Summary
Het robuuste apparaat ontwerp van fringing-veld elektrostatische MEMS actuatoren resultaten in inherent lage squeeze-film demping omstandigheden en lange afwikkeling keer bij het uitvoeren van schakelingen met behulp van conventionele stap voorspanning. Real-time schakeltijd verbetering met DC-dynamische golfvormen vermindert de afwikkeling van de tijd van fringing-veld MEMS aandrijvingen bij de overgang tussen de up-to-down en down-to-up toestanden.
Abstract
Mechanisch underdamped elektrostatische fringing-veld MEMS actuatoren staan bekend om hun snelle schakeling in reactie op een eenheid stap input bias spanning. Echter, het nadeel van de verbeterde prestaties schakelen een relatief lange stabilisatietijd elke opening lengte in reactie op verschillende aangelegde spanningen bereikt. Voorbijgaande toegepast vooringenomenheid golfvormen worden gebruikt om een beperkte tijden schakelen voor elektrostatische fringing-veld MEMS aandrijvingen met een hoge mechanische kwaliteit factoren te vergemakkelijken. Het verwijderen van de onderliggende substraat van de fringing-veld actuator creëert het lage mechanische demping omgeving nodig zijn om effectief te testen van het concept. De verwijdering van het onderliggende substraat heeft een aanzienlijke verbetering van de betrouwbaarheid uitvoering van de inrichting met betrekking tot falen door kleven. Alhoewel DC-dynamische vertekenende is nuttig bij het verbeteren insteltijd, kunnen de vereiste slew bekijken van typische MEMS agressieve eisen aan de lading p plaatsenumps voor volledig geïntegreerde on-chip ontwerpen. Bovendien kunnen er problemen integreren substraatverwijdering stap in de commerciële CMOS bewerkingsstappen back-end-of-line. Experimentele validatie van gefabriceerde actuatoren toont een verbetering van 50x in schakeltijd vergelijking met conventionele stap vertekenende resultaten. In vergelijking met theoretische berekeningen, de experimentele resultaten zijn in goede overeenstemming.
Introduction
Micro-elektromechanische systemen (MEMS) gebruiken verscheidene bedieningsmechanismen mechanische verplaatsing bereiken. De meest populaire zijn de thermische, piëzo-elektrische, magnetostatische, en elektrostatische. Voor korte schakeltijden, elektrostatische bediening is de meest populaire techniek 1, 2. In de praktijk kritisch gedempte mechanische vormgeving levert het beste compromis tussen de initiële stijging van de tijd en de afwikkeling van de tijd. Bij het toepassen van de DC bias en het bedienen van het membraan naar beneden richting het pull-down elektrode, de afwikkeling van de tijd is niet een belangrijke kwestie als het membraan zal naar beneden breken en zich te houden aan de diëlektrische gecoate bediening elektrode. Diverse toepassingen hebben geprofiteerd van de eerder genoemde elektrostatische bediening ontwerp 3-8. De aanwezigheid van de diëlektrische beklede pull-down elektrode maakt actuator gevoelig diëlektrische laden en kleven.
MEMS membranen kan een u gebruik maken vannderdamped mechanisch ontwerp van een snelle initiële stijging van de tijd te bereiken. Een voorbeeld van een underdamped mechanisch ontwerp is het elektrostatische veld-randen geactiveerd (EFFA) MEMS. Deze topologie heeft tentoongesteld veel minder kwetsbaarheid voor typische faalmechanismen dat elektrostatische gebaseerde ontwerpen 9-20 teisteren. De afwezigheid van de parallelle tegenelektrode en daarmee het elektrische veld parallel is waarom deze MEMS passende "kleurranden-field" geactiveerd (figuur 1) worden genoemd. Voor het ontwerp EFFA, wordt het pull-down elektrode gesplitst in twee afzonderlijke elektroden die geplaatst zijdelings worden gecompenseerd om de bewegende membraan, het volledig afschaffen van de overlap tussen de beweegbare en stationaire onderdelen van het apparaat. De verwijdering van het substraat onder het beweegbare membraan vermindert de squeeze film demping component waardoor de afwikkeling van tijd toeneemt. Figuur 2B is een voorbeeld van de afwikkeling van de tijd in reactie op stand stap voorspanning. Voorbijgaande of DC-dynamische toegepast vertekenende in real-time kan worden gebruikt om de afwikkeling van de tijd 20-26 verbeteren. Figuren 2C en 2D kwalitatief illustreren hoe een tijdsafhankelijke golfvorm effectief annuleren beltoon. Eerder onderzoek inspanningen gebruiken numerieke methodes om precieze spanning en tijdstippen van de input bias berekenen de schakeltijd verbeteren. De methode in dit werk gebruikt compacte gesloten vorm uitdrukkingen aan de input bias golfvorm parameters te berekenen. Daarnaast eerdere werkzaamheden gericht op parallelle plaat bediening. Terwijl de structuren zijn ontworpen om te worden underdamped, squeeze-film demping is nog beschikbaar in deze configuratie. De bediening methode die in dit werk is fringing-gebied bedienen. In deze configuratie squeeze-film demping wordt effectief geëlimineerd. Dit is een extreem geval waarbij de mechanische demping van de MEMS bundel laag. Dit document beschrijft hoe u de EFFA MEMS dev fabricerenconsumptie-ijs en het uitvoeren van de meting om experimenteel te valideren de golfvorm concept.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1 Fabrication van EFFA MEMS vaste vaste Balken (Zie Figuur 3 voor Samengevat Process)
- UV-lithografie en chemische nat etsen van siliciumdioxide met gebufferd fluorwaterstofzuur (LET OP 27).
