare glass bicchiere riempito con una spogliarellista photoresist dedicato su una piastra riscaldante a 110 ° C (ATTENZIONE 39). Immergere campione nella soluzione per 1 ora.
- Togliere il becher dal piastra riscaldante e mantenere la soluzione e assaggiare per raggiungere RT.
- Sciacquare campione accuratamente sotto l'acqua corrente in un lavandino per 1-2 min.
- Immergere campione in un becher riempito con acetone per 5 min.
- Immergere campione in un becher riempito con alcol isopropilico per 5 min.
- Asciugare il campione con azoto (Non consentire l'alcol isopropilico per evaporare dalla superficie).
- Ispezionare campione al microscopio e misurare l'altezza del gradino del elettrolitico Au con un profilometro. Ripetere la procedura di pulizia se necessario.
- Collocare il campione nel plasma RIE e utilizzare i seguenti parametri: 100 SCCM di Ar, 100 W, 50 mT per 30 sec.
- Riempire un bicchiere di teflon o vetro con Au etchant (ATTENZIONE 40). Utilizzare enough per coprire l'intero campione.
- Riempire un bicchiere di teflon o vetro con acqua deionizzata. Questa coppa servirà come una coppa risciacquo intermedio per terminare rapidamente la etch Au.
- Immergere il campione nel mordenzante Au. Parametri Etch - RT, 7-8 nm / sec, agitato. Una volta etch è completa, immergere il campione nel becher acqua di risciacquo e agitare delicatamente per 10-20 sec.
- Sciacquare il campione accuratamente sotto acqua corrente deionizzata in un lavandino per 1-2 min.
- Azoto colpo secco (Non permettere all'acqua di evaporare dalla superficie).
- Controllare l'attacco al microscopio e, se necessario, ripetere finché tutta l'Au viene rimosso dalle aree esposte.
- Eseguire plasma RIE nuovamente sul campione con i seguenti parametri: 100 SCCM di Ar, 100 W, 50 mT per 30 sec.
- Riempire un bicchiere di teflon con BOE (abbastanza per sommergere il campione).
- Riempire una Teflon con acqua deionizzata per il risciacquo del campione.
- Immergere il campione nel BOE a RT. Iletch tasso è 15-18 nm / min.When il tempo di etch, rimuovere il campione dal bicchiere e immergerlo nel bicchiere risciacquo per 10-20 sec.
- Sciacquare il campione accuratamente sotto acqua corrente deionizzata in un lavandino per 1-2 min.
- Azoto colpo secco (Non permettere all'acqua di evaporare dalla superficie).
- Controllare etch e, se necessario, ripetere finché tutto il titanio viene rimosso dalle aree esposte. Ridurre il tempo di attacco per evitare una significativa sottoquotazione.
- Vent la camera di processo per l'atmosfera.
- Caricare il campione nella camera di processo.
- Pompare il sistema fino al vuoto.
- Il tempo di attacco dipende fortemente dalla superficie esposta e il tipo di sistema etch utilizzato. Per questo esempio si utilizza una pressione di 3 T con un ciclo di 30 sec. Vengono utilizzati 10 cicli. Un tasso di etch 110-120 nm / min viene estratto.
- Una volta che il parametro etch sono impostati nel sistema, etch lo strato sacrificale di silicio.
- Quando l'attacco è completo eseguire i passaggi di spurgo necessarie per garantire gas tossici vengono rimossi prima di sfiato del sistema di atmosfera. Il sistema in questo studio ha un processo che esegue automaticamente questa operazione di spurgo.
- Vent la camera di processo per l'atmosfera.
- Rimuovere con cautela i campioni.
- Pompa camera di processo fino a vuoto.
2 Validazione sperimentale di dinamica forma d'onda
- Campione del carico sulla stazione sonda DC.
- Posizionare il campione sul mandrino della stazione sonda DC.
- Attivare il vuoto del mandrino per tenere il campione verso il basso.
