Verkapselte CMOS-kompatible mikromechanische Hochfrequenz-Resonatoren in SOI
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des Projektes wurden vakuumverpackte (< 10^ Pa) 166,7 MHz MEMS-Resonatoren mit einem Q-Faktor von bis zu 20.000, eingebunden in eine Standardfertigung für integrierte Schaltkreise bei Philips Semiconductors bzw. NXP, Hamburg, hergestellt und vermessen. Zum Nachweis dieses Integrationsprinzps wurden die Resonatoren in einen BiCMOS-Prozess integriert, der über NPN Bipolar Transistoren mit einer Grenzfrequenz von 3 GHz, mit einer maximalen Betriebsspannung von 20 V (Normalbetrieb 12 V) verfügt, sowie einen Hochvolttransistor (LDMOS und VDMOS mit einer Betriebsspannung bis zu 40 V. Es konnte gezeigt werden, dass die Integration der MEMS-Resonatoren keinen signifikanten Einfluss auf die elektrischen Eigenschaften der in dem BiCMOS Prozess vorhandenen Bauelemente hat. Zur Durchführung dieses Vorhabens wurden zunächst die MEMS-Resonatoren durch numerische Simulationen dimensioniert und dann mit Hilfe kommerzieller Schaltungslayout-und Prozesssimulations-Verfahren die Geometrie, Technologieauswahl und Prozessablauf festgelegt. Insbesondere wurde ein Fertigungsprozess für die MEMS-Resonatoren entwickelt, mit dem es möglich ist, sie aus kristallinem Silizium, vakuumverpackt in einem BICMOS Prozess zu integrieren, ohne dass die elektrischen Eigenschaften der Bauelemente verändert werden. In dem Prozess werden die MEMS-Strukturen am Anfang des BiCMOS-Fertigungsprozesses vorgefertigt, sodass das zusätzliche Temperaturbudget der Prozessschritte keinen Einfluss auf die kritischen Dotierungen hat. Die MEMS-Resonatoren selbst nehmen während der BICMOS Fertigung keinen Schaden, da sie erst nach Abschluss des Fertigungsprozesses von der Rückseite des Wafers, freigeätzt werden. Der Prozess zeichnet sich dadurch aus, dass er im Front-End-of-Line nur Prozesse nutzt, die in einer Halbleiterfertigung üblich sind. Durch die für solche Strukturen genutzte Spacertechnologie lassen sich Elektroden mit Resonatorabständen von weniger als 100 nm herstellen, ohne dass der Prozess bei der Lithographie diese hohe Auflösung erfordert. Vielmehr werden nur die Auflösung einer minimalen Linienbreite von 1,2 pm und eine Justagegenauigkeit von 500nm benötigt, womit dieser Prozess auch für ältere Fertigungslinien integrierbar und damit ökonomisch und kurzfristig umsetzbar ist. Außerdem werden ausschließlich Schichten mit Schichtdicken deponiert, wie sie in der IC-Fertigung üblich sind, sodass am Ende der MEMS-Vorfertigung keine Topographie entsteht, die die Lithographie bei den späteren Prozessschritten erschweren könnte. Das Freiätzen der Strukturen erfolgt, nachdem der fertig prozessierte Wafer die IC-Fertigung verlassen hat. Dazu wird der Wafer mit der Vorderseite auf einen Glaswafer geklebt und von der Rückseite soweit gedünnt (ca 20 pm verbleibendes Silizium) bis die Ätzlöcher, die während der MEMS-Fertigung in den Wafer geätzt wurden sichtbar werden. Im Anschluss werden die mechanischen Strukturen freigeätzt (Flusssäure und kritisches Punkttrocknen) und die Ätzlöcher bei niedrigem Druck im Sputterprozess verschlossen, ähnlich wie bei der Rückseiten-Metallisierung von Hochvolttransistoren. Im letzten Schritt werden die Bondpads von der Rückseite freigeätzt werden. Mit der Entwicklung dieses Prozesses wurde komplettes technologisches Neuland betreten, da es die neuartige Substrattransfertechnologie, Standard-Prozess aus der IC Fertigung, mit den notwendigen Schritten zur MEMS-Fertigung auf eine neue und innovative Art kombiniert.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- „Encapsulation of a resonating structure using
substrate transfer and thin film processes" Proceedings of the SAFE 2005, p 83, November 17-
18, 2005 , Veldhoven, The Netherlands
M. Dümling, J. Müller, R. Dekker, H. Pohlmann
- "Properties of PECVD-Oxide Sealing layers in Vacuum
Packages Utilizing Substrate Transfer" 191-196 4th European microelectronics and packaging
symposium, Mai 21-24 2006 Terme Catez Slovenia
M. Dümling, A. Harke, J. Müller, R. Dekker
- „ A RF-Resonator packaged in vacuum using
substrate transfer and thin film processes" Proceedings of the SAFE 2007, p 577-580, November
29-30 2007, Veldhoven, The Netherlands
M. Dümling, J. Müller, R. Dekker, H. Pohlmann
