Тонкоплёночная технология корпусирования микроэлектромеханических систем на основе каркасной структуры

Современные МЭМС – это устройства, объединяющие в себе микроэлектронные компоненты и микромеханические структуры на одном чипе. Процесс корпусирования является обязательным этапом изготовления МЭМС устройств, который обеспечивает механическую защиту, герметичное уплотнение, передачу электроэнергии и сигналов. Целью данной работы являлась разработка способа корпусирования МЭМС, который входит в единый технологический процесс изготовления устройства. Разработка такого метода корпусирования осуществлена на примере СВЧ МЭМС ключа. Схема технологического процесса изготовления СВЧ МЭМС ключа включает в себя традиционные процессы технологии арсенид-галлиевых интегральных схем, такие как оптическая литография, жидкостное травление, электронно-лучевое и магнетронное осаждение металлических, резистивных и диэлектрических пленок. В работе представлена новая межпластинчатая упаковка МЭМС на основе каркасной конструкции с пассивирующей плёнкой. Основная задача каркасного слоя корпуса – обеспечение механической поддержки вышележащему слою герметизирующего материала. Каркасный слой должен обладать структурой, позволяющей беспрепятственно удалять жертвенный слой фоторезиста, и быть непроницаемым для герметизирующего материала. Для выполнения этих требований использована металлическая пространственная рама, выполненная на основе тонкой плёнки меди, полученной методом гальванического осаждения. Каркасная конструкция имеет форму геодезического купола, состоящего из сложной сети треугольных ячеек, расположенных рядами. Соединённые треугольники создают самоподдерживающийся структурно прочный каркас. Результаты измерений и моделирования показали, что круглая рамочная конструкция является более жёсткой, чем квадратная рамная конструкция с таким же максимальным размером ячейки. Напряженно-деформированное состояние круглой рамной конструкции существенно изменяется в зависимости от количества рядов треугольных ячеек каркасной конструкции. Кроме механической поддержки ячеистая структура каркаса при соответствующем подборе размера ячейки, вязкости растворителя и герметизирующего слоя позволяет беспрепятственно проникать растворителю (N-метилпирролидон) и удалять жертвенные слои фоторезиста ma-P1225. При этом структура данного слоя непроницаема для герметизирующего материала (бизбензоциклобутена). Предложенная упаковка МЭМС ключа позволяет серийно производить интегральные схемы GaAs, в едином технологическом процессе, что расширяет их частотный диапазон. Предлагаемая новая технология упаковки на уровне пластины полностью совместима с технологией производства МЭМС без использования специальных материалов и оборудования, что позволяет снизить габариты и стоимость МЭМС.

1. Xia D, Yu C, Kong L. The Development of Micromachined Gyroscope Structure and Circuitry Technology. Sensors.2014;14(1):1394-1473. DOI: 10.3390/s140101394

2. Xie H, Fedder GK. Fabrication, Characterization, and Analysis of a DRIE CMOS-MEMS Gyroscope. IEEE Sensors Journal. 2003;3(5):622-631. DOI: 10.1109/JSEN.2003.817901

3. Olsson RH, Bogart GR, Baker MS, Carr DW, Swiler TP, Clews PJ, Krishnamoorthya U. In-plane MEMS-based nano-g accelerometer with sub-wavelength optical resonant sensor. Sensors and Actuators A: Physical. 2008:283-290 pp. DOI: 10.1016/j.sna.2008.03.017

4. Samuelson SR, Xie HA. Large Piston Displacement MEMS Mirror with Electrothermal Ladder Actuator Arrays for Ultra-Low Tilt Applications. Journal of Microelectromechanical Systems. 2014;23(1):39-49. DOI: 10.1109/JMEMS.2013.2290994

5. Zhang H, Huang J, Yuan W, Chang HA. HighSensitivity Micromechanical Electrometer Based on Mode Localization of Two Degree-of-Freedom Weakly Coupled Resonators. Journal of Microelectromechanical Systems. 2016;25(5):937-946. DOI: 10.1109/JMEMS.2016.2598780

6. Pillai G, Zope AA, Tsai JM, Li S. Design and Optimization of SHF Composite FBAR Resonators. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency. 2017;64(12):1864-1873. DOI: 10.1109/tuffc.2017.2759811

7. Li SS, Lin YW, Xie Y, Ren Z, Nguyen CT. Micromechanical hollow-disk ring resonators. Proceedings of the IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems. 2004:821-824 pp. DOI: 10.1109/MEMS.2004.1290711

8. Lee J E-Y, Yan J, Seshia AA. Study of lateral mode SOI-MEMS resonators for reduced anchor loss. Journal of Microelectromechanical Systems. 2011;21(4):1-10. DOI: 10.1088/0960-1317/21/4/045010

9. Lawes LA. Manufacturing costs for microsystems/ MEMS using high aspect ratio microfabrication techniques. Microsystem Technologies. 2006;13(1):85-95. DOI: 10.1007/s00542-006-0252-6

10. Beeby S, Ensel G, Kraft M, White N. MEMS Mechanical Sensors. 2004, Publisher: Artech House, Boston, London, 269 p.

11. Tilli M, Motooka T, Airaksinen V, Franssila S, Paulasto-Kröckel M, Lindroos V. Handbook of Silicon Based MEMS Materials and Technologies. 2015, Edition: 2nd, Publisher: Elsevier, 800 p.