- Utilizzare DC manipolatori punta della sonda per posizionare le punte della sonda di tungsteno sui pad di polarizzazione dei ponti MEMS.
- Usate il microscopio della stazione sonda DC per visualizzare la posizione esatta della punta della sonda di tungstenos sulla polarizzazione CC pastiglie del dispositivo. Il fascio fisso-fisso è sondato con la punta della sonda segnale dal vivo, mentre gli elettrodi a tendina sono sondati con la punta della sonda a terra.
- Programma segnale di polarizzazione dinamica sul generatore di funzioni.
- Usa valori calcolati per l'ondata iniziale di 20 parametri.
- Scegliere la funzione di forma d'onda arbitraria sul generatore di funzioni per creare la forma d'onda dinamica.
- Inserire i parametri di tempo della forma d'onda. A seconda del tipo di generatore di funzioni, il primo parametro del tempo inizia dopo pochi microsecondi (al contrario di 0 msec). L'intervallo tra il primo e il secondo parametro volta sarà il tempo calcolato prenderà il fascio per raggiungere il divario sovraelongazione. L'intervallo tra il secondo e il terzo parametro di tempo deve essere sufficientemente lungo da permettere il fascio di raggiungere completamente equilibrio con minime oscillazioni. Quando si immettono i parametri di tempo per operare in senso inverso (dal pull-down per rilasciare), il tempo divario superamento determina l'intervallo di tempo tra il terzo parametro di tempo e spegnendo il. Ci sarà un quinto intervallo di tempo necessario riavviare l'onda. Per questo permesso intervallo di tempo sufficiente per il fascio di raggiungere l'equilibrio prima di riavviare il ciclo.
- Inserire i parametri di tensione della forma d'onda. Le tensioni saranno una frazione della tensione effettiva applicata al fascio perché questo segnale passa attraverso un amplificatore lineare. I valori programmati nel generatore di funzioni per questo studio erano 1/20 della tensione effettiva.
- Collegare l'uscita del generatore di funzione per l'amplificatore lineare ad alta tensione ad alta velocità.
- Collegare l'uscita dell'amplificatore lineare di un oscilloscopio digitale con frequenza di campionamento di 300 MHz. L'oscilloscopio viene utilizzato per verificare il segnale in uscita dal generatore di forme d'onda arbitrarie.
- Collegare l'uscita dell'amplificatore lineare dei manipolatori DC. Assicurarsi che il generatore di funzioni èoff durante l'esecuzione di questo passo.
- Setup e misurare con il vibrometro laser Doppler (LDV)
- Posizionare la testa che tiene il LDV sul campione.
- Accendere il laser.
- Utilizzare il microscopio che è integrato con la LDV per trovare il raggio desiderato per misurare.
- Fuoco il laser sul centro del ponte MEMS. Questo è il punto di deformazione massima.
- Assicurarsi che l'intensità del fascio laser riflesso è sufficiente per una misurazione precisa.
- Impostare il tempo di campionamento alla frequenza di campionamento appropriata. Questa misura utilizza una frequenza di campionamento di 5.1 MHz.
- Selezionare lo spostamento in funzione del tempo di uscita per la LDV.
- Selezionare la modalità di misurazione continua.
- Applicare il segnale di polarizzazione sui ponti MEMS. La LDV catturerà l'effetto ronzio in tempo reale.
- Tune i parametri di temporizzazione e di tensione sul generatore di funzioni per raggiungere il minimo di oscillazione del fascio sul pull-down e il rilasciooperazioni.
- Una volta che i valori ottimali sono trovati spegnere il segnale di polarizzazione.
- Disattivare la modalità di misura LDV continua.
- Sollevare le punte della sonda DC fino dai pad di polarizzazione.
- Collegare l'ingresso di attivazione del generatore di funzione per l'uscita di attivazione dell'interfaccia hardware LDV. Per questo studio un cavo BNC viene utilizzato per questa connessione.