- Gebruik een geoxideerde lage weerstand siliciumsubstraat.
- Vul een bekerglas met aceton 28 (genoeg om het monster onderdompelen), plaats het monster in de aceton gevulde beker, en ultrasone trillingen gedurende 5 minuten in een waterbad sonicator.
- Zonder drogen, het monster direct overbrengen van de aceton bekerglas een bekerglas gevuld met isopropylalcohol en 29 ultrasone trillingen gedurende 5 min in een waterbad ultrasoonapparaat.
- Droog het monster met stikstof (niet toestaan dat de isopropylalcohol om verdampen van het oppervlak).
- Dry (dehydratie bakken) het monster op een verwarmingsplaat op 150 ° C gedurende 10 minuten. Laat het monster tot kamertemperatuur bereiken wanneer de dehydratatie bakken voltooid.
- Plaats het monster op de boorkop van een fotolak spinner.Pipet en breng 1 ml van hexamethyldisilazaan (HMDS) per 25 mm van diameter (PAS 30). Spincoat bij 3.500 rpm gedurende 30 sec. Pipetteer 1 ml en verdeel positieve fotoresist per 25 mm diameter (NB 31). Spincoat het monster bij 3500 rpm gedurende 30 sec. Softbake de fotolak gedurende 90 seconden bij 105 ° C op een kookplaat.
- Gebruik van een mask aligner het monster aan UV-straling met een golflengte van 350-450 nm bloot. Gebruik blootstelling energie van 391 mJ / cm 2 (LET OP 32).
- Vul een bekerglas met TMAH ontwikkelaar (LET OP 33) en gebruik voldoende om het gehele monster onderdompelen.
- Vul een bekerglas met gedemineraliseerd water om snel de ontwikkeling te beëindigen om overontwikkeling voorkomen.
- Ontwikkelen van het monster voor 12-20 sec. Schud voorzichtig de ondergedompelde monster.
- Zorgvuldig en snel te verwijderen van het monster van de ontwikkeling beker en dompel het in het spoelwater beker voor 10 sec.
- Zorgvuldig föhnen het monster met stikstof (Laat het gedemineraliseerd water te laten verdampen van het oppervlak).
- Inspecteer het monster onder een microscoop.
- Herhaal indien nodig de ontwikkeling procedure met aanpassingen in de tijd om overontwikkeling voorkomen.
- Gebruik een plasma reactief ionen etsen (RIE) om het oppervlak te ruwen het oppervlak bevochtiging verbeteren. RIE-instellingen 34: 100 sccm Ar, 100 W RF-vermogen, 50 mT druk in de verbrandingskamer, 1 min.
- Vul een Teflon beker met een voldoende hoeveelheid gebufferde oxide etch (BOE) de steekproef.
- Vul een Teflon beker met gedeïoniseerd water om een tussenliggende spoeling van het monster.
- Dompel het monster in de BOE. De etssnelheid is 90-100 nm / min.
- Wanneer de ets volledig is, spoelen in de Teflon beker die gedeïoniseerd water gedurende 10 sec. Spoel daarna het monster in een gootsteen met stromend gedemineraliseerd water voor 1-2 min.
- Droog het monster met stikstof (Laat het gedemineraliseerd water te laten verdampen van het oppervlak).
- Inspecteer het monster onder een microscoop.
- Herhaal de ets en spoel stappen als nodig met aanpassingen in de tijd om over-etsen en prijsonderbieding van de fotolak te voorkomen.
- Verwijder fotoresistmasker.
- Vul een bekerglas met aceton (genoeg om het monster onderdompelen), plaats het monster in de aceton gevulde beker en ultrasone trillingen in een waterbad sonicator gedurende 5 minuten.
