Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Real-Time DC-dynamisk Prioritering Metode til Switching Time Forbedring Alvorligt Underdamped Fringing-felt Elektrostatiske MEMS aktuatorer

Published: August 15, 2014 doi: 10.3791/51251
Automatic Translation
1, 2, 3, 1, 3
1Department of Electrical and Computer Engineering, University of California, Davis, 2Digital Light Projection (DLP) Technology Development, Texas Instruments, 3Birck Nanotechnology Center and the Department of Electrical and Computer Engineering, Purdue University

Summary

Den robuste enhed design sløring-field elektrostatiske MEMS aktuatorer resultater i sagens natur lavt squeeze-film dæmpning forhold og lange bosætter tidspunkter, hvor du udfører rangering ved hjælp af konventionelle trin påvirke. Real-time skifte tid forbedring med DC-dynamiske kurver reducerer afvikling tid af sløring felt MEMS aktuatorer, hvor der skiftes mellem op-til-ned og nede-på-up stater.

Abstract

Mekanisk underdamped elektrostatisk sløring-field MEMS aktuatorer er kendt for deres hurtige omskiftning som reaktion på en enhed skridt input bias spænding. Men den tradeoff for forbedrede skifte ydeevne er en relativt lang afvikling tid at nå hver spaltehøjden som reaktion på forskellige anvendte spændinger. Forbigående anvendt bias-kurver er ansat til at lette reducerede aktiveringstiderne for elektrostatiske sløring-field MEMS aktuatorer med høj mekanisk kvalitet faktorer. Fjernelse af underliggende substrat aktuatorens sløring-felt opretter den lave mekaniske dæmpning miljø nødvendige for effektivt at teste konceptet. Fjernelsen af ​​det underliggende substrat også en har væsentlig forbedring i forhold til pålideligheden af ​​apparatets ydeevne i forhold til fejl på grund af stiction. Selvom DC-dynamisk påvirke er nyttig til at forbedre afregning tid, kan de krævede dræbte satser for typiske MEMS enheder placere aggressive krav til opladning pumps for fuldt integreret on-chip design. Derudover kan der være udfordringer, der integrerer substrat fjernelse skridt ind i back-end-of-line kommercielle CMOS procestrin den. Eksperimentel validering af fabrikerede aktuatorer viser en forbedring på 50x i skiftetid sammenlignet med konventionelle trin forspænding resultater. Sammenlignet med teoretiske beregninger, de eksperimentelle resultater er i god overensstemmelse.

Introduction

Mikroelektromekaniske systemer (MEMS) udnytte flere aktiveringsmekanismer at opnå mekanisk forskydning. De mest populære er termisk, piezoelektriske, magnetostatiske, og elektrostatisk. For kort skiftetid, elektrostatiske aktivering er den mest populære teknik 1, 2. I praksis kritisk dæmpet mekaniske design giver det bedste kompromis mellem første stigning tid og afvikling tid. Ved at anvende DC bias og aktivering membranen ned mod pull-down elektrode, en bilæggelse tid ikke er et vigtigt spørgsmål som membranen vil snap ned og holde sig til den dielektriske coatede aktivering elektrode. Flere ansøgninger har nydt godt af ovennævnte elektrostatiske aktivering design 3-8. Tilstedeværelsen af ​​det dielektriske belagte pull-down elektrode gør aktuatoren modtagelige for dielektrisk opladning og stiction.

MEMS membraner kan udnytte en underdamped mekanisk design for at opnå en hurtig første stigning tid. Et eksempel på en underdamped mekanisk design er den elektrostatiske sløring felt aktiveres (EFFA) MEMS. Denne topologi har udstillet langt mindre sårbarhed over for typiske brudmekanismer der plager elektrostatiske baseret design 9-20. Fraværet af den parallelle modelektrode og dermed parallelle elektriske felt er hvorfor disse MEMS er passende kaldes "sløring-feltet" aktiveres (figur 1). For EFFA design, er pull-down elektrode opdelt i to separate elektroder, der er placeret sideværts offset til bevægelige membran og fuldstændig fjerne overlapningen mellem de bevægelige og stationære dele af indretningen. Men fjernelse af substratet fra under den bevægelige membran reducerer squeeze filmen dæmpning komponent derved øge indsvingningstid. 2B er et eksempel på indsvingningstid reaktion på standard trin påvirke. Forbigående, eller DC-dynamisk anvendt forspænding i realtid kan anvendes til at forbedre indstillingstid 20-26. Figurerne 2C og 2D kvalitativt illustrere, hvordan en tidsvarierende bølgeform effektivt kan annullere ringer. Tidligere forskningsindsats udnytte numeriske metoder til at beregne den nøjagtige spænding og tider af input bias at forbedre skiftetid. Metoden i dette arbejde anvender kompakte lukkede form udtryk til at beregne indgangsforspændingsdioder bølgeform parametre. Derudover tidligere arbejde fokuseret på parallel plade aktivering. Mens strukturer er designet til at blive underdamped, squeeze-film dæmpning er stadig tilgængelig i denne konfiguration. Aktiveringen metode præsenteres i dette arbejde er sløring-felt aktivering. I denne konfiguration squeeze-film dæmpning effektivt elimineret. Dette udgør et ekstremt tilfælde, hvor den mekaniske dæmpning af MEMS strålen er meget lav. Dette papir beskriver, hvordan man fremstille EFFA MEMS devICES og udføre målingen til eksperimentelt validere bølgeform koncept.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Fremstilling af EFFA MEMS fastforrentede fast Bjælker (Se figur 3 for Opsummeret Process)

