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ARCES -Advanced Research Centre on Electronic Systems
University of Bologna - Italy
Tuesday, 2nd March 2004
Design, Fabrication and Characterisation of RF-MEMS
Roberto Gaddi
Email: [email protected]
ARCES - University of Bologna
Summary
Introduzione alle strutture MEMS Tecniche di fabbricazione Packaging issues Integrazione MEMS-CMOS Caratterizzazione micromeccanica
Applicazioni MEMS per sistemi wireless Esempi di componenti in tecnologia MEMS Impatto a livello architetturale
Simulazione circuitale comportamentale di MEMS Design a domini misti
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Definizione di MEMS o MST
MST = MicroSystems Technology (acronimo ‘Europeo’) MEMS = MicroElectroMechanical System (USA) Un MicroSystem è definibile come sistema
miniaturizzato comprendente più di una tra le funzioni di sensore, elaborazione e attuazione.
Tipicamente comprendono il dominio fisico meccanico unito a uno o più tra i seguenti : elettrico, ottico, chimico, biologico, magnetico, …
Approccio di integrazione su singolo chip o su ibridi multichip, secondo la compatibilità tecnologica
Utilizzo di materiali cristallinimateriali cristallini (Silicio, quarzo, vetro, semiconduttori composti quali GaAs, SiC, …), tecnologie a film sottili e litografia sub-micrometrica.
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Stato attuale
Primi esempi risalgono agli anni ’60, propriamente argomento di ricerca dai primi ‘80 (MIT, Stanford, Berkeley): disciplina giovane
Grandi aziende hanno di recente introdotto i primi prodotti (Analog Devices, Agilent, Motorola, Texas Instruments, ST Microelectronics)
Technology drivers: ink jet printer heads, magnetic R-W heads, automotive technology, biotechnology and biomedical, wireless and optical telecommunications (RFMEMS, MOEMS)
Example apps: pressure sensors, car airbags’ accelerometer, stabilisers for cars and cameras, filters, switches, micromirrors for projectors and displays, ink and fuel injection, disk drivers, microfluidics, lab-on-chip…
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Metodi attuali di fabbricazione
Diversi approcci alla fabbricazione di MEMS, basati sulla applicazione di processi di fabbricazione per la microelettronica alla creazione di elementi meccanici
Tre metodologie principali:1. Bulk micromachining: rimozione di parti del
substrato semiconduttore per la creazione di strutture a più gradi di libertà meccanici
2. Surface micromachining: strati di materiale superficiale vengono depositati, definiti tramite litografia e rimossi senza intaccare il materiale di substrato
3. LIGA: processo ideato ad-hoc per la creazione di strutture MEMS ad alto fattore di forma
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Bulk micromachining
Piani cristallini direzionano l’attacco chimico Possibili strutture: travi (cantilever), membrane, masse
sospese (seismic masses), cavità, trincee, ugelli…
Tipicamente si utilizza un attacco chimico umido con alta selettività rispetto al materiale della microstruttura
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Alternative di bulk micromachining
Attacco dalla superficie frontale (“frontside”): Litografia con
allineamento su singola faccia
Non possibili fori passanti o membrane estese
Attacco dal retro del chip (“backside”): Litografia con
allineamento su doppia faccia
Possibili membrane
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Surface micromachining
Il materiale strutturale viene depositato sulla superficie del substrato e processato con passi di litografia e di attacco selettivo
Non viene intaccato il materiale di substrato (bulk) Il rilascio della struttura (ottenimento di gradi di libertà
meccanici) avviene tramite attacco chimico selettivo di uno o più strati di materiale detti “sacrificali”
