Design, Fabrication and Characterisation of RF-MEMS Roberto Gaddi Email: rgaddi@arces.unibo.it

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

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.

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…

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

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

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

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

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 via’s di contatto Metal (TiN-Al) + litografia Dielettrico a bassa temperatura con definizione di via’s Strato sacrificale (resist) + evap. Oro + litografia Attacco selettivo sacrificale e rilascio struttura

Process inspection (at ITC-irst labs) Released devices show no major fabrication issues, e.g. stress gradient deformations or partial releases

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

Optical profilometer measurements The gold membrane profile can be monitored The removal of the bridge shows the electrodes’ topology

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…

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”

Processo di fabbricazione LIGA

Esempio di struttura LIGA Ottenimento di alti fattori di forma e pareti ripide

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

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

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

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

MEMS post-packaging by localized heating Avoid heating of the whole wafer by means of integrated microheaters

Hydrophobic VdW-bonds 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-bond covalent Hydrophilic H-bonds Hydrophobic VdW-bonds Plasma Thermal Chemicals Chemicals Ar beam Plasma Plasma UV ozone

Elemento necessario polishing superficiale 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) glass silicon Campo elettrico spinge ioni ossigeno alla superficie di interfaccia, dove ossidano il Silicio “incollando” i due materiali

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…)

Esempio di processo Post-CMOS maskless

Esempio di pre-CMOS fabrication

Esempio di system on chip Oscillatore integrato basato su risonatore MEMS

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)

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’…

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

Caratteristiche di elasticità (E + u) Strutture elementari tipo cantilever o film sottili, di cui si studiano le deformazioni o le frequenze naturali di vibrazione

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)

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

Stress residui interni al materiale (s) Strutture “ad ago” con effetto leva per amplificare la deformazione Stress Tensile Stress Compressivo No stress