- Impostare il generatore di funzioni a riconoscere il trigger esterno dal sistema LDV.
- Impostare il software LDV per attivare il generatore di funzioni quando inizia la modalità di scansione di misura.
- Impostare il software LDV per modalità di scansione singola. La scansione singola volta sarà la durata della forma d'onda.
- Eliminare le punte della sonda DC indietro sui pad di polarizzazione del ponte MEMS.
- Cattura il segnale di scansione attivando la modalità di misurazione della LDV.
- Salvare lo spostamento contro dati di tempo.
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Representative Results
La configurazione in Figura 4 viene utilizzata per catturare la flessione rispetto al momento le caratteristiche dei ponti MEMS. Utilizzando il vibrometro laser Doppler nella sua modalità di misurazione continua, i parametri di tensione e di tempo precisi possono essere risultate una minima oscillazione del fascio per l'altezza desiderata gap. La Figura 5 illustra un esempio di deflessione del fascio corrispondente all'altezza 60 V gap. Si è visto che la quasi totalità delle oscillazioni viene rimosso. Non solo è la forma d'onda dinamico utile per una altezza gap, ma per tutti i gap possibili altezze. Questo è dimostrato in Figura 6 e Figura 7 per le operazioni sia per il pull-down e rilascio, rispettivamente. La forma d'onda dinamica calcolata e misurata utilizzato per realizzare le misurazioni nelle figure precedenti è presentato nelle figure 8 e 9, rispettivamente.
Figura 1 schizzo 2D e immagine SEM di ponti MEMS utilizzati in questo studio. (A) profilo 2D. (B) Vista superiore di ponti MEMS. (C) SEM del dispositivo fabbricato attuale. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 2 Schizzo di ponte MEMS sottosmorzato in risposta ad un gradino di ingresso e variabili nel tempo di risposta. (A) passo Unità di polarizzazione applicata. (B) Risposta di MEMS sottosmorzato ponte all'ingresso gradino unitario. (C) Tempo variabile / polarizzazione di ingresso dinamico. (D) Risposta del ponte MEMS per inserire variabili nel tempo.rget = "_blank"> Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3: riassunto flusso del processo per i ponti MEMS. (A) substrato di silicio ossidato. (B) attacco di massa di substrato di silicio. (C) Re-ossidazione del substrato di silicio. (D) Biossido di silicio etch per esporre silicio sacrificale. (E) deposizione Oro e patterning. (F) Etch di strato di silicio sacrificale per liberare il ponte MEMS. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 4 Schema a blocchi della sperimentazione setup utilizzato per applicare il segnale di polarizzazione e catturare la deflessione MEMS ponte. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 5 Misurato discesa e rilasciare stati di un ponte MEMS in risposta ad una polarizzazione di ingresso 60 V. La curva nera è la risposta da un ingresso a gradino. La curva rossa è la risposta ad un input dinamico.
Figura 6 Misurato intermedi altezze gap discesa del ponte MEMS in risposta ad un input dinamico. Cliccare qui per vedere un più ampio versione di questa figura.
Figura 7 Misurato altezze gap liberatoria intermedi del ponte MEMS in risposta ad un input dinamico.
Figura 8 forme d'onda calcolato per la polarizzazione di ingresso.
Figura 9 forma d'onda effettiva utilizzata per realizzare minima oscillazione del ponte MEMS.
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Discussion
Bassa tensione residua Au deposizione di film e un rilascio secco con XeF 2 sono componenti criticamente nella fabbricazione di successo del dispositivo. Attuatori frangente campo elettrostatico forniscono forze relativamente basse rispetto al parallelo-piastra attuatori di campo. MEMS tipici sottili sollecitazioni a film di> 60 MPa si tradurrà in tensioni elevate dell'azionamento che può potenzialmente compromettere l'affidabilità del EFFA MEMS. Per questo motivo la ricetta galvanica è accuratamente caratterizza per produrre un film sottile con assiale bi-media tensione bassa. Inoltre, questo studio utilizza silicio come tipo di strato sacrificale causa della sua relativa mancanza di espansione e contrazione (rispetto al photoresist) durante le fasi di processo che richiedono cicli termici. Infine, la fase di rilascio secco con XeF 2 facilita la lavorazione alto rendimento eliminando virtualmente stiction.
