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Engineering

Echtzeit-DC-Vorspannung dynamische Verfahren zur Verbesserung Schaltzeit in stark unterdämpft Fransen-Bereich Elektroantriebe MEMS

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

Das robuste Design des Geräts streufeldelektrostatische MEMS Aktoren Ergebnisse in inhärent niedrigen Squeeze-Film-Dämpfung Bedingungen und lange Einschwingzeiten bei der Durchführung von Schaltvorgängen mit herkömmlichen Schritt Vorspannung. Echtzeit-Schaltzeitverbesserung mit DC-dynamischen Wellenformen reduziert die Einschwingzeit des streufeld MEMS-Aktoren, wenn zwischen up-to-down und down-to-up-Staaten.

Abstract

Mechanisch unterdämpften elektrostreufeld MEMS-Betätigungsglieder sind für ihre schnelle Schaltvorgang in Reaktion auf eine Einheitsschritteingabe Vorspannung bekannt. Der Kompromiß für das verbesserte Schaltleistung ist jedoch eine relativ lange Beruhigungszeit, um jeden Spalthöhe in Abhängigkeit von verschiedenen angelegten Spannungen zu erreichen. Transient angelegten Vorspannung Wellenformen werden eingesetzt, um reduzierten Schaltzeiten für elektrostreufeld MEMS Antriebe mit hohen mechanischen Qualitätsfaktoren zu erleichtern. Entfernen der zugrunde liegenden Substrat der streufeld Aktor erstellt der niedrigen mechanischen Dämpfungs Umgebung erforderlich, um effektiv testen das Konzept. Das Entfernen des darunterliegenden Substrats ist auch eine wesentliche Verbesserung der Funktionsfähigkeit der Vorrichtung im Hinblick auf Versagen aufgrund von Haftreibung. Obwohl DC-dynamische Vorspannung ist nützlich bei der Verbesserung der Einschwingzeit, die geforderten Anstiegsgeschwindigkeiten für typische MEMS aggressive Anforderungen an die Ladungs ​​p platzierenUMPS für voll integrierte On-Chip-Designs. Darüber hinaus kann es Herausforderungen die Integration der Substratentfernung Schritt in die Back-End-of-Line-CMOS-kommerziellen Verarbeitungsschritte sein. Experimentelle Validierung hergestellt Aktuatoren zeigt eine Verbesserung von 50x in Schaltzeit im Vergleich zu herkömmlichen Schrittvorspann Ergebnisse. Im Vergleich zu theoretischen Berechnungen, sind die experimentellen Ergebnisse in guter Übereinstimmung.

Introduction

Mikroelektromechanische Systeme (MEMS) nutzen mehrere Betätigungsmechanismen, um mechanische Verschiebung zu erreichen. Die beliebtesten sind thermische, piezoelektrische, magneto und elektrostatische. Für kurze Schaltzeit, ist die elektrostatische Betätigung die beliebteste Technik 1, 2. In der Praxis kritisch-gedämpfte mechanische Designs liefern den besten Kompromiss zwischen Anfangsanstiegszeit und Einschwingzeit. Nach Anwendung der DC-Bias und das Betätigen der Membran nach unten in Richtung der Pull-Down-Elektrode ist der Einschwingzeit kein großes Problem wie die Membran wird sich zu reißen und sich an die dielektrische beschichtete Elektrode Betätigung. 8 - mehrere Anwendungen aus der oben genannten elektrostatische Betätigung Design 3 profitiert. Jedoch ist das Vorhandensein der dielektrischen beschichteten Pulldown-Elektrode der Aktor anfällig dielektrische Aufladung und Haftreibung.

MEMS-Membranen können eine u nutzennderdamped mechanische Konstruktion, um eine schnelle Anfangsanstiegszeit zu erzielen. Ein Beispiel für eine unterkritisch gedämpfte mechanische Aufbau ist die elektrostatische Randfeld betätigt (EFFA) MEMS. Diese Topologie ist weit weniger Anfälligkeit für typische Ausfallmechanismen, die elektrostatische basierte Designs 9-20 Pest ausgestellt. Das Fehlen der Gegenelektrode parallel und folglich die parallelen elektrischen Feld ist, warum diese MEMS angemessen "streufeld" betätigt (Abbildung 1) genannt. Zur EFFA Konstruktion wird der Pull-down-Elektrode in zwei getrennte Elektroden, die seitlich zu der Bewegungs Membran versetzt angeordnet sind, vollständig die Überlappung zwischen den beweglichen und feststehenden Teilen der Vorrichtung unterteilt. Jedoch ist die Entfernung des Substrats von unterhalb der beweglichen Membran reduziert die Squeeze-Film-Dämpfung Komponente, wodurch die Einstellzeit erhöht wird. 2B ist ein Beispiel für die Setzzeit in Reaktion auf STANDARd Schritt Vorspannung. Transiente oder DC-Vorspannung angelegt dynamische in Echtzeit verwendet werden, um die Einschwingzeit 20-26 verbessern. 2C und 2D veranschaulichen, wie ein qualitativ zeitlich variierenden Wellenform effektiv das Klingeln beenden. Früheren Forschungsbemühungen verwenden numerische Verfahren, um die genaue Spannung und Zeitpunkte der Eingangs-Bias zu berechnen, um die Schaltzeit zu verbessern. Das Verfahren in dieser Arbeit verwendet kompakte geschlossene Form Ausdrücke, um die Eingangs-Bias-Wellenform-Parameter berechnen. Darüber hinaus konzentrierte sich auf frühere Arbeiten parallel Platte Betätigung. Während die Strukturen sind für unterdämpft ist, ist Squeeze-Film-Dämpfung noch in dieser Konfiguration. Die in dieser Arbeit vorgestellten Verfahren ist die Betätigung streufeld Betätigung. In dieser Konfiguration Squeeze-Film-Dämpfung wird effektiv eliminiert. Dies stellt einen Extremfall, wo die mechanische Dämpfung der MEMS Strahl ist sehr gering. Dieses Papier beschreibt, wie die EFFA MEMS dev herzustellenICES und die Messung durchführen, um experimentell zu validieren die Wellenform-Konzept.

