Hoe wordt een MEMS-structuur gefabriceerd en welke uitdagingen komen daarbij kijken?

In de conventionele chemische reiniging wordt een laag van 500 Å siliciumoxide op het waferoppervlak gegroeid, die fungeert als bufferlaag voor de daaropvolgende RF-circuits die op het oppervlak worden aangebracht. Aluminium (1 μm) wordt vervolgens op de voorzijde van de wafer gesputterd en gepatroniseerd om metalen antenneplekken met een voednetwerk te realiseren. Daarna wordt een dikke passivatielaag of beschermende laag op de voorzijde aangebracht, gevolgd door het dunner maken van de wafer tot 440 μm met een KOH-oplossing. Deze dunne wafer wordt aan de achterzijde gepatroniseerd en geëtst in KOH-oplossing om holtes te vormen met een membraandikte van 50 ± 10 μm onder de antenneplekken. Ten slotte wordt de passivatielaag aan de voorzijde verwijderd in een geschikte oplossing. De top- en onderaanzichten van het gemaakte micromachined prototype van de antenne-array zijn weergegeven in figuur 4.13.

De fabricage van microstructuren speelt een cruciale rol in het realiseren van dergelijke antenne-architecturen. Het proces kan eenvoudig worden beschreven aan de hand van de vele fasen die de wafer doorloopt, van het sputteren van de materialen tot het etsen van de laagjes en het creëren van de gewenste holtes onder de antenneplekken. De precisie van dit proces is van vitaal belang voor het verkrijgen van een optimale prestatie van de uiteindelijke antenne-array.

Een ander belangrijk aspect van microfabricage komt naar voren in de productie van MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems)-structuren, bijvoorbeeld bij de realisatie van cantilevers. De fabricage begint vaak met het aanbrengen van een dikke laag siliciumoxide, gevolgd door het aanbrengen van een fotoresist die wordt belicht om het etsingebied te definiëren. Ongewenste oxide wordt geëtst, waarna een caviteitsstructuur ontstaat door anisotropisch etsen van de siliciumwafer. Dit type proces maakt het mogelijk om microstructuren te vervaardigen die met traditionele technieken moeilijk te bereiken zijn. Het gebruik van polysilicium, siliciumdioxide, polyimide, aluminium en silicium nitride maakt het mogelijk om een verscheidenheid aan cantileverstructuren te produceren. De microstructuur wordt bereikt door de techniek van deponeer- en etstechnieken, wat resulteert in verschillende structurele lagen.

Het gebruik van droge technieken, zoals deep reactive ion etching (DRIE), zorgt voor anisotropisch etsen, wat essentieel is voor het verkrijgen van de gewenste precisie en afmetingen van de microstructuren. Dit is een van de belangrijkste processen in MEMS-fabricage. De specifieke stappen voor MEMS-fabricage kunnen worden onderverdeeld in verschillende fasen, zoals het afzetten van dunne films, etsen (droog of nat), ionimplantatie, en uiteindelijk het testen en inpakken van de structuren.

In MEMS-technologie spelen vier hoofdprocessen een cruciale rol: wafer bonding, bulk micromachining, surface micromachining en elektroplating. Deze processen maken het mogelijk om vrije structuren te realiseren, wat bijna onmogelijk is met standaard microfabricagetechnieken. Door gebruik te maken van deze technieken kunnen diverse toepassingen in de sensortechnologie, zoals piezo-elektrische sensoren, worden gerealiseerd. Het etsen en fabriceren van dergelijke sensoren vereist een zorgvuldige afstemming van de materialen, etstechnieken en meetapparatuur om de benodigde nauwkeurigheid te waarborgen.

In de MEMS-fabricage speelt de keuze van het materiaal een fundamentele rol. Verschillende materialen kunnen verschillende eigenschappen bieden, zoals geleidbaarheid, sterkte of flexibiliteit, die essentieel zijn voor het functioneren van de componenten. Bovendien is het belangrijk dat de materiaaleigenschappen goed worden begrepen in de context van de temperatuur en de mechanische belasting waaraan de structuren worden blootgesteld. Het succes van MEMS-technologie hangt vaak af van de fijnmazige controle over de fabricageprocessen en de afstemming van de gebruikte materialen.