L'altezza divario trave desiderata corrisponde all'altezza gap overshoot (Figura 2B 20. Una volta che il fascio raggiunge il superamento / altezza gap desiderata secondo passo polarizzazione (Figura 2C) è applicato per tenere il fascio in questa posizione. Conoscendo il fattore di qualità meccanica del ponte MEMS (che può essere misurato o calcolato), la percentuale di superamento e il tempo per raggiungere l'altezza divario superamento può essere calcolato. Questi parametri vengono utilizzati per determinare l'ampiezza e la tempistica della tensione di ingresso.
Segnali di pilotaggio DC-dinamici utilizzati in questo studio hanno migliorato il tempo di assestamento da ~ 2 msec fino a ~ 35 msec per entrambi up-to-down e down-to-up Stati. Il tempo di commutazione calcolato secondo il modello euristico 20 è di 28 msec per una trave con larghezza w = 10 micron, lunghezza L = 400 micron, spessore t = 0,45 micron, spacco laterale a tendina s = 8 micron, e trazione residua media tensione σ = 5 MPa. Tempo di commutazione ha una -1/2 rapporto σ 20. Tegli conseguenza di questo rapporto è che relativamente piccole variazioni della tensione residua possono avere un impatto non marginale sul calcolo tempo di commutazione. Una differenza relativamente piccola di 2 MPa a tensioni residue può provocare una variazione tempo di commutazione del 20%. Pertanto esiste una necessità di ottimizzazione in tempo reale con il metodo presentato in questo documento a causa della inevitabile variazione di processo attraverso un wafer.
Il metodo presentato in questo lavoro dimostra miglioramenti significativi nel tempo di commutazione per attuatori di campo frange elettrostatici in cui il substrato viene rimosso. I dettagli per la fabbricazione dei sintonizzatori EFFA MEMS e il test elettrici sono descritte in dettaglio. Il metodo sperimentale, in particolare la tecnica di polarizzazione dinamica, troverà utilità in qualsiasi progettazione MEMS meccanico sottosmorzato per quanto riguarda il miglioramento delle prestazioni tempo di commutazione.
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Disclosures
Gli autori non hanno nulla da rivelare.
Acknowledgments
Gli autori desiderano ringraziare Ryan Tung per la sua assistenza e discussioni tecniche utili.
Gli autori desiderano inoltre ringraziare l'assistenza e il supporto dello staff tecnico Birck Nanotechnology Center. Questo lavoro è stato sostenuto dalla Defense Advanced Research Projects Agency sotto la Purdue Microonde riconfigurabile Evanescent-Mode cavità Filtri di studio. E anche da NNSA Centro di Pronostico affidabilità, integrità e capacità di sopravvivenza dei microsistemi e Dipartimento di Energia sotto Award Numero DE-FC5208NA28617. Le opinioni, pareri, e / o risultanze contenute in questo documento / presentazione sono quelle degli autori / presentatori e non devono essere interpretate come rappresentare le opinioni politiche o ufficiali, sia espressa o implicita, della Defense Advanced Research Projects Agency o il Dipartimento della Difesa.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Chemicals | |||
| Buffered oxide etchant | Mallinckrodt Baker | 1178 | Silicon dioxide etch, Ti etch |
| Acetone | Mallinckrodt Baker | 5356 | Wafer clean |
| Isopropyl alcohol | Honeywell | BDH-140 | Wafer clean |