- Rechtstreeks het monster uit de aceton beker en plaats het in een isopropylalcohol gevulde beker en ultrasone trillingen gedurende 5 minuten in een waterbad sonicator.
- Droog het monster met stikstof (Sta niet toe dat de isopropylalcohol om verdampen van het oppervlak).
- Chemische nat etsen van silicium met tetramethylammoniumhydroxide (TMAH) 25% van het gewicht (LET OP 35).
- Gebruik een schone 4 L beker.
- Gebruik een kookplaat met een thermocouple. Gebruik een Teflon mand die een haak aan het eind van de handgreep voor het vasthouden van de monsters heeft. Gebruik een magnetische roerstaaf voor goed roeren aan het silicium oppervlak van waterstofbellen die vrijkomen bij het bulk etsproces verlichten.
OPMERKING: De terugkoppeling tussen het thermokoppel en de kookplaat het adequate temperatuur constant gedurende het etch blijft. Als de vrijgekomen waterstof niet van het oppervlak wordt verwijderd, kan het de onderliggende silicium uit de TMAH maskeren. - Giet de TMAH 25% van het gewicht tot de 2 L teken van de beker.
- Plaats het thermokoppel in de oplossing en verwarm tot 80 ° C. Gebruik indien mogelijk een aangepaste klemmen of klem om het thermokoppel om interferentie met de rotatie van de magnetische roerstaaf voorkomen houden.
- Zodra de oplossing de nodige temperatuur heeft bereikt, plaatst de monsters in de Teflon mand en zet het mandje in de oplossing van het opknoping van de lip van de beker. Zorg ervoor dat de mand rust nietop de bodem van het bekerglas om ruimte voor de magnetische roerstaaf roteert verlaten.
- Stel de rotatiesnelheid van de magnetische roerstaaf 400 rpm.
- De etssnelheid van de oplossing 300-350 nm / min. De noodzakelijke etsdiepte is 4-5 urn.
- Indien voldoende tijd is verstreken om de ets voltooien, verwijdert het monster van de oplossing en spoelen met gedeïoniseerd water voor 1-2 minuten.
- Droog het monster met stikstof (Laat het gedemineraliseerd water te laten verdampen van het oppervlak).
- Gebruik een profilometer om de stap hoogte te meten.
- Als de instaphoogte niet is bereikt, plaatst de monsters in de oplossing opnieuw om de gewenste stap hoogte te bereiken.
- Chemische nat etsen van alle SiO 2 van het substraat en thermisch groeien nog eens 500 nm van SiO 2.
- Vul een Teflon beker met fluorwaterstofzuur 49% van het volume (PAS 36). Gebruik een hoeveelheid die voldoende is om de steekproef.
- Vul een Teflon beker met gedeïoniseerd water voor het spoelen van het monster. Gebruik een hoeveelheid die voldoende is om de steekproef.
- Ets het monster met fluorwaterstofzuur. Laat het monster in de oplossing totdat al het SiO2 verwijderd. Aangezien de oplossing sterk geconcentreerd, wordt de ets betrekkelijk snel plaatsvinden.
- Spoel gedurende 10-20 seconden in de Teflon beker gevuld met gedeïoniseerd water.
- Spoel het monster grondig onder stromend gedemineraliseerd water in een gootsteen voor 1-2 minuten.
- Meng een oplossing van H 2 SO 4: H 2 O 2 (zwavelzuur waterstofperoxide, piranha schoon) in een 1: 1 verhouding in een Teflon beker (NB 37). Gebruik voldoende om de steekproef.
- Vul een Teflon beker met gedeïoniseerd water voor het spoelen van het monster.
- Dompel het monster in de H 2 SO 4: H 2 O 2 voor 7-10 minuten.
- In het kort, 10 seconden, spoel het monster in het spoelwater beker.
- Spoel het monster in een gootsteen met stromend gedemineraliseerd water voor 1-2 minuten.
- Droog het monster met stikstof (Laat het water te laten verdampen van het oppervlak).
- Voer natte thermische oxidatie tot 500 nm SiO2 groeien.
- UV lithografie en nat chemisch etsen symbolen de SiO2 aan het siliciumatoom die als offeren laag voor de uiteindelijke afgifte van de vaste-vaste balken bloot.
- Vul een bekerglas met aceton (genoeg om het monster onderdompelen), plaats het monster in de aceton gevulde beker en ultrasone trillingen in een waterbad sonicator gedurende 5 minuten.
- Rechtstreeks het monster uit de aceton beker en plaats het in een isopropylalcohol gevulde beker en ultrasone trillingen in een waterbad sonicator gedurende 5 minuten.
- Droog het monster met stikstof (Sta niet toe dat de isopropylalcohol om verdampen van het oppervlak).