Wat zijn de effecten van temperatuur, vochtigheid en andere factoren op de kwaliteit van dunne films?

De kwaliteit van dunne films is sterk afhankelijk van diverse externe en interne factoren die de structuureigenschappen beïnvloeden. Dit hoofdstuk onderzoekt enkele van de belangrijkste invloeden op dunne films, zoals de temperatuur van het substraat, de impact van vochtigheid, de spanningen die ontstaan tijdens de depositie en de thermische verwerking van de films.

De temperatuur van het substraat speelt een cruciale rol bij de opbouw van dunne films. Experimenten hebben aangetoond dat de spanning in de dunne film verandert met de temperatuurinstellingen en de duur van de veroudering (annealing). De relatie tussen de spanningen in dunne films en de substraten waarop ze worden gedeponeerd, is complex en afhankelijk van de procesparameters. Bij een hogere temperatuur kunnen de atomen in de film beter reorganiseren, wat kan leiden tot een lagere inwendige spanning en een verbeterde filmstructuur.

Verder is de aanwezigheid van vocht een andere belangrijke factor die de kwaliteit van de dunne film beïnvloedt. Het effect van relatieve luchtvochtigheid op dunne films is vastgesteld door middel van Fourier-transformaties van infraroodspectroscopie (FTIR). Dit onderzoek heeft specifieke pieken in het spectrogram aangetoond die veranderen afhankelijk van de elektonegativiteit van de verbindingen in de film, waarbij de dipool-dipool interacties leiden tot plotselinge veranderingen in het spectrumsignaal. Deze veranderingen zijn indicatief voor de invloed van waterdamp op de bindingen in de dunne film.

Een ander belangrijk aspect dat wordt besproken in de context van dunne films is de dissipatiefactor (DF) of verlies-tangens, een maat voor de kwaliteit van de film. Films met een lage DF zijn gewenst voor toepassingen die een lage diëlektrische verliesvereiste hebben, zoals in akoestische sensoren of capacitatieve sensoren. De dissipatiefactor is een directe indicator van de interne verliezen die optreden wanneer een elektrische veld in de film wordt aangelegd. Een lage DF wijst op een goed gemaakte film die geschikt is voor gebruik in gevoelige elektronische toepassingen.

In het geval van piezo-elektrische dunne films, zoals zinkoxide (ZnO), zijn de eigenschappen van de film onderhevig aan de combinatie van depositiecondities, de keuze van het substraat en de na-depositie behandelingen, zoals annealing. Het effect van deze behandelingen op de structuur en eigenschappen van de dunne film wordt nauwkeurig geanalyseerd, omdat deze behandelingen de mechanische en elektrische prestaties kunnen verbeteren. Het doel is altijd om een film te verkrijgen die geen of minimale spanningen vertoont, zodat de film betrouwbaar blijft in toepassingen zoals MEMS-sensoren, akoestische sensoren, en andere micro-elektronische apparaten.

Wat is het belang van de anodische hechtingsmethode in micro-technologie?

Anodische hechting is een veelgebruikte methode voor het verbinden van materialen in de microtechnologie, met name voor het afdichten van glas op silicium of metaal. Het proces maakt gebruik van een elektrisch veld om de hechting te realiseren zonder dat er een tussenlaag nodig is, en het wordt vaak aangeduid als elektrostatische hechting. Deze techniek wordt in verschillende toepassingen gebruikt, van elektronica tot micro-fluidica, en vereist extreem schone oppervlakken van de betrokken materialen. De keuze voor anodische hechting wordt vaak bepaald door de behoefte om glassubstraten met een laag natriumgehalte te verbinden, wat zorgt voor een effectieve hechting bij temperaturen van 250–450 °C. Het succes van deze hechting hangt af van verschillende factoren, zoals de thermische uitzettingscoëfficiënt (CTE) van het gebruikte glas, de oppervlakteruwheid en de mate van vervuiling.