  1. UV-litografi og kemisk våd ætsning af siliciumdioxid med bufferet flussyre (ADVARSEL 27).
    1. Brug en oxideret, lav resistivitet silicium substrat.
    2. Fyld et glas bægerglas med acetone 28 (nok til at oversvømme prøven), som anbringes prøven i acetone fyldt bæger, og soniker i 5 min i et vandbad sonikator.
    3. Uden tørring direkte overføre prøven fra acetone bægeret til et bægerglas fyldt med isopropylalkohol 29 og sonikeres i 5 minutter i et vandbad-sonikator.
    4. Tør prøven med kvælstof (tillader ikke isopropylalkohol til at fordampe fra overfladen).
    5. Tør (dehydrering bage) prøven på en varmeplade indstillet til 150 ° C i 10 min. Lad prøven at nå stuetemperatur, når dehydrering bage er færdig.
    6. Anbring prøven på aksel med en fotoresist spinner.Pipette og dispensere 1 ml hexamethyldisilazan (HMDS) pr 25 mm diameter (Forsigtig 30). Spincoat ved 3.500 rpm i 30 sek. Pipette og dispensere 1 ml positiv fotoresist pr 25 mm diameter (Forsigtig 31). Spincoat prøven ved 3.500 rpm i 30 sek. Softbake fotoresisten i 90 sekunder ved 105 ° C på en kogeplade.
    7. Brug en maske aligner at udsætte prøven for UV-stråling med en bølgelængde på 350-450 nm. Brug eksponering energi på 391 mJ / cm 2 (ADVARSEL 32).
    8. Fyld et glas bægerglas med TMAH baserede udvikler (ADVARSEL 33) og bruge nok til at oversvømme hele prøven.
    9. Fyld et glas bægerglas med demineraliseret vand for hurtigt at stoppe udviklingen for at undgå overdevelopment.
    10. Udvikle prøven i 12-20 sek. Ryst forsigtigt den neddykkede prøve.
    11. Omhyggeligt og hurtigt at fjerne prøven fra udvikling bæger og nedsænkes i skyllevandet bæger i 10 sek.
    12. Blæs forsigtigt tørre prøven med kvælstof (Lad ikke deioniseret vand til at fordampe fra overfladen).
    13. Undersøg prøven under et mikroskop.
    14. Hvis det er nødvendigt, udvikling procedure gentages med justeringer i tide til at undgå overdevelopment.
    15. Brug et plasma reaktiv ionætsning (RIE) til ru overflade for at forbedre overfladebefugtning. RIE indstillinger 34: 100 SCCM af Ar, 100 W RF-effekt, 50 mT kammertryk, 1 min.
    16. Fyld en Teflon bæger med en tilstrækkelig mængde af buffered oxid etch (BOE) til dækning af prøven.
    17. Fyld en anden teflon bæger med deioniseret vand i en mellemliggende skylning af prøven.
    18. Sænk prøven i BOE. Den ætsehastighed er 90-100 nm / min.
    19. Når ætsning er færdig, skylles i teflon bæger, der har deioniseret vand i 10 sek. Derefter skylles prøven i en vask under rindende deioniseret vand i 1-2 mi.
    20. Tør prøven med kvælstof (Lad ikke deioniseret vand til at fordampe fra overfladen).
    21. Undersøg prøven under et mikroskop.
    22. Gentag etch og skyl trin som nødvendigt med tilpasninger i tid for at undgå over-ætsning og underbud af fotoresist.
    23. Fjern fotoresist maske.
    24. Fyld et glas bæger med acetone (nok til at oversvømme prøven), som anbringes prøven i acetone fyldt bæger og soniker i et vandbad sonicator i 5 min.
    25. Direkte tage prøven fra acetone bæger og læg den i en isopropylalkohol fyldt bæger og soniker i 5 min i et vandbad sonikator.
    26. Tør prøven med kvælstof (Lad ikke isopropylalkohol til at fordampe fra overfladen).
  2. Kemisk våd ætsning af silicium med tetramethylammoniumhydroxid (TMAH) 25 vægt% (ADVARSEL 35).
    1. Brug en ren 4 liters bægerglas.
    2. Brug en varmeplade med en thermocouple. Brug en Teflon kurv, der har en krog i enden af ​​grebet til at holde prøverne. Brug en magnetisk omrørerstav stang for korrekt omrøring at lindre silicium overfladen af ​​hydrogenbobler, der frigives i løbet af størstedelen ætsningsproces.
      BEMÆRK: Tilbagemeldingerne mellem termoelement og varmepladen sikrer passende temperatur forbliver konstant i hele etch. Hvis frigjort brint ikke fjernes fra overfladen, kan det maskere underliggende silicium fra TMAH.
    3. Hæld TMAH 25 vægt% op til 2 L mærke bægeret.
    4. Placer termoelement i opløsningen og forvarmes til 80 ° C. Hvis det er muligt, skal du bruge en brugerdefineret stativ eller klemme til at holde termoelementet at forhindre interferens med rotation af magnetisk omrører.
    5. Når opløsningen når den nødvendige temperatur, placere prøver i Teflon kurv og placere kurven i opløsningen ved at hænge det fra kanten af ​​bægerglasset. Sørg for, at kurven ikke hvilerpå bunden af ​​bægerglasset for at give plads til magnetisk omrørerstav stangen til at rotere.