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Protocol

1. Herstellung von MEMS EFFA festFestBalken (siehe Abbildung 3 zusammengefasst für Process)

  1. UV-Lithographie und chemische Naßätzung aus Siliziumdioxid mit gepufferter Flusssäure (VORSICHT 27).
    1. Verwenden Sie eine oxidierte, mit niedrigem spezifischen Widerstand Siliziumsubstrat.
    2. Füllen Sie ein Becherglas mit Aceton 28 (genug, um die Probe eintauchen), legen Sie die Probe in der Aceton gefüllt Becher und beschallen für 5 min in einem Wasserbad Ultraschallgerät.
    3. Ohne Trocknung direkt die Probe aus der Aceton-Becherglas gegeben in ein Becherglas mit Isopropyl-Alkohol 29 und beschallen für 5 min gefüllt in einem wasser Ultraschallbad.
    4. Trocknen der Probe mit Stickstoff (nicht erlauben der Isopropylalkohol von der Oberfläche zu verdampfen).
    5. Trocken (Dehydratation backen) wird die Probe auf einer Heizplatte bis 150 ° C für 10 min eingestellt. Damit die Probe auf Raumtemperatur zu erreichen, wenn die Dehydratisierung bake abgeschlossen ist.
    6. Legen Sie die Probe auf das Futter einer Fotolack Spinner.Pipette verzichtet werden 1 ml Hexamethyldisilazan (HMDS) pro 25 mm Durchmesser (VORSICHT 30). Schleuderbeschichtung bei 3500 rpm für 30 Sekunden. Pipette verzichtet werden 1 ml der positive Photoresist pro 25 mm Durchmesser (VORSICHT 31). Schleuderbeschichtung der Probe bei 3.500 Upm für 30 Sekunden. Softbake den Photoresist 90 s bei 105 ° C auf einer Heizplatte.
    7. Verwenden Sie einen Mask Aligner, die Probe mit UV-Strahlung mit einer Wellenlänge von 350-450 nm aus. Verwenden Belichtungsenergie von 391 mJ / cm 2 (VORSICHT 32).
    8. Füllen Sie ein Becherglas mit TMAH ansässigen Entwickler (VORSICHT 33) und verwenden Sie genug, um die gesamte Probe eintauchen.
    9. Füllen Sie ein Becherglas mit VE-Wasser, um die Entwicklung schnell zu beenden, um Zersiedelung zu vermeiden.
    10. Entwickeln Sie die Probe für 12-20 sek. Leicht bewegen die untergetauchten Probe.
    11. Die Probe von der Entwicklung Becher sorgfältig und schnell zu entfernen und tauchen es in dem Spülwasser Becher für 10 Sekunden.
    12. Sorgfältig trocken blasen die Probe mit Stickstoff (Lassen Sie das VE-Wasser von der Oberfläche verdampfen).
    13. Überprüfen Sie die Probe unter dem Mikroskop.
    14. Falls erforderlich, wiederholen Sie den Vorgang mit Entwicklungsanpassungen in der Zeit, Zersiedelung zu vermeiden.
    15. Verwenden einer Plasma reaktives Ionenätzen (RIE), um die Oberfläche aufzurauhen, um die Oberflächenbenetzung zu verbessern. RIE-Einstellungen 34: 100 sccm Ar, 100 W HF-Leistung, 50 mT Kammerdruck, 1 min.
    16. Füllen Sie einen Teflonbecher mit einer ausreichenden Menge von gepufferten Oxidätzung (BOE), um die Probe zu decken.
    17. Einen zweiten Teflon-Becherglas mit entionisiertem Wasser für eine Zwischenspülung der Probe.
    18. Tauchen Sie die Probe in der BOE. Die Ätzrate ist 90-100 nm / min.
    19. Wenn das Ätzen abgeschlossen ist, spülen Sie in der Teflonbecher, die Wasser für 10 sec deionisiertes hat. Dann spülen Sie die Probe in ein Waschbecken mit fließendem VE-Wasser für 1-2 min.
    20. Trocknen Sie die Probe mit Stickstoff (Lassen Sie das VE-Wasser von der Oberfläche verdampfen).
    21. Überprüfen Sie die Probe unter dem Mikroskop.
    22. Wiederholen Sie die Schritte Ätzen und spülen wie nötig mit Anpassungen in der Zeit, um zu über-Ätzen und Preisunterbietung des Photolacks zu vermeiden.
    23. Photoresist-Maske zu entfernen.
    24. Füllen Sie ein Becherglas mit Aceton (genug, um die Probe eintauchen), legen Sie die Probe in der Aceton gefüllt Becher und beschallen in einer wasser Ultraschallbad für 5 min.
    25. Direkt die Probe aus der Aceton-Becherglas und legen Sie sie in einem Becherglas gefüllt Isopropylalkohol und beschallen für 5 min in einem Wasserbad Ultraschallgerät.
    26. Trocknen Sie die Probe mit Stickstoff (Nicht der Isopropylalkohol von der Oberfläche verdampfen).
  2. Chemische Naßätzung von Silizium mit Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH) 25% nach Gewicht (VORSICHT 35).