De stap-voor-stap procedure voor anodische hechting is als volgt: eerst worden de substraten in contact gebracht, waarna het substraat wordt verhit. Tijdens de verhitfase wordt een elektrisch veld aangelegd om de hechting te bevorderen. Na het aanbrengen van de hechting volgt een koelfase om het proces af te ronden en de hechting te stabiliseren. De belangrijkste variabelen die het proces beïnvloeden zijn de hechtspanning, de temperatuur en de stroombeperkingen. De verschillende procesparameters hebben een aanzienlijke invloed op de uiteindelijke hechtingssterkte en de kwaliteit van de verbinding.

Het proces wordt gekarakteriseerd door de vorming van een 'depletiezone' die ontstaat door de beweging van natriumionen (Na+) in het glas. Dit zorgt voor een verandering in de elektrische eigenschappen van het materiaal, wat essentieel is voor de hechting. Het is belangrijk op te merken dat de snelheid van deze ionenbeweging sterk wordt beïnvloed door de temperatuur van het substraat en de toegepaste spanning. Dit proces vereist zorgvuldige controle van de omstandigheden, zoals het op de juiste temperatuur houden van de chuck (de houder die als anode fungeert) en het beperken van de hoeveelheid stroom die door het systeem vloeit.

De hechtingskracht die door anodische hechting wordt bereikt, is over het algemeen zeer sterk, vooral als het gaat om het verbinden van hydrofiele of hydrofobe siliciumoppervlakken. De ruwheid van het oppervlak moet echter onder de 10 nm liggen en er mogen geen vervuilingen aanwezig zijn. De mate van mismatch tussen de thermische uitzettingscoëfficiënten (TCE) van silicium en glas beïnvloedt ook de kwaliteit van de hechting. Bij grotere verschillen in de TCE-waarden is een langere koeltijd vereist om te zorgen voor een sterke hechting zonder schade aan de materialen.

Het is essentieel dat de gekozen elektrodematerialen tijdens het proces geen ongewenste verontreinigingen veroorzaken, aangezien dit de kwaliteit van de hechting kan verslechteren. Het gebruik van eenzelfde chuck voor meerdere hechtingen wordt over het algemeen vermeden om de procesopbrengst te verbeteren. Het gebruik van materialen zoals Pyrex glas, dat rijk is aan natrium (Na), speelt een belangrijke rol in de effectiviteit van het proces. Chemisch gezien kan de interactie tussen natriumionen en andere moleculen in het materiaal als volgt worden weergegeven:

De koeltijd na het hechtingsproces is een cruciaal aspect van het succes van anodische hechting. Het moet langzaam gebeuren, vooral in een omgeving met inert gas zoals stikstof (N2), om spanningen in de materialen te voorkomen. Een aanzienlijke mismatch in de thermische uitzettingscoëfficiënten van silicium en glas kan leiden tot langdurige koeltijden, die essentieel zijn voor het bereiken van een sterke en betrouwbare hechting.

Hoe beïnvloedt delidding de herverzegelbaarheid en betrouwbaarheid van micro-elektronische verpakkingen?

Bij het verwijderen van het deksel van een micro-elektronisch pakket – het zogenaamde delidding – ontstaat er een kritische stap in het afdichten van het systeem. Wanneer de zaagsnede langs de rand van het pakket te diep is, wordt een deel van de afdichtflens weggefreest. Dit resulteert in een hoogteverschil tussen het oorspronkelijke afdichtvlak en het bewerkte oppervlak. Als de snedes langs twee aangrenzende zijden van het pakket niet identiek zijn uitgevoerd, ontstaat er een onregelmatige trap op de kruising van de sneden. Een te hoge trap veroorzaakt meerdere complicaties bij het opnieuw afdichten. De las-elektroden proberen het deksel over deze onregelmatigheid heen te vervormen, wat leidt tot buigspanningen en potentieel tot scheurvorming. Bovendien wordt de verdeling van de lasenergie verstoord wanneer de elektrode tegelijkertijd contact maakt met zowel de rand van de afdichtflens als de rand van de trap. Dit creëert twee marginale laszones die waarschijnlijk zullen lekken.