    6. Indstil rotationshastigheden af ​​magnetisk omrørerstav til 400 rpm.
    7. Den ætsehastigheden af ​​opløsningen er 300-350 nm / min. Den nødvendige etch dybde er 4-5 um.
    8. Når den nødvendige tid er gået til at fuldføre etch fjerne prøven fra opløsningen og skylles med deioniseret vand i 1-2 minutter.
    9. Tør prøven med kvælstof (Lad ikke deioniseret vand til at fordampe fra overfladen).
    10. Brug en profilometer at måle trinhøjde.
    11. Hvis trinhøjde ikke er nået, placeres prøverne i opløsningen igen for at opnå den ønskede trinhøjde.
  3. Kemisk våd ætsning af alle SiO2 fra underlaget og termisk vokse yderligere 500 nm SiO2.
    1. Fyld en Teflon bæger med flussyre 49% af volumen (ADVARSEL 36). Brug en mængde, der er tilstrækkelig til at dække prøven.
    2. Fyld en Teflon-bægerglas med deioniseret vand til skylning af prøven. Brug en mængde, der er tilstrækkelig til at dække prøven.
    3. Etch prøven med flussyre. Lad prøven i opløsningen, indtil alle SiO2 fjernes. Da opløsningen er stærkt koncentreret, vil etch ske relativt hurtigt.
    4. Skyl 10-20 sek i teflon bæger fyldt med demineraliseret vand.
    5. Det skylles derefter grundigt under rindende deioniseret vand i en vask til 1-2 min.
    6. Bland en opløsning af H 2 SO 4 H 2 O 2 (svovlsyre: hydrogenperoxid, Piranha ren) i en 1: 1-forhold i en Teflon-bægerglas (PAS 37). Brug nok til at dække prøven.
    7. Fyld en Teflon-bægerglas med deioniseret vand til skylning af prøven.
    8. Sænk prøven i H 2 SO 4: H 2 O 2 i 7-10 min.
    9. Kort fortalt, 10 sek, skylles prøven i skyllevandet bægerglas.
    10. Skyl prøven i en vask under rindende deioniseret vand i 1-2 min.
    11. Tør prøven med kvælstof (Lad ikke vand til at fordampe fra overfladen).
    12. Udfør våd termisk oxidation at vokse 500 nm SiO2.
  4. UV-litografi og kemisk våd etch til mønster SiO2 at blotlægge silicium, der tjener som offerlaget til den endelige version af de faste faste bjælker.
    1. Fyld et glas bæger med acetone (nok til at oversvømme prøven), som anbringes prøven i acetone fyldt bæger og soniker i et vandbad sonicator i 5 min.
    2. Direkte tage prøven fra acetone bæger og læg den i en isopropylalkohol fyldt bæger og soniker i et vandbad sonicator i 5 min.
    3. Tør prøven med kvælstof (Lad ikke isopropylalkohol til at fordampe fra overfladen).
    4. Tør (dehydrering bage) prøven på en varmeplade indstillet til 150 ° C i 10 min. Tillad than prøve at nå RT når dehydrering bage er færdig.
    5. Ved hjælp af en fotoresist spincoater, spincoat HMDS på prøven ved 3.500 rpm i 30 sek. Ved hjælp af en fotoresist spincoater, spincoat positiv fotoresist på prøven ved 3.500 rpm i 30 sek. Softbake fotoresisten i 90 sekunder ved 105 ° C på en varmeplade.
      BEMÆRK: Brug 1 ml pr hver 25 mm prøve diameter.
    6. Brug en maske aligner at udsætte prøven for UV-stråling med en bølgelængde på 350-450 nm. Brug eksponering energi på 391 mJ / cm 2.
    7. Fyld et glas bægerglas med en TMAH baseret udvikler og bruge nok til at oversvømme hele prøven.
    8. Fyld et bægerglas med deioniseret vand til hurtigt at bringe udvikling for at forhindre overudvikling.
    9. Udvikle prøven i 12-20 sek.
    10. Omhyggeligt og hurtigt at fjerne prøven fra udvikling bæger og nedsænkes i skyllevandet bæger i 10 sek.
    11. Skyl prøven i en vask under rindende deioniseret water 1-2 min.
    12. Tør forsigtigt med nitrogen (Lad ikke vand til at fordampe fra overfladen).
    13. Undersøg prøven under et mikroskop.
    14. Hvis det er nødvendigt, udvikling procedure gentages med justeringer i tide til at undgå overdevelopment.
    15. Brug plasma RIE at gøre overfladen ru for at forbedre overfladebefugtning. RIE indstillinger: 100 SCCM af Ar, 100 W RF-effekt, 50 mT kammertryk, 1 min.
    16. Fyld en teflon bæger med en tilstrækkelig mængde af BOE at dække prøven.
    17. Fyld en Teflon-bægerglas med deioniseret vand til et mellemliggende skylning af prøven.
    18. Sænk prøven i BOE. Den ætsehastighed er 90-100 nm / min.
    19. Når ætsning er færdig, skylles i teflon bæger, der har deioniseret vand i 10 sek. Derefter skylles prøven under rindende demineraliseret vand i en vask til 1-2 min.
    20. Tør prøven med kvælstof (Lad ikke vand til at fordampe fra overfladen).