12. Zhang M,Yang J, He Y, Yang F, Yang F, Han G, Ning J. Research on a 3D Encapsulation Technique for Capacitive MEMS Sensors Based on Through Silicon Via. Sensors. 2019;19(1):93. DOI: 10.3390/s19010093

13. Xu P, Si C, He Y, Wei Z, Jia L, Han G, Ning J, Yang F. A Novel High-Q Dual-Mass MEMS Tuning Fork Gyroscope Based on 3D Wafer-Level Packaging. Sensors. 2021;21(19). DOI: 10.3390/s21196428

14. Torunbalci MM, Gavcar HD, Yesil F, Alper SE, Akin T. An all-silicon process platform for wafer-level vacuum packaged MEMS devices. IEEE Sensors Journal. 2021;21(13). DOI: 10.1109/JSEN.2021.3073928

15. Moriyama M, Suzuki Y, Kumano M, Totsu K, Hirano H, Tanaka S. Metal-bonding-based hermetic wafer-level MEMS packaging technology using in-plane feedthrough: Hermeticity and high frequency characteristics of thick gold film feed-through. IEEJ Transactions on Sensors and Micromachines. 2019;38(10). DOI: 10.1541/ieejsmas.138.485

16. Nesterenko TG, Barbin ES, Koleda AN, Baranov PF, Tanaka S, Tsukamoto TA. Novel multiple-axis MEMS gyro-scope-accelerometer with decoupling frames. Sensor Review. 2019;39(5):670-681. DOI: 10.1108/SR-05-2018-0133

17. Temel O, Kalay YE, Akin T. Wafer-Level LowTemperature Solid-Liquid Inter-Diffusion Bonding With Thin Au-Sn Layers for MEMS Encapsulation. Journal of microelectromechanical systems. 2021;30(1):64-71. DOI: 10.1109/JMEMS.2020.3040039

18. Farisi MS Al, Hirano H, Tanaka S. Low-temperature hermetic thermo-compression bonding using electroplated copper sealing frame planarized by fly-cutting for wafer-level MEMS packaging. Sensors and Actuators A: Physical. 2018;279:671-679. DOI: 10.1016/j.sna.2018.06.021

19. Zhang Q, Cicek P-V, Nabki F, El-Gamal M. Thin-film encapsulation technology for above-IC MEMS wafer-level packaging. Journal of micromechanics and microengineering. 2013;23(12):1-10. DOI: 10.1088/0960-1317/23/12/125012

20. He R, Kim C-J. On-Wafer monolithic encapsulation by surface micromachining with porous polysilicon shell. Journal of Micromechanical Systems. 2007;16(2):462-472. DOI: 10.1109/jmems.2007.892797

21. Verheijden GJAM, Koops GEJ, Phan KL, JTM van Beek. Wafer-level encapsulation technology for MEMS devices using an HF permeable PECVD SIOC capping laye. IEEE 21st International Conference on Micro Electro mechanical systems. 2008:798-801 p. DOI: 10.1109/MEMSYS.2008.4443777

22. Lee BK, Choi DH. Use of nanoporous columnar thin film in the wafer-level packaging of MEMS devices. Journal of Micro-mechanics and Microengineering. 2010;(20):20-29. DOI: 10.1088/0960-1317/20/4/045002

23. Rajaraman V, Pakula LS, Pham HTM, Sarro PM, French PJ. Robust wafer-level thin-film encapsulation of micro-structures using low stress PECVD silicon carbide. IEEE 22nd International Conference on Micro Electro mechanical systems. 2009:140-143 p. DOI: 10.1109/MEMSYS.2009.4805338

24. Candler RN, Park Woo-Tae, Li Huimou, Yama G, Partridge A, Lutz M, Kenny TW. Single wafer encapsulation of MEMS devices. IEEE Transactions on Advanced Packaging. 2003;26(3):227-232. DOI: 10.1109/TADVP.2003.818062

25. Ng EJ, Lee HK, Ahn CH, Melamud R, Kenny TW. Stability of silicon microelectromechanical systems resonant thermometers. IEEE Sensors Journal. 2013;13(3):987-993. DOI: 10.1109/JSEN.2012.2227708

26. Yang Y, Ng EJ, Chen Y, Flader IB, Kenny TW, Hong VA. A Unified Epi-Seal Process for Fabrication of High-Stability Microelectromechanical Devices. Journal of Microelectromechanical Systems. 2016;25(3):489-497. DOI: 10.1109/JMEMS.2016.2537829

27. International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS). Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) Summary. Available online: https://www.semiconductors.org/wp-content/uploads/2018/08/2013MEMS.pdf (accessed on 10 April 2022).

28. Qu H. CMOS MEMS Fabrication Technologies and Devices. Micromachines. 2016;7(1):14. DOI: 10.3390/mi7010014

29. Geodesic Domes and Space-Frame Structures, Available online: https://www.thoughtco.com/what-is-a-geodesic-dome-177713 (accessed on 10 may 2022).