| Hexamethyldisilizane | Mallinckrodt Baker | 5797 | Adhesion promoter |
| Microposit SC 1827 Positive Photoresist | Shipley Europe Ltd | 44090 | Pattern, electroplating |
| Microposit MF-26A developer | Shipley Europe Ltd | 31200 | Develop SC 1827 |
| Tetramethylammonium hydroxide | Sigma-Aldrich | 334901 | Bulk Si etch |
| Sulfuric acid | Sciencelab.com | SLS2539 | Wafer clean |
| Hydrogen peroxide | Sciencelab.com | SLH1552 | Wafer clean |
| Transene Sulfite Gold TSG-250 | Transense | 110-TSG-250 | Au electroplating solution |
| Baker PRS-3000 Positive Resist Stripper | Mallinckrodt Baker | 6403 | Photoresist stripper |
| Gold etchant type TFA | Transense | 060-0015000 | Au etch |
| Equipment | |||
| Mask aligner | Karl Suss MJB-3 | Pattern photoresist | |
| Sputter coater | Perkin Elmer 2400 Sputterer | Deposit metal | |
| Thermal oxidation furnace | Pyrogenic Oxidation Furnace | Grow silicon dioxide | |
| Reactive Ion Etch | Plasmatech RIE | Plasma ash | |
| Xenon difluoride dry etcher | Xactix Xenon Difluoride Etcher | Selective dry isotropic silicon etch | |
| Surface profilometer | Alpha-Step IQ | Step height measurement | |
| Probe ring | Signatone | Holds DC probe manipulators | |
| DC manipulators | Signatone S-900 Series Micropositioner | Applies potential difference to device | |
| Laser doppler vibrometer | Polytec OFV-551/MSA-500 Micro System Analyzer | Switching time measurement | |
| Digital function generator | Agilent E4408B Function Generator | Creates the DC-dynamic waveform | |
| High voltage linear amplifier | Single channel high voltage linear amplifier A400 | Facilitates high voltage | |
| Digital oscilloscope | Agilent DS05034A Digital Oscilloscope | Verify the dynamic waveform parameters | |
References
- Rebeiz, G. RF MEMS: Theory, Design, and Technology. , John Wiley and Sons. (2003).
- Senturia, S. D. Microsystem Design. , Springer. (2001).
- Bouchaud, J. Propelled by HP Inkjet Sales, STMicroelectronics Remains Top MEMS Foundry. , Available from: http://www.isuppli.com/MEMS-and-Sensors/News/Pages/Propelled-by-HP-Inkjet-Sales-STMicroelectronics-Remains-Top-MEMS-Foundry.aspx (2011).
- Lantowski, K. G. D. The Future of Cinema Has Arrived: More Than 50,000. Theatre Screens Worldwide Feature The Brightest, 2D/3D Digital Cinema Experience With DLP Cinema. , Available from: http://www.dlp.com/technology/dlp-press-releases/press-release.aspx?id=1510 (2011).
- Bosch-Wachtel, T. Knowles Ships 2 Billionth SiSonic MEMS Microphone. , Available from: http://pressrelease.smartoman.com/?p=2810 (2011).
- Burke, J. Mirasol Display Capabilities Add Color and Interactivity to Improve User Experience for Renowned Jin Yong Branded Device. , Available from: http://www.mirasoldisplays.com/press-center/pressreleases/2012/01/koobe-taiwan%E2%80%99s-leading-e-reader-manufacturer-and-qualcommbring (2012).
- Bettler, D. MEMStronics Captures Prestigious R & D 100 Award. , Available from: http://www.memtronics.com/files/MEMtronics_Press_Release7_1_2011.pdf (2011).
- Marsh, C. Omron Releases New RF MEMS Switch with Superior High Frequency Characteristics rated to 100 Million Operations. , Available from: http://www.components.omron.com/components/web/pdflib.nsf/0/. D69D5B6BCBE68DC2862574FD005B5141/$file/Omron 2MES-1 PR final.pdf (2008).