    21. Efterse prøve under en mikroskopete.
    22. Gentag etch og skyl trin som nødvendigt med tilpasninger i tid for at undgå over-ætsning og underbud af fotoresist.
    23. Fyld et glas bæger med acetone (nok til at oversvømme prøven), som anbringes prøven i acetone fyldt bæger, og soniker i et vandbad sonicator i 5 min.
    24. Direkte tage prøven fra acetone bæger og læg den i en isopropylalkohol fyldt bæger og soniker i et vandbad sonicator i 5 min.
    25. Tør prøven med kvælstof (Lad ikke isopropylalkohol til at fordampe fra overfladen).
  5. Sprutte depositum 20 nm af Ti og 100 nm i Au. Denne film tjener som galvanisering frø lag for efterfølgende galvanisering procestrin. Forstøvningsapparat parametre er: DC effekt på 100 W, aflejring tryk på 8 mt 100 SCCM af Ar, sokkel pres 3 x 10 -6 T.
    1. Udluft proces kammer eller belastning lås til atmosfæren.
    2. Indlæs prøven iproces kammer eller belastning lås.
    3. Pump proces kammer eller belastning lås til vakuum.
    4. Vent, til processen kammeret opnår en base tryk på 3 x 10 -6 T.
    5. Placer prøven til det rigtige sted til deponering.
    6. Indstil trykkammeret til 8 mT ved strømmende argon i systemet. Den nøjagtige strømningshastighed nødvendig for at opnå 8 mT meget afhængig af typen af ​​det anvendte system. Forstøvningsapparat værktøj til dette arbejde anvendes en strømningshastighed på 100 sccm.
    7. Aktiver kilde med titanium målet.
    8. Presputter titan ved 300 W i 20 min.
    9. Sprutte 20 nm af titanium på 100 W. Det nøjagtige tidspunkt for deponering er meget afhængig af typen af ​​systemet i brug. For sputtering værktøj, der anvendes i dette arbejde, der er nødvendigt for 5 min for at opnå 20 nm.
    10. Deaktiver kilde med titanium sputtering mål.
    11. Aktiver kilde med guld målet.
    12. Presputter guld ved 100 W i 2 minutter.
    13. Sputter100 nm guld på 100 W. nøjagtige deposition tid er stærkt afhængig af sputtering værktøj, der bruges. For sputtering værktøj, der anvendes i dette arbejde, 10 minutter er nok til at give 100 nm guld.
    14. Deaktiver kilde med guld sputtering mål.
    15. Luk gasventilen Ar.
    16. Udluft proces kammer eller belastning lås.
    17. Aflad prøven når processen kammer eller belastning lås når atmosfære.
    18. Pump belastning lås eller proces kammer ned til højt vakuum.
  6. UV litografi til at skabe en fotoresist skimmel, der definerer geometrien af ​​den faste fast stråle.
    1. Fyld et glas bæger med acetone (nok til at oversvømme prøven), som anbringes prøven i acetone fyldt bæger i 5 min.
    2. Direkte tage prøven fra acetone bæger og læg den i en isopropylalkohol fyldt bæger i 5 min.
    3. Tør prøven med kvælstof (Lad ikke isopropylalkohol til at fordampe fra overfladen).
      4. <li> Tørt (dehydrering bage) prøven på en varmeplade indstillet til 150 ° C i 10 min. Lad prøven at nå stuetemperatur, når dehydrering bage er færdig.
    4. Ved hjælp af en fotoresist spincoater, spincoat HMDS på prøven ved 3.500 rpm i 30 sek. Ved hjælp af en fotoresist spincoater, spincoat positiv fotoresist på til prøven ved 2.000 rpm i 30 sek. Softbake fotoresisten i 90 sekunder ved 105 ° C på en varmeplade.
      BEMÆRK: Brug 1 ml pr hver 25 mm prøve diameter.
    5. Brug en maske aligner at tilpasse og udsætte prøven for UV-stråling med en bølgelængde på 350-450 nm. Brug en eksponering energi på 483 mJ / cm 2.
    6. Fyld et glas bægerglas med TMAH baserede udvikler og bruge nok til at oversvømme hele prøven.
    7. Fyld et bægerglas med deioniseret vand til hurtigt at bringe udvikling for at forhindre overudvikling.
    8. Udvikle prøven i 12-20 sek.
    9. Omhyggeligt og hurtigt at fjerne prøven fra udvikling bæger og Submerge det i skyllevandet bægerglas i 10 sek.
    10. Skyl prøven i en vask under rindende deioniseret vand i 1-2 min.
    11. Tør prøven med kvælstof (Lad ikke vand til at fordampe fra overfladen).
    12. Undersøg prøven under et mikroskop.
    13. Hvis det er nødvendigt, udvikling procedure gentages med justeringer i tide til at undgå overdevelopment.
  7. Galvaniseret guld MEMS stråle.
    1. Brug en 1 liters bægerglas bægerglas.
    2. Fyld bæger med 700 ml af en kommercielt tilgængelig, klar-til-brug guld galvanisering løsning (ADVARSEL 38) .Sæt fyldt bæger på en varmeplade.