- Dry (dehydratie bakken) het monster op een verwarmingsplaat op 150 ° C gedurende 10 minuten. Laat tHij monster tot kamertemperatuur bereiken wanneer de dehydratatie bakken voltooid.
- Met een fotoresist spincoater, spincoat HMDS op het monster bij 3.500 rpm gedurende 30 sec. Met een fotoresist spincoater, spincoat positieve fotoresist op het monster bij 3500 rpm gedurende 30 sec. Softbake de fotolak gedurende 90 seconden bij 105 ° C op een kookplaat.
OPMERKING: Gebruik 1 ml per elke 25 mm van het monster diameter. - Gebruik van een mask aligner het monster aan UV-straling met een golflengte van 350-450 nm bloot. Gebruik blootstelling energie van 391 mJ / cm 2.
- Vul een bekerglas met een TMAH ontwikkelaar en gebruik voldoende om het gehele monster onderdompelen.
- Vul een bekerglas met gedemineraliseerd water om snel de ontwikkeling naar overontwikkeling voorkomen beëindigen.
- Ontwikkelen van het monster voor 12-20 sec.
- Zorgvuldig en snel te verwijderen van het monster van de ontwikkeling beker en dompel het in het spoelwater beker voor 10 sec.
- Spoel het monster in een gootsteen met stromend gedemineraliseerd water voor 1-2 minuten.
- Voorzichtig droog met stikstof (Laat het water te laten verdampen van het oppervlak).
- Inspecteer het monster onder een microscoop.
- Herhaal indien nodig de ontwikkeling procedure met aanpassingen in de tijd om overontwikkeling voorkomen.
- Gebruik plasma RIE om het oppervlak te ruwen het oppervlak bevochtiging verbeteren. RIE instellingen: 100 sccm Ar, 100 W RF-vermogen, 50 mT druk in de verbrandingskamer, 1 min.
- Vul een Teflon beker met een voldoende hoeveelheid BOE de steekproef.
- Vul een Teflon beker met gedeïoniseerd water om een tussenliggende spoeling van het monster.
- Dompel het monster in de BOE. De etssnelheid is 90-100 nm / min.
- Wanneer de ets volledig is, spoelen in de Teflon beker die gedeïoniseerd water gedurende 10 sec. Spoel daarna het monster onder stromend gedemineraliseerd water in een gootsteen voor 1-2 minuten.
- Droog het monster met stikstof (Laat het water te laten verdampen van het oppervlak).
- Inspecteer monster onder een microscoope.
- Herhaal de ets en spoel stappen als nodig met aanpassingen in de tijd om over-etsen en prijsonderbieding van de fotolak te voorkomen.
- Vul een bekerglas met aceton (genoeg om het monster onderdompelen), plaats het monster in de aceton gevulde beker, en ultrasone trillingen in een waterbad sonicator gedurende 5 minuten.
- Rechtstreeks het monster uit de aceton beker en plaats het in een isopropylalcohol gevulde beker en ultrasone trillingen in een waterbad sonicator gedurende 5 minuten.
- Droog het monster met stikstof (Sta niet toe dat de isopropylalcohol om verdampen van het oppervlak).
- Sputteren aanbetaling van 20 nm van Ti en 100 nm van Au. Deze film dient als de elektrolytische basislaag voor de daaropvolgende elektrolytische processtap. Het sputteren parameters zijn: DC vermogen van 100 W, afzetting druk van 8 mT, 100 sccm Ar, basisdruk 3 x 10 -6 T.
- Vent het proces kamer of load lock naar de atmosfeer.
- Plaats het monster in deproces kamer of load lock.
- Pomp het proces kamer of load lock naar vacuüm.
- Wacht tot het proces kamer behaalt een basis druk van 3 x 10 -6 T.
- Plaats het monster op de juiste plaats voor de afzetting.
- Stel de kamerdruk 8 mT door stromend argon in het systeem. De exacte debiet nodig 8 mT sterk afhankelijk van het type gebruikte bereiken. Het sputteren instrument voor dit werk gebruikt een stroomsnelheid van 100 sccm.
- Activeer de bron met de titanium doelwit.
- Presputter titanium bij 300 W gedurende 20 minuten.
- Sputter 20 nm titaan 100 W. Het exacte tijdstip van de depositie is sterk afhankelijk van het type systeem gebruikt. Voor het sputteren gebruikt in deze werkzaamheden, 5 min moet 20 nm bereiken.
- De bron met de titanium sputtertrefplaat deactiveren.
- Activeer de bron met de gouden doel.
- Presputter goud op 100 W gedurende 2 minuten.
- Sputter100 nm goud 100 W. De exacte depositie is sterk afhankelijk van het sputteren dat wordt gebruikt. Voor het sputteren instrument dat wordt gebruikt in dit werk, 10 minuten is genoeg om 100 nm van goud te voorzien.