    1. Verwenden Sie ein sauberes 4-Liter-Becher.
    2. Verwenden Sie eine Kochplatte mit einem thermocKoppel. Verwenden eine Teflonbehälter, der einen Haken an dem Ende des Handgriffes zur Aufnahme der Proben hat. Verwenden einen magnetischen Rührstab für die richtige Bewegung um die Siliziumoberfläche von Wasserstoffblasen, die während des Groß Ätzprozess freigesetzt lindern.
      HINWEIS: Die Rückkopplung zwischen dem Thermoelement und der Kochplatte sorgt für die passende Temperatur in der gesamten Etch konstant bleibt. Ist der freigesetzte Wasserstoff wird nicht von der Oberfläche entfernt ist, kann es die darunterliegende Silizium aus der TMAH maskieren.
    3. Gießen Sie die TMAH 25% Gewichts bis zum 2 L Marke des Bechers.
    4. Platzieren des Thermoelements in die Lösung und Vorwärmung auf 80 ° C. Wenn möglich, verwenden Sie eine benutzerdefinierte Aufnahmen oder klemmen Sie das Thermoelement, um Interferenzen mit der Rotation der magnetischen Rührstab verhindern zu halten.
    5. Sobald die Lösung die erforderliche Temperatur erreicht hat, stellen die Proben in den Teflonkorb und legen den Korb in der Lösung durch Aufhängen von der Lippe des Bechers. Stellen Sie sicher, dass der Korb nicht ruhen nichtauf dem Boden des Bechers, um Raum für die magnetische Rührstab zu drehen lassen.
    6. Stellen Sie die Rotationsgeschwindigkeit des magnetischen Rührstabes zu 400 Umdrehungen pro Minute.
    7. Die Ätzrate der Lösung beträgt 300-350 nm / min. Die notwendige Ätztiefe beträgt 4-5 um.
    8. Wenn die erforderliche Zeit verstrichen ist, um die Etch zu vervollständigen, wird die Probe aus der Lösung und spülen mit VE-Wasser für 1-2 min.
    9. Trocknen Sie die Probe mit Stickstoff (Lassen Sie das VE-Wasser von der Oberfläche verdampfen).
    10. Verwenden Sie ein Profilometer, um die Stufenhöhe zu messen.
    11. Wenn die Stufenhöhe nicht erreicht ist, legen Sie die Proben in der Lösung wieder, um die gewünschte Sprunghöhe zu erreichen.
  3. Chemische Nassätzung aller SiO 2 von dem Substrat thermisch wachsen weitere 500 nm SiO 2.
    1. Füllen Sie einen Teflonbecher mit Flusssäure 49% nach Volumen (VORSICHT 36). Verwenden Sie eine Menge, die ausreicht, um die Probe zu decken.
    2. Füllen Sie einen Teflonbecher mit VE-Wasser zum Spülen der Probe. Verwenden Sie eine Menge, die ausreicht, um die Probe zu decken.
    3. Ätzen der Probe mit Flusssäure. Lassen Sie die Probe in die Lösung, bis das gesamte SiO 2 entfernt wird. Da die Lösung hochkonzentriert ist, wird das Ätzen relativ schnell auftreten.
    4. Spülen für 10-20 sec in der Teflonbecher mit VE-Wasser gefüllt.
    5. Spülen Sie die Probe gründlich unter fließendem VE-Wasser in ein Waschbecken für 1-2 min.
    6. Mischen eine Lösung von H 2 SO 4: H 2 O 2 (Schwefelsäure: Wasserstoffperoxid, Piranha sauber) in einem 1: 1-Verhältnis in einem Teflonbecher (VORSICHT 37). Verwenden Sie genug, um die Probe zu decken.
    7. Füllen Sie einen Teflonbecher mit VE-Wasser zum Spülen der Probe.
    8. Tauchen Sie die Probe in H 2 SO 4: H 2 O 2 für 7-10 min.
    9. Kurz, 10 sec, spülen Sie die Probe in das Spülwasser Becher.
    10. Gründlich die Probe in ein Waschbecken mit fließendem VE-Wasser für 1-2 Minuten ausspülen.
    11. Trocknen Sie die Probe mit Stickstoff (Lassen Sie das Wasser von der Oberfläche verdampfen).
    12. Führen nassen thermische Oxidation bis 500 nm SiO 2 wachsen.
  4. UV-Lithographie und chemische Naßätzung zum Strukturieren der SiO 2, um das Silizium, das als Opferschicht für die endgültige Freigabe der festFestBalken dient aussetzen.
    1. Füllen Sie ein Becherglas mit Aceton (genug, um die Probe eintauchen), legen Sie die Probe in der Aceton gefüllt Becher und beschallen in einer wasser Ultraschallbad für 5 min.
    2. Direkt die Probe aus der Aceton-Becherglas und legen Sie sie in einem Becherglas gefüllt Isopropylalkohol und beschallen in einer wasser Ultraschallbad für 5 min.
    3. Trocknen Sie die Probe mit Stickstoff (Nicht der Isopropylalkohol von der Oberfläche verdampfen).