Attacchi utilizzati possono essere sia chimico umido, per strati sottili, scarsa direzionalità e buona selettività (etching sacrificale), sia anisotropi al plasma o tipo Reactive Ion Etching (RIE) per pareti verticali ed alti fattori di forma delle cavità
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Surface micromachining
Esempio di successione di passi di fabbricazione: doppio strato conduttivo di substrato e singolo strato sospeso
1. Substrato in Silicio con ossido di campo superficiale2. Layer conduttivo in Poly-Silicio + litografia3. Dielettrico con definizione via’s di contatto4. Metal (TiN-Al) + litografia5. Dielettrico a bassa temperatura con definizione di via’s6. Strato sacrificale (resist) + evap. Oro + litografia7. Attacco selettivo sacrificale e rilascio struttura
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Process inspection (at ITC-irst labs)
Released devices show no major fabrication issues, e.g. stress gradient deformations or partial releases
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Series ohmic switch, interdigitated
On an unusable device the plate was removed to observe underlying pads
Coventor simulations of pullin give coherent results assuming the spacer flows between fingers, reducing effective electrodes-bridge distance
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Optical profilometer measurements
The gold membrane profile can be monitored
The removal of the bridge shows the electrodes’ topology
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Materiali e processi: da IC a MEMS
Sia i materiali che i processi presentano una estensione rispetto a quanto proveniente dalla microelettronica standard, motivata dallo sviluppo di MEMS
Materiali: 1) dalla microelettronica: Silicon, SiO2, Si3N4, SiC, diamond, metals, alloys … 2) sviluppati per MEMS: plastics, glass, ceramics, shape-memory alloys, magnetic materials, piezoelectric materials (ZnO, Lead Zirconium Titanate PZT), …
Processi: 1) per IC: lithography, deposition (CVD, LPCVD), evaporation, ion implantation, wet (HF) and dry (plasma) etching … 2) sviluppati per MEMS: Deep Reactive Ion Etching (DRIE), Laser induced deposition/etching, electro-plating/etching, ultrasonic milling, electric discharge milling, molding, embossing…
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Processi di fabbricazione: LIGA
LIGA: RoentgenLIthography Galvanic Abformung Tecnica avanzata ideata “ad hoc” per strutture ad alto
fattore di forma Si crea uno “stampo” in materiale resist (plexiglass) sul
quale si deposita il materiale strutturale Dopo la rimozione del resist resta la struttura sospesa Il fattore di forma non dipende da processi di attacco al
materiale strutturale La definizione del resist è ottenuta tramite esposizione a
raggi X ad alta energia Necessita di un investimento considerevole non essendo
un processo microelettronico “standard”
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Processo di fabbricazione LIGA
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Esempio di struttura LIGA
Ottenimento di alti fattori di forma e pareti ripide
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Il problema del packaging
Strutture MEMS pongono tipicamente problemi di packaging differenti dagli standard microelettronici: protezione di parti meccaniche in movimento, sostanze chimiche, atmosfera controllata come umidità e pressione (risonatori, switch, …), interfaccia con l’esterno (sensori di pressione, fluidica, BioMEMS, …)
L’integrazione tra MEMS ed elettronica pone inoltre vincoli di miniaturizzazione e condizionamento del segnale
NOTA: dal 30% al 95% del costo totale di fabbricazione! Hermetic sealing: prevenire in modo definitivo l’ingresso di
umidità ed altri contaminanti all’interno della cavità; in pratica non esiste, molecole di gas entrano per diffusione..