    3. Indstil kogepladen til 60 ° C. Brug et termoelement til at sikre, at opløsningen forbliver på den ønskede temperatur. Når opløsningen har nået den ønskede temperatur, vedhæfte prøven til et armatur, der holder anoden, emne (prøven) og termoelement.
    4. Sæt strømforsyningen til den passende amplitude baseret på exposed metalliseret område af prøven. En konstant strømtæthed på 2 mA / cm 2 anvendes.
    5. En rustfri stål anode anvendes.
    6. Slut live til anoden og jorden til prøven.
    7. Depositionen sats er 250-300 nm / min. Den endelige tykkelse af den faste fast bjælke er 0,5 um. Under hensyntagen til, at en omtrentlig forholdet 4: 1 eksisterer i etch satser elektropletterede til forstøvet guld (ved fjernelse af katodeforstøvede frø lag) er bjælken galvaniseret til 1 um.
    8. Når den fornødne tid er gået, skal du slukke for strømforsyningen, skal du frakoble ledningerne fra anoden og emne, skal du fjerne prøven, og skyl grundigt under rindende demineraliseret vand i en vask i 1 min.
    9. Føntørre prøven med kvælstof (Lad ikke vand til at fordampe fra overfladen).
    10. Brug et mikroskop og profilometer at kontrollere, at galvanisering er færdig.
  8. Etch fotoresist formen.
    1. Forvarm glasse bæger fyldt med en dedikeret fotoresist stripper på en varmeplade til 110 ° C (PAS 39). Sænk prøven i opløsningen i 1 time.
    2. Derefter fjernes bægerglasset fra varmepladen og lad opløsningen og prøve at nå frem til RT.
    3. Skyl prøve grundigt under rindende vand i en vask til 1-2 min.
    4. Nedsænk prøven i et bæger fyldt med acetone i 5 min.
    5. Nedsænk prøven i et bæger fyldt med isopropylalkohol i 5 minutter.
    6. Tør prøven med kvælstof (Lad ikke isopropylalkohol til at fordampe fra overfladen).
    7. Undersøg prøven under et mikroskop og måle trinhøjde på det elektropletterede Au med et profilometer. Gentag rengøring trin, hvis det er nødvendigt.
  9. Kemisk våd ætsning Ti / Au frø lag.
    1. Prøven anbringes i plasma RIE og bruge følgende parametre: 100 SCCM af Ar, 100 W, 50 MT for 30 sek.
    2. Fyld en teflon eller glas bægerglas med Au ætsningsmiddel (ADVARSEL 40). Brug enough at dække hele prøven.
    3. Fyld en teflon eller bægerglas med deioniseret vand. Dette bæger vil tjene som et mellemliggende skylning bæger hurtigt at bringe Au ætsning.
    4. Sænk prøven i Au ætsemidlet. Etch parametre - RT 7-8 nm / s, ophidsede. Når etch er færdig, nedsænkes prøven i skyllevandet bægeret og ryst forsigtigt i 10-20 sek.
    5. Det skylles derefter grundigt under rindende deioniseret vand i en vask til 1-2 min.
    6. Kvælstof slag tør (må ikke lade vandet fordampe fra overfladen).
    7. Undersøg etch under et mikroskop, og, om nødvendigt gentages, indtil alle Au fjernes fra udsatte områder.
    8. Udfør plasma RIE igen på prøven med følgende parametre: 100 sccm Ar, 100 W, 50 mT i 30 sek.
    9. Fyld en Teflon bæger med BOE (nok til at oversvømme prøven).
    10. Fyld en Teflon med deioniseret vand til skylning af prøven.
    11. Sænk prøven i BOE ved stuetemperatur. Denætsehastighed er 15-18 nm / min.When etch tid er afsluttet, fjernes prøven fra bægerglas og nedsænkes i skyllevandet bægeret til 10-20 sek.
    12. Det skylles derefter grundigt under rindende deioniseret vand i en vask til 1-2 min.
    13. Kvælstof slag tør (må ikke lade vandet fordampe fra overfladen).
    14. Undersøg etch og om nødvendigt gentages indtil al titanium fjernet fra udsatte områder. Reducer etch tid for at undgå et betydeligt underbud.
  10. Udfør en tør isotropisk XeF 2 etch (ADVARSEL 41), der selektivt fjerner silicium og frigiver Au fast faste bjælker.
    1. Vent proceskammeret til atmosfæren.
    2. Indlæs prøven i processen kammer.
    3. Pump systemet ned til vakuum.
    4. Etch tid afhænger i høj grad på det eksponerede område og den type etch system, der anvendes. Til denne prøve et tryk på 3 T med en 30 sek cyklus anvendes. Anvendes 10 cyklusser. En ætsehastigheden af ​​110-120 nm / min udvindes.
    5. Når etch parameteren er indstillet i systemet, etch silicium offerlaget.
    6. Når ætsning er færdig udføre de nødvendige udrensning skridt til at sikre giftige gasser fjernes før udluftning af systemet til atmosfæren. Systemet i denne undersøgelse har en proces, der automatisk udfører denne udrensning trin.
    7. Vent proceskammeret til atmosfæren.
    8. Tage prøverne forsigtigt.
    9. Pump proceskammeret ned til vakuum.