De benadering waarbij de onderkant van het pakket als referentievlak wordt gebruikt, vergt nauwkeurige drukverdeling tijdens het klemmen. Zowel de boven- als onderzijde van het pakket hebben toleranties op vlakheid, en zijn niet noodzakelijk parallel. De klemkracht moet voldoende zijn om het pakket stevig vast te houden in de referentiehoek tijdens elke bewerkingscyclus, zonder het te vervormen. Overmatige kracht leidt tot vervorming van de behuizing, beschadiging van glas-metaal afdichtingen en variaties in traphoogte, wat de kans op lekkage verhoogt bij herverzegeling.

Tijdens het delidden wordt het pakket ondersteboven geplaatst, zodat losgekomen deeltjes op het deksel terechtkomen in plaats van op de chip. Een vacuümsysteem, vrijwel gelijkliggend met het zaagblad, verwijdert deeltjes onmiddellijk bij ontstaan. Een teflonvel van 5 tot 10 mil dik absorbeert toleranties in vlakheid tussen boven- en onderkant van het pakket. Deze laag voorkomt tevens lokale drukpieken. De druk moet bovendien laag genoeg blijven om herhaald vastklemmen mogelijk te maken, aangezien meerdere snijgangen vereist zijn.

Een geleidelijke verhoging van de tafelsnelheid tijdens het frezen is essentieel. Starten met een te hoge snelheid leidt tot overbelasting van het zaagblad, met trillingen en ruwe snedes tot gevolg. Alleen een zorgvuldig geoptimaliseerde voedingssnelheid voorkomt vibraties, ruw oppervlak en schade aan het pakket. Bij alle parameters moet het snijproces zich beperken tot de laszone, zonder verder materiaal te verwijderen. Hierdoor wordt de integriteit van het pakket behouden en is herverzegeling betrouwbaar uitvoerbaar.

Na afloop van het delidding-proces is een grondige reiniging verplicht. Eventuele deeltjes of verontreinigingen die in het pakket terecht zijn gekomen tijdens het herwerkproces moeten verwijderd worden voor het nieuwe deksel gelast wordt. Voor het afdichten wordt exact dezelfde apparatuur en lasinstellingen gebruikt als tijdens het initiële afdichtproces, wat garandeert dat herverzegeling naadloos aansluit bij de standaard productiecyclus.

Vijf HMC-pakketten van 2 bij 2 inch werden gebruikt voor kwalificatie van het delidding- en herverzegelingsproces. Na visuele inspectie en herverzegeling werden deze onderworpen aan verscheidene milieutests: burn-in, temperatuurcycli, trillingsbelastingen, lekdetectie, thermische schokken, en vochtbestendigheidstests. In alle gevallen voldeden de monsters aan de eisen van MIL-STD-883, Class ‘S’, met 100% slaagkans, inclusief PIND-tests. De resultaten tonen aan dat delidding – mits correct uitgevoerd – geen nadelige invloed heeft op de betrouwbaarheid van het systeem en integendeel een kostenefficiënte methode biedt voor hergebruik van verpakkingen in de lucht- en ruimtevaarttoepassingen.

Het begrip van vlakheids- en parallelismetoleranties, samen met gecontroleerde snijparameters, is cruciaal. Het hele proces is afhankelijk van stabiliteit van het referentievlak en de integriteit van de afdichtflens. Elk foutje in snijdiepte of klemdruk leidt tot verhoogd risico op microscheuren, vervorming of lekkage. Tegelijkertijd impliceert de keuze van het referentievlak dat men altijd moet anticiperen op variaties in verpakkingstoestand, en moet corrigeren via het snijproces zelf.