    4. Trocken (Dehydratation backen) wird die Probe auf einer Heizplatte bis 150 ° C für 10 min eingestellt. T erlaubener probieren, um zu erreichen, wenn die RT Austrocknung backen abgeschlossen ist.
    5. Verwendung einer Photoresist-Spincoater, Schleuderbeschichtung HMDS auf die Probe bei 3500 Upm für 30 Sekunden. Verwendung einer Photoresist-Spincoater, Schleuderbeschichtung positive Photoresist auf die Probe bei 3500 Upm für 30 Sekunden. Softbake den Photolack für 90 Sekunden bei 105 ° C auf einer Heizplatte.
      HINWEIS: Verwenden Sie 1 ml pro jeweils 25 mm Probendurchmesser.
    6. Verwenden Sie einen Mask Aligner, die Probe mit UV-Strahlung mit einer Wellenlänge von 350-450 nm aus. Verwenden Belichtungsenergie von 391 mJ / cm 2.
    7. Füllen Sie ein Becherglas mit einer TMAH Entwickler und verwenden genug, um die gesamte Probe eintauchen.
    8. Füllen Sie ein Becherglas mit VE-Wasser, um schnell zu beenden, um die Entwicklung Zersiedelung zu verhindern.
    9. Entwickeln Sie die Probe für 12-20 sek.
    10. Die Probe von der Entwicklung Becher sorgfältig und schnell zu entfernen und tauchen es in dem Spülwasser Becher für 10 Sekunden.
    11. Spülen Sie die Probe in ein Waschbecken mit fließendem VE-water für 1-2 min.
    12. Sorgfältig mit Stickstoff trocken (Lassen Sie das Wasser von der Oberfläche verdampfen).
    13. Überprüfen Sie die Probe unter dem Mikroskop.
    14. Falls erforderlich, wiederholen Sie den Vorgang mit Entwicklungsanpassungen in der Zeit, Zersiedelung zu vermeiden.
    15. Verwendung Plasma RIE, um die Oberfläche aufzurauen, um die Oberflächenbenetzung zu verbessern. RIE-Einstellungen: 100 sccm Ar, 100 W HF-Leistung, 50 mT Kammerdruck, 1 min.
    16. Füllen Sie einen Teflonbecher mit einer ausreichenden Menge von BOE, um die Probe zu decken.
    17. Füllen eines Teflon-Becherglas mit entionisiertem Wasser für eine Zwischenspülung der Probe.
    18. Tauchen Sie die Probe in der BOE. Die Ätzrate ist 90-100 nm / min.
    19. Wenn das Ätzen abgeschlossen ist, spülen Sie in der Teflonbecher, die Wasser für 10 sec deionisiertes hat. Dann spülen Sie die Probe unter fließendem VE-Wasser in ein Waschbecken für 1-2 min.
    20. Trocknen Sie die Probe mit Stickstoff (Lassen Sie das Wasser von der Oberfläche verdampfen).
    21. Untersuchen Probe unter dem microscope.
    22. Wiederholen Sie die Schritte Ätzen und spülen wie nötig mit Anpassungen in der Zeit, um zu über-Ätzen und Preisunterbietung des Photolacks zu vermeiden.
    23. Füllen Sie ein Becherglas mit Aceton (genug, um die Probe eintauchen), legen Sie die Probe in der Aceton gefüllt Becher und beschallen in einer wasser Ultraschallbad für 5 min.
    24. Direkt die Probe aus der Aceton-Becherglas und legen Sie sie in einem Becherglas gefüllt Isopropylalkohol und beschallen in einer wasser Ultraschallbad für 5 min.
    25. Trocknen Sie die Probe mit Stickstoff (Nicht der Isopropylalkohol von der Oberfläche verdampfen).
  5. Sputter Anzahlung von 20 nm Ti und 100 nm Au. Dieser Film dient als Keimschicht für galvani die nachfolgende Galvanisierung Verfahrensschritt. Die Sputter-Parameter sind: Gleichstromleistung von 100 W, Ablagerungsdruck von 8 mT, 100 sccm Ar, Basisdruck 3 × 10 -6 T.
    1. Entlüften Sie die Prozesskammer oder Schleusen in die Atmosphäre.
    2. Legen Sie die Probe in dieProzesskammer oder Schleusen.
    3. Pumpen Sie die Prozesskammer oder Schleusen Vakuum.
    4. Warten Sie, bis die Prozesskammer wird eine Basisdruck von 3 x 10 -6 T.
    5. Positionieren Sie die Probe auf die entsprechende Stelle für die Ablagerung.
    6. Stellen Sie den Kammerdruck bis 8 mT von strömendem Argon in das System. Die genaue Strömungsgeschwindigkeit benötigt wird, um 8 mT stark abhängig von der Art des verwendeten Systems zu erzielen. Das Sputtern Werkzeug für diese Arbeit verwendet eine Strömungsrate von 100 sccm.
    7. Aktiviere die Quelle mit der Titan-Target.
    8. Vorsputter Titan bei 300 W für 20 min.
    9. Sputter 20 nm aus Titan auf 100 W. Der genaue Zeitpunkt der Abscheidung hängt stark von der Art des Systems. Werkzeug für das Sputtern in dieser Arbeit verwendet wird, ist 5 min bis 20 nm erforderlich erzielen.
    10. Deaktivieren Sie die Quelle mit der Titan-Sputter-Targets.
    11. Aktivieren Sie die Quelle mit der Gold-Ziel.
    12. Vorsputter Gold bei 100 W für 2 min.
    13. Sputter100 nm Gold auf 100 W. Der genaue Abscheidungszeit ist stark abhängig von der Sputter-Tool, das verwendet wird. Werkzeug für das Sputtern in dieser Arbeit verwendet wird, ist 10 min reicht bis 100 nm Gold bereitzustellen.
    14. Deaktivieren Sie die Quelle mit der Gold-Sputter-Targets.
    15. Schließen Sie die Ar Gasventil.
    16. Entlüften Sie die Prozesskammer oder Schleusen.
    17. Entladen Sie die Probe, nachdem der Prozesskammer oder Schleusen Atmosphäre erreicht.
    18. Pumpen Sie den Schleusen oder Prozesskammer auf Hochvakuum.
  6. UV-Lithographie, um eine Fotolackform, die die Geometrie der Fest festen Träger definiert erstellen.
    1. Füllen Sie ein Becherglas mit Aceton (genug, um die Probe eintauchen), legen Sie die Probe in der Aceton gefüllt Becherglas für 5 min.
    2. Direkt die Probe aus der Aceton-Becherglas und legen Sie sie in einem Becherglas gefüllt Isopropylalkohol für 5 min.
    3. Trocknen Sie die Probe mit Stickstoff (Nicht der Isopropylalkohol von der Oberfläche verdampfen).
      4. <li> Dry (Dehydratation backen) wird die Probe auf einer Heizplatte bis 150 ° C für 10 min eingestellt. Damit die Probe auf Raumtemperatur zu erreichen, wenn die Dehydratisierung bake abgeschlossen ist.
    4. Verwendung einer Photoresist-Spincoater, Schleuderbeschichtung HMDS auf die Probe bei 3500 Upm für 30 Sekunden. Verwendung einer Photoresist-Spincoater, Schleuderbeschichtung positive Photoresist auf die Probe bei 2000 Upm für 30 Sekunden. Softbake den Photolack für 90 Sekunden bei 105 ° C auf einer Heizplatte.
      HINWEIS: Verwenden Sie 1 ml pro jeweils 25 mm Probendurchmesser.
    5. Verwenden Sie einen Mask Aligner ausrichten und setzen die Probe mit UV-Strahlung mit einer Wellenlänge von 350-450 nm auf. Verwenden Sie eine Belichtungsenergie von 483 mJ / cm 2.
    6. Füllen Sie ein Becherglas mit TMAH Entwickler und verwenden genug, um die gesamte Probe eintauchen.
    7. Füllen Sie ein Becherglas mit VE-Wasser, um schnell zu beenden, die Entwicklung, um Zersiedelung zu verhindern.
    8. Entwickeln Sie die Probe für 12-20 sek.
    9. Die Probe sorgfältig und schnell von der Entwicklung und Becher subm entfernenErge es im Spülwasser Becher für 10 Sekunden.
    10. Spülen der Probe in einer Wanne unter fließendem deionisiertem Wasser für 1-2 min.
    11. Trocknen Sie die Probe mit Stickstoff (Lassen Sie das Wasser von der Oberfläche verdampfen).
    12. Überprüfen Sie die Probe unter dem Mikroskop.
    13. Falls erforderlich, wiederholen Sie den Vorgang mit Entwicklungsanpassungen in der Zeit, Zersiedelung zu vermeiden.
  7. Galvanisieren Gold MEMS Strahl.
    1. Verwenden Sie einen 1 L Becherglas Becherglas.
    2. Füllen Becher mit 700 ml einer handelsüblichen, ready-to-use Gold Galvanik-Lösung (VORSICHT 38) .Den gefüllt Becherglas auf einer Heizplatte.
    3. Stellen Sie die Kochplatte auf 60 ° C. Verwenden ein Thermoelement zu gewährleisten, dass die Lösung bleibt bei der gewünschten Temperatur. Sobald die Lösung die gewünschte Temperatur erreicht, bringen der Probe mit einer Vorrichtung, die die Anodenwerkstück (die Probe), und das Thermoelement enthält.
    4. Stellen Sie die Stromzufuhr zu der entsprechenden Amplitude auf der Grundlage der expoSED-metallisierten Fläche der Probe. Eine konstante Stromdichte von 2 mA / cm 2 verwendet wird.
    5. Ein Stahl Anode Edelstahl verwendet.
    6. Schließen Sie den spannungs mit der Anode und dem Boden der Probe.
    7. Die Abscheidungsrate 250-300 nm / min. Die endgültige Dicke der festen fixierten Strahl 0,5 um. Unter Berücksichtigung, dass eine ungefähre Verhältnis 4: 1 in den Ätzraten zu gesputterten Gold galvani (beim Entfernen der gesputterten Keimschicht) vorhanden ist, wird der Strahl bis 1 um galvanisiert.
    8. Wenn die erforderliche Zeit verstrichen ist, schalten Sie die Stromversorgung, ziehen Sie die Leitungen von der Anode und Werkstück, entfernen Sie die Probe und gründlich unter fließendem VE-Wasser in ein Waschbecken für 1 min zu spülen.
    9. Blow Dry der Probe mit Stickstoff (Lassen Sie das Wasser von der Oberfläche verdampfen).
    10. Mikroskop verwenden und Profilometer, ob die galvani abgeschlossen ist.
  8. Ätzen der Fotolackform.
    1. Vorheizen glass Becherglas mit einem dedizierten Photoresist-Stripper auf einer Heizplatte auf 110 ° C (VORSICHT 39) gefüllt ist. Tauchen Probe in der Lösung für 1 Stunde.
    2. Das Becherglas aus Kochplatte und lassen Sie die Lösung und probieren auf RT zu erreichen.
    3. Probe gründlich unter fließendem Wasser in einem Waschbecken für 1-2 min.
    4. Tauchen Probe in ein Becherglas mit Aceton für 5 min gefüllt.
    5. Tauchen Probe in ein Becherglas mit Isopropyl-Alkohol für 5 min gefüllt.
    6. Trocknen Sie die Probe mit Stickstoff (Nicht der Isopropylalkohol von der Oberfläche verdampfen).
    7. Untersuchen Probe unter dem Mikroskop und messen die Stufenhöhe des galvani Au mit einem Profilometer. Wiederholen Sie die Schritte Reinigung, wenn nötig.
  9. Chemische Naßätzung Ti / Au-Keimschicht.
    1. Probe in Plasma RIE und verwenden Sie die folgenden Parameter: 100 sccm Ar, 100 W, 50 mT für 30 Sekunden.
    2. Füllen Sie einen Teflon oder Glasbecher mit Au-Ätzmittel (VORSICHT 40). Verwenden enough, um die gesamte Probe zu decken.
    3. Füllen Sie einen Teflon oder Becherglas mit VE-Wasser. Das Becherglas wird als Zwischenspülung Becher schnell beenden Au Etch zu dienen.
    4. Tauchen Sie die Probe in der Au Ätzmittel. Etch-Parameter - RT, 7-8 nm / s, aufgeregt. Sobald Etch abgeschlossen ist, tauchen die Probe in das Spülwasser Becher und sanft rühren für 10-20 sek.
    5. Spülen Sie die Probe gründlich unter fließendem VE-Wasser in ein Waschbecken für 1-2 min.
    6. Stickstoff Schlag trocken (Lassen Sie das Wasser von der Oberfläche verdampfen).
    7. Überprüfen Sie die Ätzung unter einem Mikroskop und, falls erforderlich, wiederholen Sie, bis alle Au wird von den belichteten Bereichen entfernt.
    8. Führen Plasma RIE wieder auf die Probe mit den folgenden Parametern: 100 sccm Ar, 100 W, 50 mT für 30 sek.
    9. Füllen Sie ein Becherglas mit Teflon BOE (genug, um die Probe eintauchen).
    10. Füllen Sie ein Teflon mit VE-Wasser zum Spülen der Probe.
    11. Tauchen Sie die Probe in der BOE bei RT. DieÄtzrate 15-18 nm / min.When die Ätzzeit abgeschlossen ist, entfernen Sie die Probe aus dem Becherglas und tauchen sie in das Becherglas spülen für 10-20 sek.
    12. Spülen Sie die Probe gründlich unter fließendem VE-Wasser in ein Waschbecken für 1-2 min.
    13. Stickstoff Schlag trocken (Lassen Sie das Wasser von der Oberfläche verdampfen).
    14. Inspizieren Ätzen und, falls erforderlich, wiederholt, bis das gesamte Titan in den belichteten Bereichen entfernt wird. Reduzieren Sie die Zeit, um Etch erhebliche Preisunterbietung zu vermeiden.
  10. Führen Sie eine Trocken isotropen XeF 2 Etch (VORSICHT 41), die selektiv entfernt das Silizium und gibt die Au festFestBalken.
    1. Entlüften Sie die Prozesskammer in die Atmosphäre.
    2. Laden Sie das Beispiel in der Prozesskammer.
    3. Pumpen das System bis auf Vakuum.
    4. Die Ätzzeit hängt stark von der belichteten Fläche und der Art des Ätz-System verwendet. Für diese Probe bei einem Druck von 3 t mit 30 sec Zyklus verwendet wird. 10 Zyklen verwendet. Eine Ätzrate von 110-120 nm / min extrahiert.
    5. Sobald der Etch-Parameter werden in das System eingestellt, ätzen die Silizium-Opferschicht.
    6. Wenn das Ätzen abgeschlossen ist führen die notwendigen Reinigungsschritte giftige Gase sicherzustellen, vor dem Entlüften des Systems in die Atmosphäre entfernt. Das System hat in dieser Studie ein Verfahren, das automatisch diesen Reinigungsschritt.
    7. Entlüften Sie die Prozesskammer in die Atmosphäre.
    8. Die Proben vorsichtig entfernen.
    9. Pumpen Sie die Prozesskammer auf Vakuum.

2. Experimentelle Validierung der dynamischen Wellenform

  1. Last Probe auf DC-Sonde entfernt.
    1. Legen Sie die Probe auf dem Futter der DC-Probe-Station.
    2. Aktivieren Sie das Vakuum des Futters, die Probe gedrückt.
    3. Verwenden Sie DC Sondenspitze Manipulatoren, um die Wolfram-Sondenspitzen auf den Vorspann Pads der MEMS-Brücken zu positionieren.
    4. Verwenden Sie das Mikroskop der DC Probe-Station, um die genaue Positionierung der Sondenspitze Wolfram ansehens über der Gleichstromvorspann Pads der Vorrichtung. Der Fest festen Strahl wird mit dem Live-Signal Sondenspitze abgetastet, während die nach unten ziehen Elektroden werden mit dem Boden Sondenspitze sondiert.
  2. Programm dynamische Vorspannung Signal auf dem Funktionsgenerator.
    1. Verwendung berechneten Werte für die Anfangswellenparameter 20.
    2. Wählen Sie das Arbitrary Waveform-Funktion auf den Funktionsgenerator, um die dynamische Wellenform erstellen.
    3. Geben Sie die Zeitparameter der Wellenform. Abhängig von der Art des Funktionsgenerators, beginnt der erste Zeitparameter nach einigen Mikrosekunden (im Gegensatz zu 0 usec). Das Intervall zwischen dem ersten und zweiten Zeitparameter wird die berechnete Zeit, die der Strahl, um das Überschwingen Spalt erreichen. Der Abstand zwischen der zweiten und dritten Zeitparameter sollte lang genug sein, damit der Strahl Gleichgewicht vollständig erreicht mit minimaler Schwingungs sein. Beim Eingeben der Zeitparameter in der umgekehrten Richtung zu betreiben (von Pull-down freizugeben), wird das Überschwingen Abstandszeit das Zeitintervall zwischen dem dritten Zeitparameter und Ausschalten des bestimmen. Es wird eine fünfte Zeitintervall zu sein braucht, um die Welle zu starten. Für dieses Intervall ausreichend Zeit für die Genehmigung der Strahl, um das Gleichgewicht vor dem Neustart des Zyklus zu erreichen.
    4. Eingangsparameter die Spannung der Wellenform. Die Spannungen einen Bruchteil der tatsächlichen auf den Strahl angelegten Spannung, da dieses Signal wird durch einen linearen Verstärker passieren. Die in den Funktionsgenerator für diese Studie programmierten Werte waren 20.1 von der tatsächlichen Spannung.
    5. Den Ausgang des Funktionsgenerators, um die Hochgeschwindigkeits-Hochspannungs-Linearverstärker.
    6. Den Ausgang des linearen Verstärkers in ein digitales Oszilloskop mit einer Abtastfrequenz von 300 MHz. Das Oszilloskop wird verwendet, um den Signalausgang von dem Signalgenerator zu überprüfen.
    7. Den Ausgang des linearen Verstärkers, um den DC-Manipulatoren. Stellen Sie sicher, dass der Funktionsgeneratoraus, während der Durchführung dieses Schrittes.
  3. Setup und messen mit der Laser-Doppler-Vibrometer (LDV)
    1. Positionieren Sie den Kopf, der die LDV über die Probe hält.
    2. Einschalten des Lasers.
    3. Verwenden Sie das Mikroskop, das mit dem LDV integriert ist, um die gewünschte Strahl zu messen.
    4. Fokussierung des Lasers auf das Zentrum des MEMS-Brücke. Dies ist der Punkt der maximalen Durchbiegung.
    5. Sicherzustellen, dass die Intensität des Laserstrahls Reflexion ist ausreichend für eine genaue Messung.
    6. Stellen Sie die Probenahmezeit auf die entsprechende Abtastrate. Diese Messung verwendet eine Abtastrate von 5,1 MHz.
    7. Wählen Sie die Verschiebung gegenüber der Zeit Ausgang für die LDV.
    8. Wählen Sie den Dauermessmodus.
    9. Gelten die Vorspannsignal auf den MEMS-Brücken. Die LDV wird das Klingeln Effekt in Echtzeit zu erfassen.
    10. Stimmen Sie die Timing-und Spannungsparameter auf dem Funktionsgenerator, um minimale Strahloszillation auf dem Pull-Down-und Freisetzung zu erreichenOperationen.
    11. Sobald die optimalen Werte gefunden schalten Sie den Vorspann Signal.
    12. Schalten Sie den kontinuierlichen LDV-Messmodus.
    13. Heben Sie die DC-Sondenspitzen aus den Vorspann Pads.
    14. Verbinden der Triggereingang des Funktionsgenerators mit dem Ausgang des Trigger LDV Hardware-Schnittstelle. Für diese Studie ein BNC-Kabel für diese Verbindung verwendet.
    15. Stellen Sie den Funktionsgenerator, um den externen Trigger von der LDV-System zu bestätigen.
    16. Stellen Sie die LDV-Software, um den Funktionsgenerator ausgelöst werden, wenn die Messung Scan-Modus beginnt.
    17. Stellen Sie die LDV-Software, um Single-Scan-Modus. Die Zeit einzigen Scan wird die Dauer der Wellenform sein.
    18. Drop die DC Sondenspitzen wieder auf die Vorspann Pads des MEMS-Brücke.
    19. Nehmen Sie das Signal, das durch die Aktivierung der Messmodus des LDV scannen.
    20. Speichern Sie die Verschiebung gegenüber der Zeit.

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Representative Results

Der Aufbau in Figur 4 verwendet wird, um die Auslenkung gegenüber der Zeit Merkmale der MEMS Brücken aufzunehmen. Durch die Verwendung des Laser-Doppler-Vibrometer im kontinuierlichen Messmodus kann die genaue Spannung und Zeit-Parameter gefunden werden, die in minimalen Strahlschwingung für die gewünschte Spalthöhe führen. 5 veranschaulicht ein Beispiel Strahlablenkung entsprechend der 60 V Spalthöhe. Es ist ersichtlich, dass nahezu alle der Schwingung wird entfernt. Nicht nur ist die dynamische Wellenform nützlich für eine Spalthöhe, sondern für alle möglichen Spalthöhen. Dies ist in Figur 6 und 7 sowohl für den Pull-down-und Freigabevorgänge gezeigt sind. Die berechneten und gemessenen dynamischen Wellenform verwendet, um die Messungen in den vorhergehenden Figuren zu erreichen, ist in den 8 und 9 dargestellt sind.

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Abbildung 1. 2D-Skizze und REM-Bild in dieser Studie verwendeten MEMS-Brücken. (A) 2D-Profil. (B) Draufsicht von MEMS-Brücken. (C) SEM der tatsächlichen hergestellte Vorrichtung. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Figur 2
Figur 2 Skizze der unterdämpften MEMS Brücke in Reaktion auf einen Eingabeschritt und zeitlich variierenden Antwort. (A) Einheit Schritt angelegten Vorspannung. (B) Reaktion unterdämpften MEMS Brücke zur Einheit der Step-Eingabe. (C) Zeit variiere / dynamische Eingangs-Bias. (D) Antwort von MEMS-Brücke zu Zeit variierende Eingangs.rget = "_blank"> Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Figur 3
Abbildung 3 zusammengefasst Prozessablauf für die MEMS-Brücken. (A) oxidierten Siliziumsubstrats. (B) Schütt Ätzen des Siliziumsubstrats. (C) Re-Oxidation des Siliziumsubstrats. (D) Siliciumdioxid-Ätz Opfer Silizium freizulegen. (E) Gold-Abscheidung und Strukturierung. (F) Ätzen Silizium-Opferschicht, um die MEMS-Brücke freizugeben. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Figur 4
Abbildung 4. Blockschaltbild des Versuchs seTUP verwendet, um die Bias-Signal gelten und erfassen die MEMS-Brücke Ablenkung. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Figur 5
Figur 5. Mess Pulldown-und Freigabezustände eines MEMS-Brücke in Reaktion auf ein 60 V Eingangsruhe. Die schwarze Kurve ist die Antwort von Schritt Eingang. Die rote Kurve ist die Antwort auf einen dynamischen Eingang.

Figur 6
Abbildung 6. Gemessene Zwischen Pull-Down-Spalthöhen des MEMS-Brücke in Reaktion auf eine dynamische Eingabe. Bitte klicken Sie hier, um eine größere vers sehenIonen dieser Figur.

Figur 7
Abbildung 7. Gemessene Zwischenmitteilung Spalthöhen des MEMS-Brücke in Reaktion auf eine dynamische Eingabe.

Figur 8
Abbildung 8. Berechnete Wellenform für die Eingangs-Bias.

Figur 9
Abbildung 9. tatsächliche Wellenform verwendet werden, um minimale Schwingungs des MEMS-Brücke zu erreichen.

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Discussion

Niedrige Restspannung Au Filmabscheidung und eine Trocken Release mit XeF 2 sind kritisch Komponenten in der erfolgreichen Herstellung der Vorrichtung. Elektrostatische streufeld Aktoren bieten relativ geringen Kräften im Vergleich zu Parallelplattenfeldaktoren. Typische MEMS Dünnschicht Spannungen von> 60 MPa wird in einer übermäßig hohen Antriebsspannungen, die potenziell gefährden können, die Zuverlässigkeit von MEMS EFFA führen. Aus diesem Grund ist die Galvanik Rezept wird sorgfältig charakterisiert, um einen dünnen Film mit niedrigen bi-axiale Mittelspannung ergeben. Darüber hinaus verwendet diese Studie Silizium als Opferschicht Typ aufgrund seiner relativ geringen Ausdehnung und Kontraktion (verglichen mit Photoresist) während der Verfahrensschritte, die Wärmezyklen erfordern. Schließlich ist die Trockenfreigabeschritt mit XeF 2 ermöglicht eine hohe Ausbeute Verarbeitung durch Haftreibung praktisch eliminiert.

Die gewünschte Strahlspalthöhe entspricht der Überschreitung Spalthöhe (2B 20. Sobald der Strahl erreicht das Überschwingen / gewünschte Spalthöhe der zweite Schritt Vorspannung (2C) angelegt wird, um den Strahl in dieser Position zu halten. Durch die Kenntnis der mechanischen Güte des MEMS Brücke (der gemessen oder berechnet werden kann), kann das Überschwingen und der Prozentsatz der Zeit, die Überschwingspalthöhe zu erreichen, berechnet werden. Diese Parameter werden verwendet, um die Amplitude und die Zeitsteuerung der Eingangsspannung zu bestimmen.

DC-dynamische Antriebssignale in dieser Studie verwendeten verbessert die Einschwingzeit von ~ 2 ms bis zu ~ 35 us sowohl für up-to-down und down-to-up-Staaten. Die berechneten Schaltzeit mit der heuristischen Modells 20 ist 28 us für einen Strahl mit einer Breite w = 10 um, Länge L = 400 um Dicke t = 0,45 um, seitlichen Pull-Down-Lücke s = 8 um, und Restreißmittelspannung σ = 5 MPa. Schaltzeit hat eine σ -1/2 Beziehung 20. Ter Folge dieser Beziehung ist, dass relativ kleine Abweichungen in der Restspannung kann eine nicht geringen Einfluss auf die Schaltzeit-Berechnung haben. Eine relativ kleine Differenz von 2 MPa in Eigenspannung in einem Schaltzeitveränderung von 20% führen. Es besteht daher für die Echtzeit-Optimierung mit dem in diesem Papier aufgrund der Unvermeidlichkeit der Prozessvariation über einen Wafer vorgestellte Methode eine Notwendigkeit.

Die in dieser Arbeit vorgestellten Methode zeigt signifikante Verbesserungen der Schaltzeit für die elektrostatische Randfeld Aktuatoren in dem das Substrat entfernt wird. Die Angaben für die Herstellung der EFFA MEMS-Tunern und der elektrischen Prüfung werden ausführlich beschrieben. Das experimentelle Verfahren, insbesondere die dynamische Stabilisierungsverfahren wird in praktisch jedem Dienstprogramm mechanisch unterdämpften MEMS-Design in Hinblick auf die Verbesserung der Schaltzeit-Leistung zu finden.

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Disclosures

Die Autoren haben nichts zu offenbaren.

Acknowledgments

Die Autoren möchten sich Ryan Tung für seine Hilfe und nützliche technische Diskussionen.

Die Autoren möchten auch die Hilfe und Unterstützung des technischen Personals Birck Nanotechnology Center bestätigen. Diese Arbeit wurde von der Defense Advanced Research Projects Agency unter der Purdue Mikrowelle Reconfigurable Evanescent-Mode unterstützt Cavity Filter-Studie. Und auch von NNSA Center of Vorhersage von Zuverlässigkeit, Integrität und Überlebensfähigkeit von Microsystems und des Energieministeriums unter Preis Nummer DE-FC5208NA28617. Die Ansichten, Meinungen und / oder Ergebnisse in diesem Papier / Präsentation enthalten sind, sind die der Autoren / Referenten und sollte nicht als Vertreter der offiziellen Ansichten oder Strategien interpretiert werden, weder ausdrücklich noch stillschweigend, von der Defense Advanced Research Projects Agency oder der Abteilung der Verteidigung.

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

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Physik Ausgabe 90 mikroelektromechanische Systeme Aktoren Schaltzeit Einschwingzeit elektrostatische Geräte Mikrobearbeitung Dünnschicht-Geräte
Echtzeit-DC-Vorspannung dynamische Verfahren zur Verbesserung Schaltzeit in stark unterdämpft Fransen-Bereich Elektroantriebe MEMS
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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).

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