2. Eksperimentel Validering af Dynamic Waveform

  1. Load prøve på DC sonde station.
    1. Anbring prøven på aksel med DC sonde station.
    2. Aktiver vakuum af borepatronen at holde prøven nede.
    3. Brug DC sondespids manipulatorer at placere wolfram probespidser på påvirkningsorganer puder af MEMS broer.
    4. Brug mikroskop DC sonden stationen for at se præcis positionering af wolfram sondespidsens over DC forspænding puder af enheden. Den fastforrentede fast stråle probes med det direkte signal probespidsen mens pull down elektroder probes med jorden probespids.
  2. Program dynamisk påvirke signalet på funktion generator.
    1. Brug beregnede værdier for den indledende bølgeparametre 20.
    2. Vælg den arbitrærbølgeformsgenerator funktionen på den funktion generator til at skabe den dynamiske bølgeform.
    3. Input den tid parametre kurveform. Afhængigt af typen af ​​funktion generator, starter første tidsparameter efter få mikrosekunder (i modsætning til 0 mikrosekunder). Intervallet mellem første og anden gang parameter bliver den beregnede tid det vil tage at strålen nå overskridelsen hul. Intervallet mellem den anden og tredje gang parameteren skal være lang nok til at tillade strålen helt nå ligevægt med minimal svingning. Ved indtastning tidsparametrene at operere i den modsatte retning (fra pull-down at frigive), vil overskridelsen kløften tid bestemme tidsintervallet mellem tredje gang parameter og slukke for. Der vil være en femte tidsinterval skal genstarte bølgen. Til dette interval tilladelse tilstrækkelig tid til at strålen nå ligevægt, før du genstarter cyklussen.
    4. Input spændingen parametre kurveform. De spændinger, vil være en del af den faktiske spænding, der påføres til bjælken fordi dette signal vil passere gennem en lineær forstærker. De programmerede i funktion generator til denne undersøgelse værdier var 1/20 af den faktiske spænding.
    5. Forbind udgangen af ​​funktion generator til højhastighedstog spænding lineær forstærker.
    6. Forbind udgangen af ​​den lineære forstærker til et digitalt oscilloskop med en samplinghastighed på 300 MHz. Oscilloskopet anvendes til at kontrollere signalet output fra arbitrærbølgeformsgenerator.
    7. Forbind udgangen af ​​den lineære forstærker til DC manipulatorer. Sørg for, at funktionen generator erslukket, mens de udfører dette trin.
  3. Opsætning og måle med Laser Doppler vibrometer (LDV)
    1. Placer hoved, der holder LDV over prøven.
    2. Tænd laseren.
    3. Brug mikroskop, der er integreret med LDV at finde det ønskede stråle at måle.
    4. Fokus laseren på midten af ​​MEMS broen. Det er det punkt for største deformation.
    5. Sikre intensiteten af ​​laserstrålen refleksion er tilstrækkelig til nøjagtig måling.
    6. Indstil prøvetagningstidspunkt til den relevante samplingfrekvens. Denne måling bruger en samplingfrekvens på 5,1 MHz.
    7. Vælg forskydningsudgangen versus tid for LDV.
    8. Vælg kontinuerlig måling tilstand.
    9. Påfør påvirke signalet på MEMS broer. LDV vil fange ringen virkning i realtid.
    10. Tune timing og spænding parametre på den funktion generator til at opnå minimal stråle svingning på pull-down og frigivelseoperationer.
    11. Når de optimale værdier fundet slukke påvirke signalet.
    12. Sluk for kontinuerlig LDV måling tilstand.
    13. Løft DC sondespidser op fra forspæn- trædepuder.
    14. Slut udløser input af funktion generator til udløsning udgang LDV hardwareinterface. Til denne undersøgelse et BNC kabel bruges til denne tilslutning.
    15. Indstil funktionen generator til at anerkende den eksterne trigger fra LDV-systemet.
    16. Indstil LDV software til at udløse funktionen generatoren når målingen scanning begynder.
    17. Indstil LDV software enkelt scanning. Den tid enkelt scanning være varigheden af ​​bølgeformen.
    18. Drop DC sondespidser ned på trykkemidlet puder af MEMS broen.
    19. Fang signalet scanne ved at aktivere den målemetode af LDV.
    20. Gem forskydning versus tidsdata.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Opsætningen i figur 4 anvendes til at fange afbøjning versus tidskarakteristika af MEMS broer. Ved hjælp af laser-doppler-vibrometer i kontinuerlig måling tilstand, kan de præcise spænding og tidsparametre findes at resultere i minimum stråle svingning for den ønskede spaltehøjden. Figur 5 illustrerer et eksempel stråle deformation svarende til 60 V spaltehøjden. Det ses, at næsten alle af svingningerne er fjernet. Ikke alene er den dynamiske bølgeform nyttigt for et hul højde, men for alle gap muligt højder. Dette demonstreres i figur 6 og figur 7 for både pull-down og frigivelse operationer, hhv. Det beregnede og målte dynamisk bølge form til at nå målene i de tidligere figurer er præsenteret i figur 8 og 9, hhv.