Vacuum sealing spesso richiesto
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Materiali per incapsulamento ermetico
Materiali di package: 1) microelettronica a basso costo utilizza materie plastiche; 2) vetro, ceramica e metalli hanno permeabilità all’umidità inferiore di ordini di grandezza rispetto alle materie plastiche
Materiali per saldatura: Vetrosi: vetro-metallo oppure vetro-ceramica;
chimicamente inerte, non ossidabile, isolante elettricamente, buone proprietà termiche; scarsa robustezza meccanica e alle fratture; soft-bonding utilizza vetri al piombo-zinco-borato (<420°C)
Leghe metalliche: piombo-stagno con aggiunte di indio e argento per migliorare resistenza meccanica
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MEMS post-packaging
Sealing ottenuto direttamente sul wafer, prima del dicing: minimizzare i rischi di contaminazione ed inclusione di corpi estranei in cavità
Integrated MEMS encapsulation: processo superficiale per creare una capsula su ciascuna microstruttura sul wafer
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MEMS post-packaging by global heating
PSG (phosphorous-doped glass) depositato (thick and thin) e definito tramite wet etching (buffered HF); low stress silicon nitride microshell, con plasma etched holes; concentrated HF etching of PSG; CO2 drying; LPCVD low stress nitride deposition for sealing
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MEMS post-packaging by localized heating
Avoid heating of the whole wafer by means of integrated microheaters
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Wafer-bonding
Incapsulamento ottenuto tramite adesione di due wafer interi tramite preparazione opportuna delle superfici
Elemento necessario polishing superficiale Anodic bonding : temperature medie (<450°C),
altamente sensibile alla rugosità superficiale, ermetico, altissimi campi elettrici (proteggere circuiteria CMOS)
O-O- O-
O-O-O-O-O-
O-O-O- O-O-O-
O-O-O-O-O-O-
glass
silicon
Campo elettrico spinge ioni ossigeno alla superficie di interfaccia, dove ossidano il Silicio “incollando” i due materiali
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Integrazione MEMS-CMOS
1. System-on-package: diversi substrati per microsistemi ed elettronica, combinati in fase di assemblaggio tramite chip-bonding o flip-chip
2. System-on-chip: stesso substrato per elettronica e MEMS, con problemi di compatibilità di processi Pre-CMOS: fabbricazione MEMS precede la
microelettronica (problemi di contaminazioni?) Post-CMOS: MEMS tramite post-processing del
wafer CMOS compiuto (compatibilità termica metallizzazioni?)
Processo unificato: sviluppo di un processo ad-hoc comprendente sia microelettronica che MEMS (application specific, poco conveniente…)
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Esempio di processo Post-CMOS maskless
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Esempio di pre-CMOS fabrication
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Esempio di system on chip
Oscillatore integrato basato su risonatore MEMS
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Esempio di system-on-package
Soluzione necessaria dove i processi microelettronico e MEMS non sono compatibili
Flip-chip sostituisce il bonding per migliorare miniaturizzazione, ridurre parassiti (applicazioni RF)
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Caratterizzazione meccanica dei materiali
I processi di microelettronica tipicamente non si preoccupano della caratterizzazione meccanica “macroscopica” dei materiali utilizzati, bensì solo di quella “microscopica” (conformazione cristrallina, presenza di fratture o difetti, …)
Occorre affinare processi di caratterizzazione di grandezze meccaniche quali modulo di Young (E, elasticità), coefficiente di Poisson (), stress residui interni (tensionale o compressivo?), densità, fratture…
Inoltre la dipendenza di questi parametri va studiata rispetto umidità, temperatura, invecchiamento, …
AFFIDABILITA’…
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Strutture di caratterizzazione
Caratterizzazione preliminare: la tecnologia viene studiata preventivamente per ottenere i valori di parametri necessari per il progetto
Monitoraggio del processo: si inseriscono all’interno del layout di design strutture opportunamente studiate per verificare alcune delle quantità specifiche dei film sottili (stress residui, spessori, deviazioni litografiche…)
Beam stubs Parametric Monitors:
strutture progettate esclusivamente a scopo di test e non parte di una funzione pre-esistente di sistema
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Caratteristiche di elasticità (E + )
Strutture elementari tipo cantilever o film sottili, di cui si studiano le deformazioni o le frequenze naturali di vibrazione
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Stress residui interni al materiale ()
Fondamentali per la predizione del comportamento elastico statico e dinamico di strutture a più gradi di libertà; sono compressivi o tensili
Derivano dai processi di deposizione dei film sottili di materiale, comparendo spesso con gradienti verticali
Stress compressivi sono tipicamente inaccettabili a causa di deformazioni di strutture a due o più vincoli
Waferbow: piegamento del wafer (poco accurato)
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Stress residui interni al materiale ()
Piegamento di ponticelli ancorati (stress compressivo)
Strutture ad-hoc di caratterizzazione (Guckel-rings, gauges) per stress sia compressivo che tensionale
2
22
3L
Ehb
2
22
12 RRg
Ehb
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Stress residui interni al materiale ()
Strutture “ad ago” con effetto leva per amplificare la deformazione
No stressStress TensileStress Compressivo