Design, Fabrication and Characterisation of RF-MEMS

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Design, Fabrication and Characterisation of
RF-MEMS

• Roberto Gaddi
• Email rgaddi_at_arces.unibo.it

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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 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
• Bulk micromachining rimozione di parti del
  substrato semiconduttore per la creazione di
  strutture a più gradi di libertà meccanici
• Surface micromachining strati di materiale
  superficiale vengono depositati, definiti tramite
  litografia e rimossi senza intaccare il materiale
  di substrato
• 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 lattacco 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

• Substrato in Silicio con ossido di campo
  superficiale

• Layer conduttivo in Poly-Silicio litografia

• Dielettrico con definizione vias di contatto

• Metal (TiN-Al) litografia

• Dielettrico a bassa temperatura con definizione
  di vias

• Strato sacrificale (resist) evap. Oro
  litografia

• 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/etchin
  g, 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 lesterno (sensori di
  pressione, fluidica, BioMEMS, )
• Lintegrazione 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
  lingresso di umidità ed altri contaminanti
  allinterno 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 allumidità
  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
  (lt420C)
• 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
• Tecniche possibili

Direct bonding Fusion bonding
Anodic bonding
Bulk glass
Thin films
UHV-bondcovalent
HydrophilicH-bonds
HydrophobicVdW-bonds
Plasma
Thermal
Chemicals
Chemicals
Ar beam
Plasma
Plasma
UV ozone
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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 (lt450C),
  altamente sensibile alla rugosità superficiale,
  ermetico, altissimi campi elettrici (proteggere
  circuiteria CMOS)

Campo elettrico spinge ioni ossigeno alla
superficie di interfaccia, dove ossidano il
Silicio incollando i due materiali
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Integrazione MEMS-CMOS

• System-on-package diversi substrati per
  microsistemi ed elettronica, combinati in fase di
  assemblaggio tramite chip-bonding o flip-chip
• 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 (u), 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
  allinterno del layout di design strutture
  opportunamente studiate per verificare alcune
  delle quantità specifiche dei film sottili
  (stress residui, spessori, deviazioni
  litografiche)

• 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 u)

• 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 (s)

• 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 (s)

• Piegamento di ponticelli ancorati (stress
  compressivo)

• Strutture ad-hoc di caratterizzazione
  (Guckel-rings, gauges) per stress sia compressivo
  che tensionale

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Stress residui interni al materiale (s)

• Strutture ad ago con effetto leva per
  amplificare la deformazione