alt = "Figur 1" src = "/ filer / ftp_upload / 51251 / 51251fig1highres.jpg" />
Figur 1. 2D skitse og SEM billede af MEMS broer anvendt i denne undersøgelse. (A) 2D-profil. (B) Ovenfra af MEMS broer. (C) SEM faktiske fabrikeret enhed. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 2
Figur 2. Skitse af underdamped MEMS bro som reaktion på et input trin og tid varierende respons. Trin (A) anvendte enhed partiskhed. (B) Respons af underdamped MEMS bro til enhed trin-indgang. (C) tidsvarierende / dynamisk input bias. (D) Svar af MEMS bro til tidsvarierende input.rget = "_blank"> Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 3
Figur 3. Opsummeret procesforløb for MEMS broer. (A) oxideret silicium substrat. (B) Bulk ætsning af silicium substrat. (C) Re-oxidation af silicium substrat. (D) Siliciumdioxid etch at eksponere blote silicium. (E) Guld deposition og mønster. (F) Etch af hellige siliciumlag at frigive MEMS broen. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 4
Figur 4. Blokdiagram forsøgsvise selvTUP bruges til at anvende bias signal og fange MEMS bro afbøjning. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 5
Figur 5. Målt pull-ned, og slip tilstande af en MEMS bro som svar på et 60 V input bias. Den sorte kurve er svaret fra en trin-indgang. Den røde kurve er svaret på en dynamisk indgang.

Figur 6
Figur 6. Målt mellemliggende pull-down gap højder af MEMS broen som reaktion på en dynamisk indgang. Klik her for at se et større version af dette tal.

Figur 7
Figur 7. Målt mellemliggende frigivelse gap højder af MEMS broen som reaktion på en dynamisk indgang.

Figur 8
Figur 8. Beregnet bølgeform for input bias.

Figur 9
Figur 9. Faktisk bølgeform anvendes til at opnå minimum oscillation af MEMS broen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Lav restspændinger Au film deposition og en tør udgivelse med XeF 2 er kritisk komponenter i en vellykket fremstilling af enheden. Elektrostatiske sløring-field aktuatorer giver relativt lave styrker, i forhold til parallel-plade felt aktuatorer. Typiske MEMS tyndfilm stress> 60 MPa vil resultere i alt for høje drivspændinger som potentielt kan kompromittere pålideligheden af ​​EFFA MEMS. Af denne grund galvanisering opskrift er nøje karakteriseret til opnåelse af en tynd film med lav toakset gennemsnitlig stress. Derudover denne undersøgelse bruger silicium som offerlaget typen på grund af sin relative mangel på udvidelse og sammentrækning (sammenlignet med fotoresist) under procestrin, der kræver varme cyklusser. Endelig frigivelse skridt tør med XeF 2 letter højt udbytte behandling af stort set elimineres stiction.

Den ønskede stråle spaltehøjden svarer til overskridelsen spaltehøjden (figur 2B 20. Når strålen opnår overskridelsen / ønskede spaltehøjden det andet trin bias (figur 2C) anvendes til at holde strålen i denne position. Ved at kende den mekaniske kvalitet faktor MEMS broen (som kan måles eller beregnes), kan beregnes overskridelsen procentdel og tid til at nå overskridelsen spaltehøjden. Disse parametre anvendes til at bestemme amplituden og timingen af ​​indgangsspændingen.