- Rosa, M. A., Bruyker, D. D., Volkel, A. R., Peeters, E., Dunec, J. A novel external electrode configuration for the electrostatic actuation of MEMS based devices. J. Micromech. Microeng. 14, 446-451 (2004).
- Rottenberg, X., et al. Electrostatic fringing-field actuator (EFFA): application towards a low-complexity thin film RF-MEMS technology. J. Micromech. Microeng. 17, S204-S210 (2007).
- Allen, W. N., Small, J., Liu, X., Peroulis, D. Bandwidth-optimal single shunt-capacitor matching networks for parallel RC loads of Q >> 1. Asia-Pacific Microw. Conf (Singapore). , 2128-2131 (2009).
- Small, J., Liu, X., Garg, A., Peroulis, D. Electrostatically tunable analog single crystal silicon fringing-field MEMS varactor. Asia-Pacific Microw Conf (Singapore). , 575-578 (2009).
- Liu, X., Small, J., Berdy, D., Katehi, L. P. B., Chappell, W. J., Peroulis, D. Impact of mechanical vibration on the performance of RF MEMS evanescent-mode tunable resonators. IEEE Microw. Wireless Compon. Lett. 21, 406-408 (2011).
- Small, J., et al. Electrostatic fringing field actuation for pull-in free RF-MEMS analog tunable resonators. J. Micromech. Microeng. 22, 095004 (2012).
- Su, J. A lateral-drive method to address pull-in failure in MEMS. , Dept. Elect. Comput. Eng., University of Notre Dame. (2008).
- Scott, S., Peroulis, D. A capacitively-loaded MEMS slot element for wireless temperature sensing of up to 300°C . IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Dig, Boston, MA, USA, , 1161-1164 (2009).
- Scott, S., Sadeghi, F., Peroulis, D. Inherently-robust 300C MEMS sensor for wireless health monitoring of ball and rolling element bearings. IEEE Sensors, Christchurch, New Zealand, , 975-978 (2009).
- Lee, K. B. Non-contact electrostatic microactuator using slit structures: theory and a preliminary test. J. Micromech. Microeng. 17, 2186-2196 (2007).
- Su, J., Yang, H., Fay, P., Porod, W., Berstein, G. H. A surface micromachined offset-drive method to extend the electrostatic travel range. J. Micromech. Microeng. 20, 015004 (2010).
- Small, J., Fruehling, A., Garg, A., Liu, X., Peroulis, D. DC-dynamic biasing for >50x switching time improvement in severely underdamped fringing-field electrostatic MEMS actuators. J. Micromech. Microeng. 22, (2012).
- Borovic, B., Liu, A. Q., Popa, D., Cai, H., Lewis, F. L. Open-loop versus closed-loop control of MEMS devices: Choices and issues. J. Micromech. Microeng. 15, 1917-1924 (2005).
- Pons-Nin, J., Rodriquez, A., Castaner, L. M. Voltage and pull-in time in current drive of electrostatic actuators. J. Microelectromech. Syst. 11, 196-205 (2002).
- Czaplewski, D. A., et al. A Soft Landing Waveform for Actuation of a Single-Pole Single-Throw Ohmic RF MEMS Switch. J. Microelectromech. Syst. 15, 1586-1594 (2006).
- Elata, D., Bamberger, H. On the dynamic pull-in of electrostatic actuators with multiple degrees of freedom and multiple voltage sources. J. Microelectromech. Syst. 15, 131-140 (2006).
- Chen, K. S., Ou, K. S. Fast positioning and impact minimizing of MEMS devices by suppression motion-induced vibration by command shaping method. Proc. IEEE 22nd Int. Conf. Micro Electro Mech. Syst, Sorrento, Italy, , 1103-1106 (2009).
- Chen, K. S., Yang, T. S., Yin, J. F. Residual vibration suppression for duffing nonlinear systems with electromagnetical actuation using nonlinear command shaping techniques. ASME J. Vibration and Acoustics. 128, 778-789 (2006).
- Buffered oxide etchant; MSDS No. B5636 [Online]; . , Mallinckrodt Baker, Inc. Phillipsburg, NJ. Available from: http://nrf.aux.eng.ufl.edu/_files/msds/299.pdf (2009).
- Acetone; MSDS No. A0446 [Online]. , Mallinckrodt Baker, Inc.. Phillipsburg, NJ. Available from: http://www.clean.cise.columbia.edu/msds/acetone.pdf (2001).
- Isopropyl alcohol. MSDS No. BDH-140 [Online]. , Honeywell. Muskegon, MI. Available from: http://grice.cofc.edu/pdf/MSDS/Rm205/Plante/Isopropyl%20Alcohol%2099%25.pdf (2005).
- Hexamethyldisilazane. MSDS No. H2066 [Online]. , Mallinckrodt Baker, Inc. Phillipsburg, NJ. Available from: http://kni.caltech.edu/facilities/msds/hmds.pdf (2007).
- Microposit SC 1827 Positive Photoresist. [Online]. , Rohm and Haas Electronic Materials LLC. Marlborough, MA. Available from: http://mfc.engr.arizona.edu/safety/MSDS%20FOLDER/Microposit%20SC%201827%20Photoresist.pdf (2004).
- SUSS MJB 3 mask aligner operator’s reference manual rev A. [Online]. , Karl Suss. Available from: http://www.acsu.buffalo.edu/~btvu/doc/cr/Suss%20MJB-3%20Operator's%20Manual.pdf (2013).
- Microposit MF-26A developer. [Online]. , Shipley Europe Ltd. Coventry, UK. Available from: http://www.nanotech.wisc.edu/CNT_LABS/MSDS/Developers/MSDS%20MF26A.pdf (2000).
- Technics 800 Micro RIE Operating Manual. [Online]. , Available from: http://research.engineering.ucdavis.edu/cnm2/wp-content/uploads/sites/11/2013/05/Technics800RIE.pdf (2008).
- Tetramethylammonium hydroxide. MSDS No. 334901 [Online]. , Sigma-Aldrich. Saint Loius, MO. Available from: http://www.sigmaaldrich.com/MSDS/MSDS/DisplayMSDSPage.do?country=US&language=en&productNumber=334901&brand=SIAL&PageToGoToURL=http%3A%2F%2Fwww.sigmaaldrich.com%2Fcatalog%2Fproduct%2Fsial%2F334901%3Flang%3Den (2012).
- Hydrofluoric acid. [Online]. , Sciencelab.com, Inc. Houston, TX. Available from: http://www.sciencelab.com/msds.php?msdsId=9924296 (2012).
- Piranha clean. [Online]. , Tufts University Standard Operating Procedure. Available from: http://engineering.tufts.edu/microfab/index_files/SOP/PiranhaClean_SOP.pdf (2007).
- Transene Sulfite Gold TSG-250. Product Number: 110-TSG-250. , Transene Company. Danvers, MA. (2012).
- Baker PRS-3000™ Positive Resist Stripper. MSDS No. B0203 [Online]. , Mallinckrodt Baker, Inc. Phillipsburg, NJ. Available from: http://mcf.tamu.edu/docs/msds-pdfs/BAKER-PRS-3000.pdf (2001).
- Gold etchant type TFA. Product Number: 060-0015000. , Transene Company. Danvers, MA. (2012).
- Xenon Difluoride Etching System. Lab manual Chapter 7.5 [Online]. , Marvell Nanofabrication Laboratory. Berkeley, CA. Available from: http://nanolab.berkeley.edu/labmanual/chap7/7.5xetch.pdf (2003).
- Garg, A., Small, J., Mahapatro, A., Liu, X., Peroulis, D. Impact of sacrificial layer type on thin film metal residual stress. IEEE Sensors, Christchurch, New Zealand, , 1052-1055 (2009).