- De bron met de gouden sputteren doelwit uit te schakelen.
- Sluit de Ar gasklep.
- Vent het proces kamer of load lock.
- Lossen het monster nogmaals het proces kamer of load lock bereikt sfeer.
- Pomp de load lock of proceskamer naar hoog vacuüm.
- UV lithografie een fotoresist schimmel die de geometrie van het vaste-vaste straal definieert maken.
- Vul een bekerglas met aceton (genoeg om het monster onderdompelen), plaats het monster in de aceton gevulde beker gedurende 5 minuten.
- Rechtstreeks het monster uit de aceton beker en plaats het in een isopropylalcohol gevulde beker gedurende 5 minuten.
- Droog het monster met stikstof (Sta niet toe dat de isopropylalcohol om verdampen van het oppervlak). <li> Droog (dehydratie bakken) het monster op een verwarmingsplaat op 150 ° C gedurende 10 minuten. Laat het monster tot kamertemperatuur bereiken wanneer de dehydratatie bakken voltooid.
- Met een fotoresist spincoater, spincoat HMDS op het monster bij 3.500 rpm gedurende 30 sec. Met een fotoresist spincoater, spincoat positieve fotoresist op het monster bij 2000 rpm gedurende 30 sec. Softbake de fotolak gedurende 90 seconden bij 105 ° C op een kookplaat.
OPMERKING: Gebruik 1 ml per elke 25 mm van het monster diameter. - Gebruik van een mask aligner uitlijnen en het monster aan UV-straling blootgesteld met een golflengte van 350-450 nm. Gebruik een blootstelling energie van 483 mJ / cm 2.
- Vul een bekerglas met TMAH gevestigde ontwikkelaar en gebruik voldoende om het gehele monster onderdompelen.
- Vul een bekerglas met gedemineraliseerd water om de ontwikkeling om te voorkomen overontwikkeling snel te beëindigen.
- Ontwikkelen van het monster voor 12-20 sec.
- Zorgvuldig en snel te verwijderen van het monster van de ontwikkeling beker en submErge het in het spoelwater beker voor 10 sec.
- Spoel het monster in een gootsteen met stromend gedeïoniseerd water voor 1-2 minuten.
- Droog het monster met stikstof (Laat het water te laten verdampen van het oppervlak).
- Inspecteer het monster onder een microscoop.
- Herhaal indien nodig de ontwikkeling procedure met aanpassingen in de tijd om overontwikkeling voorkomen.
- Gebruik een 1 L beker glazen beker.
- Vul beker met 700 ml van een in de handel verkrijgbaar, kant-en-klare goud galvaniseeroplossing (PAS 38) .Plaats gevuld bekerglas op een kookplaat.
- Zet de kookzone 60 ° C. Gebruik een thermokoppel dat de oplossing blijft op de gewenste temperatuur. Zodra de oplossing de gewenste temperatuur is bereikt, sluit het monster een armatuur dat de anode, werkstuk (het monster) en het thermokoppel bezit.
- Stel de stroomtoevoer naar de juiste amplitude op basis van de exposed gemetalliseerde gebied van het monster. Een constante stroomdichtheid van 2 mA / cm 2 wordt gebruikt.
- Een roestvrij stalen anode wordt gebruikt.
- Bevestig de fase aan de anode en de grond om het monster.
- De depositie bedraagt 250-300 nm / min. De uiteindelijke dikte van het vaste-vaste beam is 0,5 urn. Rekening houdend met het feit dat ongeveer een 4: 1 verhouding bestaat in de ets tarieven van gegalvaniseerd om gesputterd goud (bij het verwijderen van de verstoven zaadlaag), wordt de balk gegalvaniseerd tot 1 micrometer.
- Wanneer de nodige tijd is verstreken, schakelt u het huidige aanbod, dient u de kabeltjes van de anode en het werkstuk, verwijder het monster, en spoel grondig onder stromend gedemineraliseerd water in een gootsteen voor 1 min.
- Föhnen het monster met stikstof (Laat het water te laten verdampen van het oppervlak).
- Gebruik een microscoop en profilometer om te verifiëren dat de galvanische voltooid.
- Verwarm glass bekerglas gevuld met een speciale fotolakstripverbinding op een kookplaat tot 110 ° C (NB 39). Dompel monster in de oplossing gedurende 1 uur.
- Verwijder het bekerglas van kookplaat en laat de oplossing en proef om RT te bereiken.
- Spoel monster grondig onder stromend water in een gootsteen voor 1-2 minuten.
- Dompel monster in een bekerglas gevuld met aceton gedurende 5 minuten.
- Dompel monster in een bekerglas gevuld met isopropylalcohol gedurende 5 minuten.
- Droog het monster met stikstof (Sta niet toe dat de isopropylalcohol om verdampen van het oppervlak).
- Inspecteer monster onder een microscoop en meet de instaphoogte van de gegalvaniseerde Au met een profilometer. Herhaal de reiniging stappen indien nodig.
- Het monster in het plasma RIE en gebruik maken van de volgende parameters: 100 sccm Ar, 100 W, 50 mT voor 30 sec.
- Vul een Teflon of glazen beker met Au etsmiddel (PAS 40). Gebruik genoeh de volledige steekproef.
- Vul een Teflon of glazen beker met gedemineraliseerd water. Deze beker zal dienen als een intermediair spoeling beker om snel de Au ets beëindigen.
- Dompel het monster in het Au etsmiddel. Etch parameters - RT, 7-8 nm / sec, geagiteerd. Zodra ets is voltooid, dompel het monster in het spoelwater beker en zachtjes schudden gedurende 10-20 sec.
- Spoel het monster grondig onder stromend gedemineraliseerd water in een gootsteen voor 1-2 minuten.
- Stikstof föhnen (Laat het water te laten verdampen van het oppervlak).
- Inspecteer de ets onder een microscoop en, indien nodig, herhaald totdat alle Au verwijderd uit de belichte gebieden.
- Voer plasma RIE weer het monster met de volgende parameters: 100 sccm Ar, 100 W, 50 mT gedurende 30 sec.
- Vul een Teflon beker met BOE (genoeg om het monster onderdompelen).
- Vul een Teflon met gedeïoniseerd water voor het spoelen van het monster.
- Dompel het monster in de BOE bij RT. Hetetsen tarief is 15-18 nm / min.When de ets tijd is voltooid, verwijdert u het monster uit de beker en dompel het in de spoeling beker voor 10-20 sec.
- Spoel het monster grondig onder stromend gedemineraliseerd water in een gootsteen voor 1-2 minuten.
- Stikstof föhnen (Laat het water te laten verdampen van het oppervlak).
- Inspecteer etsende en, indien nodig, herhaald totdat alle titanium wordt verwijderd van de blootgestelde gebieden. Verminder de ets tijd om aanzienlijke prijsonderbieding te voorkomen.
- Vent het proces kamer naar de atmosfeer.
- Plaats het monster in het proces kamer.
- Pomp het systeem naar vacuüm.
- De etstijd sterk afhankelijk van het blootgestelde gebied en het soort etch gebruikte. Voor dit voorbeeld een druk van 3 T met een 30 seconden cyclus gebruikt. 10 cycli gebruikt. Een ets tarief van 110-120 nm / min wordt gewonnen.
- Zodra de parameter etsen zijn ingesteld in het systeem, etsen het silicium opofferingslaag.
- Wanneer de ets is compleet voer de noodzakelijke zuivering stappen om giftige gassen zorgen voor het ontluchten van het systeem naar de atmosfeer worden verwijderd. De op dit onderzoek heeft een proces dat automatisch voert deze spoelstap.
- Vent het proces kamer naar de atmosfeer.
- Verwijder voorzichtig de monsters.
- Pomp de proceskamer naar vacuum.
2 experimentele validatie van Dynamic Waveform
- Load monster op DC sonde station.
- Plaats het monster op de boorkop van de DC-sonde station.
- Activeert het vacuüm van de boorkop tot de sample ingedrukt.
- Gebruik DC sonde manipulators om de wolfraam probepunten positioneren op de voorspanning pads van de MEMS bruggen.
- Met de microscoop van het DC probe station om de precieze positionering van de wolfraam sondepunt bekijkens via DC vertekenende elektroden van de inrichting. De vaste-vaste bundel wordt afgetast met het live-signaal sonde terwijl de pull down elektroden worden gemerkt met de grond sonde.
- Programma dynamische vertekenende signaal op de functiegenerator.
- Gebruik berekende waarden voor de eerste golf parameters 20.
- Kies de arbitraire golfvorm functie op de functie generator om de dynamische curve te creëren.
- Het invoeren van de tijd parameters van de golfvorm. Afhankelijk van het type functie generator, de eerste parameter start na enkele microseconden (in tegenstelling tot 0 psec). Het interval tussen de eerste en de tweede parameter wordt de berekende tijd die de bundel naar de overshoot spleet bereiken. Het interval tussen de tweede en de derde parameter moet lang genoeg zijn om de lichtbundel volledig evenwicht bereiken met minimale oscillatie. Bij het invoeren van tijdparameters werkt in de omgekeerde richting (bij pull-down vrij te geven), wordt de overschrijding gaptijd het tijdsinterval tussen de derde parameter en uitschakelen van de bepaling. Er zal een vijfde tijdsinterval nodig om de golf te herstarten. Voor dit interval vergunning voldoende tijd voor de bundel om evenwicht te bereiken voordat de cyclus opnieuw te starten.
- Voer de voltage parameters van de golfvorm. De spanning zal een fractie van de werkelijke spanning op de balk omdat dit signaal gaat door een lineaire versterker. De waarden geprogrammeerd in de functiegenerator voor deze studie waren 1/20 van de actuele spanning.
- Verbind de uitgang van de functiegenerator de high-speed high-voltage lineaire versterker.
- Verbind de uitgang van de lineaire versterker een digitale oscilloscoop sampling rate van 300 MHz. De oscilloscoop wordt gebruikt om het uitgangssignaal van de willekeurige golfvorm generator verifiëren.
- Verbind de uitgang van de lineaire versterker de DC manipulators. Zorg ervoor dat de functie generator isuitgeschakeld tijdens het uitvoeren van deze stap.
- Setup en meten met de laser Doppler vibrometer (LDV)
- Plaats het hoofd dat de LDV over de steekproef houdt.
- Zet de laser.
- Gebruik de microscoop die is geïntegreerd met de LDV de gewenste bundel te meten vinden.
- Nadruk de laser op het midden van de MEMS brug. Dit is het punt van de maximale doorbuiging.
- Zorg ervoor dat de intensiteit van de laserbundel reflectie is voldoende voor nauwkeurige meting.
- Zet de sampling tijd om de juiste sampling rate. Deze meting maakt gebruik van een sampling rate van 5.1 MHz.
- Selecteer de verplaatsing versus tijd uitgang voor het LDV.
- Selecteer de continue meting modus.
- Breng de vertekenende signaal op de MEMS bruggen. De LDV zal de beltoon effect in real-time vastleggen.
- Tunen van de timing en voltage parameters van de functie generator aan minimale straal oscillatie op de pull-down en vrijlating te bereikenoperaties.
- Zodra de optimale waarden worden gevonden zet de voorspanning signaal.
- Schakel de continue LDV meetmodus.
- Til de DC probe tips uit de voorspanning pads.
- Sluit de triggering ingang van de functie generator om de triggering uitgang van de LDV hardware-interface. Voor deze studie BNC kabel wordt gebruikt voor deze verbinding.
- Stel de functie generator aan de externe trigger van de LDV systeem erkennen.
- Stel de LDV-software om de functie generator wanneer de mode meting scan begint triggeren.
- Stel de LDV-software om de modus enkele scan. Het enkele scan zal de duur van de golfvorm.
- Laat de DC meetpunten terug naar beneden op de vertekenende pads van de MEMS brug.
- Leg het signaal te scannen door het activeren van de meetmodus van de LDV.
- Sla de verplaatsing versus tijd gegevens.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
De opstelling in figuur 4 wordt gebruikt om de vervorming versus tijd kenmerken van de MEMS bruggen vangen. Via de laser doppler vibrometer in de continue meetmodus De precieze spanning en tijd parameters resulteerde in een minimale bundel oscillatie van de gewenste spleethoogte. Figuur 5 illustreert een voorbeeld balkdoorbuiging overeenkomt met de 60 V spleethoogte. Het blijkt dat vrijwel al het oscillatie wordt verwijderd. Niet alleen is de dynamische golfvorm bruikbaar voor een spleethoogte, maar voor alle gap mogelijke hoogten. Dit wordt aangetoond in figuur 6 en figuur 7 voor zowel de pull-down en het vrijkomen operaties, respectievelijk. De berekende en gemeten dynamische golfvorm voor het waarnemen in de voorgaande figuren bereiken wordt in Figuren 8 en 9, respectievelijk.
Figuur 1 SEM-beeld 2D-schets en van MEMS bruggen gebruikt in deze studie. (A) 2D (C) SEM van werkelijke gefabriceerd apparaat profiel. (B) Bovenaanzicht van MEMS bruggen.. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Figuur 2 Schets van underdamped MEMS brug in reactie op een invoerstap en tijdsafhankelijke respons. (A) stap Unit toegepast vooringenomenheid. (B) Reactie van underdamped MEMS brug naar eenheid stap ingang. (C) Tijd wisselende / dynamische input bias. (D) Reactie van MEMS brug naar de tijd variërende ingang.rget = "_blank"> Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Figuur 3 Samengevat process flow voor de MEMS bruggen. (A) geoxideerd silicium substraat. (B) Bulk etsen van silicium substraat. (C) Re-oxidatie van silicium substraat. (D) siliciumdioxide etsen tot opofferende silicium (E) Gold depositie en patroonvorming bloot.. (F) Etch van opofferende siliciumlaag aan de MEMS brug los te maken. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Figuur 4 toont een blokschema van de experimentele SEtup gebruikt om de vertekening signaal toepassen en vastleggen van de MEMS brug doorbuiging. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Figuur 5 Gemeten pull-terugschakelen en toestanden van een MEMS brug in responsie op een 60 V input bias. De kromme is de reactie van een invoerwaarde. De rode curve is de reactie op een dynamische input.
Figuur 6 Gemeten tussenliggende pull-down gap hoogten van de MEMS-brug in reactie op een dynamische input. Klik hier om een grotere vers bekijkenionen van dit cijfer.
Figuur 7 Gemeten tussenproduct afgifte gap hoogten van de MEMS brug in reactie op een dynamische input.
Figuur 8 Berekend golfvorm voor de input bias.
Figuur 9 werkelijke golfvorm minimale trilling van de MEMS brug bereiken.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Lage restspanning Au film depositie en een droge release met XeF2 zijn kritische componenten in de succesvolle vervaardiging van de inrichting. Elektrostatische fringing-veld actuators bieden relatief lage krachten in vergelijking met parallelle plaat veld actuatoren. Typische MEMS dunne film stress van> 60 MPa zal resulteren in een te hoge rijden spanningen die mogelijk kunnen afbreuk doen aan de betrouwbaarheid van EFFA MEMS. Daarom elektrolytische recept nauwkeurig gekarakteriseerd een dunne film opleveren met een laag biaxiaal gemiddelde spanning. Bovendien, deze studie gebruikt silicium als het offer tekstlaag vanwege het relatieve gebrek aan expansie en contractie (vergeleken met fotolak) tijdens processtappen die warmte cycli vereisen. Ten slotte is de droge versie stap met XeF 2 maakt high yield verwerking door vrijwel elimineren stiction.
De gewenste bundel spleethoogte correspondeert met de overschrijding spleethoogte (Figuur 2B 20. Zodra de bundel bereikt de overshoot / gewenste spleethoogte de tweede stap vertekening (figuur 2C) wordt toegepast op de balk in deze stand houden. Door het kennen van de mechanische kwaliteit factor van de MEMS-brug (die kan worden gemeten of berekend), kan de overschrijding percentage en de tijd om de overschrijding kloof hoogte te bereiken worden berekend. Deze parameters worden gebruikt om de amplitude en timing van de ingangsspanning bepaalt.
DC-dynamische stuursignalen in deze studie verbeterde de afwikkeling van de tijd van ~ 2 msec tot ~ 35 usec beide up-to-down en down-to-up toestanden. De berekende schakeltijd met behulp van de heuristische model 20 is 28 msec voor een balk met breedte w = 10 micrometer, lengte L = 400 micrometer, dikte t = 0,45 pm, laterale pull-down gap s = 8 micrometer, en de resterende treksterkte betekenen spanning σ = 5 MPa. Schakeltijd heeft een σ -1/2 relatie 20. THij gevolg van deze relatie is dat relatief kleine variaties in de restspanning een niet-marginale invloed op de schakeltijd berekening kan hebben. Een relatief klein verschil van 2 MPa tot restspanning kan leiden tot een schakeltijd variatie van 20%. Daarom bestaat voor real-time optimalisatie met de in dit document als gevolg van de onvermijdelijkheid van proces variatie tussen een wafel methode een behoefte.
De methode die in dit werk blijkt dat aanzienlijke verbeteringen in de schakeltijd voor elektrostatische fringing veld actuatoren waar het substraat wordt verwijderd. De informatie voor de vervaardiging van MEMS EFFA tuners en elektrische tests worden beschreven. De experimentele methode, met name de dynamische vertekenende techniek zal nut in vrijwel elk mechanisch underdamped MEMS ontwerp vinden met betrekking tot de verbetering van de schakeltijd prestaties.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben niets te onthullen.
Acknowledgments
De auteurs willen Ryan Tung bedanken voor zijn hulp en nuttige technische discussies.
De auteurs willen ook de hulp en ondersteuning van de technische staf Birck Nanotechnology Center erkennen. Dit werk werd ondersteund door het Defense Advanced Research Projects Agency onder de Purdue Magnetron Herconfigureerbare Evanescent-modus Cavity Filters Study. En ook door NNSA Center van Voorspelling van betrouwbaarheid, integriteit en de overlevingskansen van Microsystems en het ministerie van Energie onder Award Aantal DE-FC5208NA28617. De standpunten, meningen en / of bevindingen die in deze paper / presentatie zijn die van de auteurs / presentatoren en dient niet te worden geïnterpreteerd als de officiële mening of het beleid, noch uitdrukkelijk noch impliciet, van de Defense Advanced Research Projects Agency of de afdeling van Defensie.
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).