DC-dynamiske drevsignaler anvendt i denne undersøgelse forbedret opstarttid fra ~ 2 msek ned til ~ 35 mikrosekunder for både op-til-ned og ned til op stater. Den beregnede skifte tid ved hjælp af heuristisk model 20 er 28 mikrosekunder til en stråle med bredde w = 10 um, længde L = 400 um, tykkelse t = 0,45 um, lateral pull-down hul s = 8 um, og resterende trækstyrke betyde stress σ = 5 MPa. Skifte tid har en σ -1/2 forhold 20. Than konsekvens af dette forhold er, at relativt små variationer i den resterende stress kan have en ikke-marginal indflydelse på skift tidsberegningen. En forholdsvis lille forskel på 2 MPa i resterende stress kan resultere i et skift tidsvariation på 20%. Derfor eksisterer der et behov for real-time optimering med metoden i dette papir på grund af den uundgåelige proces variation på tværs af en wafer.

Den præsenteres i dette arbejde metode viser betydelige forbedringer i skiftetid for elektrostatiske fringing felt aktuatorer, hvor underlaget er fjernet. Detaljerne for fremstilling af de EFFA MEMS tunere og elektrisk test er beskrevet i detaljer. Den eksperimentelle metode, især dynamiske påvirke teknik, vil finde anvendelse i stort set enhver mekanisk underdamped MEMS design i forhold til at forbedre skiftetid ydeevne.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ikke noget at afsløre.

Acknowledgments

Forfatterne ønsker at takke Ryan Tung for hans hjælp og nyttige tekniske drøftelser.

Forfatterne ønsker også at anerkende den hjælp og støtte af det tekniske personale Birck Nanotechnology Center. Dette arbejde blev støttet af Defense Advanced Research Projects Agency under Purdue Mikroovn Omkonfigurable Evanescent-Mode hulrum filtre Study. Og også ved NNSA Center Forudsigelse af troværdighed, integritet og overlevelsesevne Microsystems og Department of Energy i henhold Award nummer DE-FC5208NA28617. De synspunkter, meninger og / eller fund, der er indeholdt i dette dokument / præsentation er forfatternes / oplægsholdere og bør ikke fortolkes som repræsenterende de officielle synspunkter eller politik, hverken udtrykt eller underforstået, af Defense Advanced Research Projects Agency eller Institut forsvarsministerium.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Rebeiz, G. RF MEMS: Theory, Design, and Technology. , John Wiley and Sons. (2003).
  2. Senturia, S. D. Microsystem Design. , Springer. (2001).
  3. 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).
  4. 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).
  5. Bosch-Wachtel, T. Knowles Ships 2 Billionth SiSonic MEMS Microphone. , Available from: http://pressrelease.smartoman.com/?p=2810 (2011).
  6. 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).
  7. Bettler, D. MEMStronics Captures Prestigious R & D 100 Award. , Available from: http://www.memtronics.com/files/MEMtronics_Press_Release7_1_2011.pdf (2011).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. Small, J., et al. Electrostatic fringing field actuation for pull-in free RF-MEMS analog tunable resonators. J. Micromech. Microeng. 22, 095004 (2012).
  15. Su, J. A lateral-drive method to address pull-in failure in MEMS. , Dept. Elect. Comput. Eng., University of Notre Dame. (2008).
  16. 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).
  17. 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).
  18. Lee, K. B. Non-contact electrostatic microactuator using slit structures: theory and a preliminary test. J. Micromech. Microeng. 17, 2186-2196 (2007).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).
  25. 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).
  26. 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).
  27. 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).
  28. Acetone; MSDS No. A0446 [Online]. , Mallinckrodt Baker, Inc.. Phillipsburg, NJ. Available from: http://www.clean.cise.columbia.edu/msds/acetone.pdf (2001).
  29. 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).
  30. Hexamethyldisilazane. MSDS No. H2066 [Online]. , Mallinckrodt Baker, Inc. Phillipsburg, NJ. Available from: http://kni.caltech.edu/facilities/msds/hmds.pdf (2007).
  31. 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).
  32. 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).
  33. 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).
  34. 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).
  35. 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).
  36. Hydrofluoric acid. [Online]. , Sciencelab.com, Inc. Houston, TX. Available from: http://www.sciencelab.com/msds.php?msdsId=9924296 (2012).
  37. Piranha clean. [Online]. , Tufts University Standard Operating Procedure. Available from: http://engineering.tufts.edu/microfab/index_files/SOP/PiranhaClean_SOP.pdf (2007).
  38. Transene Sulfite Gold TSG-250. Product Number: 110-TSG-250. , Transene Company. Danvers, MA. (2012).
  39. 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).
  40. Gold etchant type TFA. Product Number: 060-0015000. , Transene Company. Danvers, MA. (2012).
  41. 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).
  42. 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).

Tags

Fysik mikroelektromekaniske systemer aktuatorer skifte tid settling tid elektrostatiske enheder mikro tyndfilm-enheder
Real-Time DC-dynamisk Prioritering Metode til Switching Time Forbedring Alvorligt Underdamped Fringing-felt Elektrostatiske MEMS aktuatorer
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Small, J., Fruehling, A., Garg, A.,… More

Small, J., Fruehling, A., Garg, A., Liu, X., Peroulis, D. Real-Time DC-dynamic Biasing Method for Switching Time Improvement in Severely Underdamped Fringing-field Electrostatic MEMS Actuators. J. Vis. Exp. (90), e51251, doi:10.3791/51251 (2014).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter