komponent

MEMS er et akronym for Micro-ElectroMechanical Systems, mendet har blitt vanlig å brukebegrepet om alle typer kompo-nenter og systemer som baserer segpå mikromaskinering, også nårhelt andre prinsipper for energi-omvandling enn det elektro-meka-niske benyttes. Andre betegnelserpå det samme er mikrosystemermed tilhørende mikrosystem-teknologi. De siste 10-15 år harMEMS gjennomgått en rivende

utvikling og teknologisk modning.MEMS er tatt i bruk i en rekkeanvendelsesområder, som tele-kommunikasjon, bilindustri,medisin, bioteknologi, industri-produksjon, luftfart og astronomi.Fordelene ved å bruke MEMSvarierer fra en applikasjon til denneste, og inkluderer ny funksjo-nalitet, bedre ytelse, miniatyri-sering, masseproduksjon, lav pro-duksjonskost og bedre integra-sjonsmuligheter med elektronikk.Kommersielle komponenter forRF- (Radio Frequency) og mikro-bølge-/millimeterbølge-systemerhar imidlertid latt vente på seg;

først i løpet av 2003/2004 harkommersielle RF MEMS svitsjersett dagens lys. RF MEMS åpnerfor helt andre dimensjoner når detgjelder elektromagnetiske egen-skaper til RF-, mikrobølge- ogmillimeterbølgekretser.

FoU-miljøet ved SINTEF IKTfølger RF MEMS utviklingen tett,bl.a. gjennom et fireåring prosjektstøttet av NFR og norske industri-aktører. Prosjektet har tittelen«Integrert rekonfigurerbar radiofront-end teknologi», og involvererSINTEFs mikrobølge- og MEMS-miljøer. SINTEFs nybygg iGaustadbekkdalen i Oslo,

MiNaLab, inneholder detypperste av MEMS prosesserings-utstyr og vil benyttes i prosjektettil å utvikle RF MEMS kompo-nenter som gjør det mulig for

RF MEMS – Neste generasjons teknologi for elektroniske systemer

Prosessering og pakking

Av Anton M. Bøifot, Geir Uri Jensen og Ulrik HankeSINTEF IKT

Framstilling av MEMS benytter seg av de velkjente og modne teknologiene som brukes imikroelektronikkindustrien, med tillegg av spesialprosesser innen mikromaskinering. RFMEMS har potensial til å revolusjonere de elektromagnetiske egenskapene til høyfrekventeelektroniske kretser.

Vi starter nå opp enartikkelserie om RF MEMS.RF MEMS er komponentersom framstilles v.h.a.MEMS-teknologi ogbenyttes i frekvensom-rådene RF, mikrobølge ogmillimeterbølge. Først skalvi se på grunnleggendeteknologiske aspekter somprosessering og pakking.Deretter følger vi opp medartikler om design og fram-stilling av enkeltkompo-nenter og bruk av dem ikretser og systemer.

➔

Fox Electronics ASPostboks 67 Kjelsås

0411 OsloTel. 23 89 69 00

Fax. 22 18 17 01post@foxelectronics.nowww.foxelectronics.no

Ole Trudvang Torvald Hagen

Inge Thorsen Thomas Andersen

Knut Ole Råen

God Jul!

Vi takker våre forbindelser for den gode responsenvi har fått og gleder oss til videre felles fremgang.

EL0412 tirsdag 23/11 24.11.04 13:44 Side 31

komponent

32 E L E K T R O N I K K 1 2 · 2 0 0 4

www.mercur-reiser.no tlf. 38 12 33 80Tilb

ud ti

lElek

tronik

k’sle

sere

Charterturer fra Oslo direkte til CeBIT10.-12.mars, 12.-14.mars, 14.-16.mars

Påmeldingen foregår nå!På forespørsel gir vi også tilbud på gruppereiser ogspesialtilpassede program for små og store grupper. Kundearrangement, firmaturer, styremøter oglignende i forbindelse med CeBIT.

SINTEF og industrien å teste utnye RF MEMS-baserte system-konsepter.

MEMS-prosessene gjør detmulig å skape komplekse, tre-dimensjonale, mikroskopiskestrukturer som kombinerer meka-niske, elektroniske og andre funk-sjoner. Arbeidshesten i MEMS er

silisium, bl.a. p.g.a. dets utmerketeelektriske og mekaniske egen-skaper, og den omfattende erfar-ingen med silisium som materialeog med fabrikasjonsprosessene framikroelektronikken. Her vil vifokusere på silisium som substrat-materiale, men MEMS-kompo-nenter framstilles også i og på

materialer som glass, kvarts,metaller, polymerer, keramer ogandre halvledere som GaAs og SiC.

De vanligste metodene for mikro-maskinering er overflate mikro-maskinering, bulk mikromaski-nering og LIGA (LIthographie,Galvanoformung, Abformung).

Overflate mikromaskineringI overflate mikromaskineringbygges strukturer på overflaten av etsubstrat ved vekselvis å deponeretynne filmer av midlertidig mate-riale (såkalte «offerlag») og struktu-relle nyttelag. Deponeringen foregårbl.a. ved kjemisk gassfasedepo-nering, sputring, damping, elektro-plettering og groing. Etter depo-nering fjernes deler av struktureltlag og offerlag gjennom fotolito-grafisk mønstring og etsing. Denønskede strukturen blir ståendeigjen, delvis frittstående. Eventueltkan prosessen gjentas, opp til flereganger, for mer avanserte strukturer.De frittstående strukturene kanvære broer til f.eks. elektriskekrysningspunkt, utstikkere av ulikeslag til svitsjer og kondensatorer,

eller andre geometriske former,f.eks. spoler. Offerlaget er typisk etisolerende dielektrikum, somsilisiumdioksyd eller silisium-nitrid, men det kan også være etpolymer (fotoresist eller polyimid,f.eks.), eller et metall, som Cu.Strukturlaget er ofte polysilisium,men kan også være av metall,nitrid, oksyd o.a., eller flerlagskombinasjoner. Langt fra allematerialer kan brukes sammen,siden de må være prosessmessigkompatible. For mange RFMEMS komponenter er det ogsåsvært viktig at det innebygdestresset i det frittstående, aktivelaget er minimalisert eller i detminste nøye kontrollert. I tilleggmå selvsagt det aktive laget ha deønskete mekaniske egenskapergjennom hele komponentenslevetid.

MEMSCAP tilbyr i USA et settav prosesser som kan være enrimelig inngangsbillett til MEMSfor alle interesserte, under navnetMUMPs (Multi-User MEMSProcesses), mens franske Tronic’ser et europeisk alternativ.

Figur 1. Hovedprinsippet i en overflate mikromaskineringsprosess. Figuren illustrererdeponering av offerlag (oksyd) med etsing av hull for ankerpunkter, deponering ogmønstring av nyttemateriale (polysilisium), og etsing av offerlaget for å frigjørenyttestrukturen. Kilde: DARPA.

➔

EL0412 tirsdag 23/11 23.11.04 19:57 Side 32

E L E K T R O N I K K 1 2 · 2 0 0 4 33

komponent

Arrangörer: Stockholmsmässan i samarbete med IM-föreningen

• • och smarta lösningar • Inbyggda system och avancerad teknologi • Praktiska demonstrationer • Seminarier

• Optimal Produktion en levande produktionslina som fokuserar på kostnadseffektiv och rationell produktion

• Silicon Seminars och Silicon Square Träffa de stora halvledarföretagen, lyssna på deras seminarier!

• EDA Village – produkter och seminarier

de ledande leverantörerna av EDA-verktyg

• Wireless Expo – produkter och seminarier

avdelning för trådlös teknologi

• Embedded Technology Park – produkter och seminarier

avdelning för inbyggda system

• Test & Mät – produkter, seminarier och aktiviteter

här samlas de ledande leverantörerna

• Heta stolen utfrågning av branschens ledande företrädare, varje dag

Allt detta händer på mässgolvet!

An event byStockholmsmässan Stockholm International Fairs

Postal address: SE-125 80 Stockholm, Sweden Phone: +46 8 749 41 00 Fax: +46 8 749 61 79

E-mail: staff@stofair.se www.stockholmsmassan.se

www.elektronikmassan.comRegistrera dig redan nu på:

Det ger dig fri entré till mässan!

komponenter elektronikproduktion test & mät embedded … och mycket mer!

1-3 februari 2005Stockholmsmässan, Älvsjö, Stockholm

Nordens största Elektronikmässa!

Elektronik/EP i Stockholm – branschens viktigaste mötesplats!

Bulk mikromaskineringI bulk mikromaskinering fram-stilles strukturene hovedsakelig vedselektivt å fjerne betydelige delerav substratet. Det fjernes altsåmateriale i «bulken» av substratet, imotsetning til ved over-flatemaskinering, der det er depo-nerte lag som fjernes. De ulikeetseteknikkene kan grovt sett delesi to: tørretsing og våtetsing. Detfinnes en serie tørretseteknikker,hvorav reaktiv ione-ets (RIE) ermest kjent. Ved valg av etseteknikkmå det tas hensyn til teknikkensevne til å etse ut den ønsketeformen på en repeterbar måte, tilom selektiviteten i forhold tiletsemasken og andre eksponertematerialer er tilstrekkelig, m.m.

Den mest anvendte etsemetodenfor bulk mikromaskinering ervåtetsing. Her benyttes flytendeetsemidler sammen med passendeetsestopp-teknikker for å formesubstratet. Våtetsing i mikromaski-nering er vanligvis anisotrop, deretsehastigheten er sterkt avhengigav krystallretningen i materialet.Våte etseprosesser kan gjøresselektive ved å dope substratetmed egnede dopeatomer. Tørr-etsing v.h.a. RIE kan bl.a. gi veggersom står normalt på substrat-overflaten, noe som gir mulighetfor mindre komponenter og forandre strukturer enn våtetsene,som stopper mot gitte krystallplan.RIE-prosessene er mer tidkrevendeenn våtetseprosessene og derformer kostbare; dette har begrensetderes bruk i bulk maskinering.Nyere RIE fabrikasjonsutstyr harimidlertid oppnådd etsehastighetersom gjør at man kan etse tversgjennom hele substratet påakseptabel tid.

SensoNor i Horten, verdens-ledende på MEMS v.h.a. bulkmikromaskinering, har lenge gitteksterne brukere tilgang til noenav sine bulk-prosesser gjennomEU-prosjektet MultiMEMS.

LIGA-prosessenLIGA-prosessens fortrinn er atdet kan framstilles strukturer medsvært store høyde/bredde for-hold, noe som gjøres mulig ved åbruke røntgenlitografi. Prosesseninvolverer ellers elektropletteringog mikrostøping. Nyttestrukturendannes av det elektroplettertemetallet. Man kan enten fram-stille den ønskete struktur direktepå denne måten, eller man førerprosessen et skritt videre ogbruker metallstrukturen som enform. Formen kan så benyttessom et stempel eller en støpe-form på et annet nyttemateriale,f.eks. en polymer. Selv om LIGAmuliggjør andre typer MEMS-strukturer enn de øvrige proses-seringsteknikkene gjør og derforer svært nyttig til sine formål, blirLIGA forholdsvis lite benyttet iRF MEMS. Dette skyldes delvisteknikkens begrensete muligheterfor å lage den type komplekse3D-strukturer som trengs i mangeRF MEMS komponenter, delvisde høye kostnadene som er for-bundet med røntgenkilden, ogdelvis at integrasjon medelektronikk er vanskeligere.

SkivelamineringDet å kunne laminere, eller«bonde», to eller flere hele skivertil hverandre (før skivene sagesopp til mange enkeltbrikker) girflere muligheter og fordeler. Fordet første kan mer avanserte

Figur 2. Hovedprinsipper i bulk mikromaskinering av silisium. Ulike krystallretninger(<100>, <111>, <110>) oppviser ulike etsehastigheter, og 3-dimensjonale hulrom avønsket form kan konstrueres. Kilde: DARPA.

➔

EL0412 tirsdag 23/11 23.11.04 19:57 Side 33

34 E L E K T R O N I K K 1 2 · 2 0 0 4

komponent

Mediapartnere

98%…… av besøkere på embedded world 2004 var svært fornøyd / fornøyd medinformasjons- og kontaktmulighetene. Bli overbevist!

Registrer deg nå og sikre deg gratis adgangskort:

Små systemer, store beslutninger.

22 – 24.2.2005

…it’s a smarter world

Nürnberg, Tyskland

(ifølge spørreundersøkelse 2004)

www.embedded-world.dewww.embedded-world.de

Arrangør fagmesseNürnbergMesseTel +49 (0)9 11. 86 06-49 12visitorinformation@nuernbergmesse.de

Arrangør kongressDESIGN&ELEKTRONIKTel +49 (0)81 21. 95-13 40cgrote@design-elektronik.de

strukturer konstrueres enn om manbare hadde én skive til rådighet.For det andre beskyttes de sårbarekomponentene under sagepro-sessen og etterfølgende håndtering.I RF MEMS sammenheng kanman også redusere prosesstekniskeproblemer forbundet med fjerningav offerlaget i en overflateprosessved at man f.eks. preparerer engrop på én skive og overfører detaktive laget fra en annen skivev.h.a. bonding. Den andre skivenssubstrat kan deretter eventueltetses vekk. Alternativt kan manbeholde den andre skiven ogbenytte denne som innkapsling.Dette er en av flere typer såkalt«nullte-nivås pakking» eller«skivenivå-pakking». SidenMEMS-brikkene typisk har fri-etsete strukturer, er mange av demumulige å skille fra skiven med ennormal sageprosess, siden denneinnebærer store mengder væske ogsmuss. Skivenivå-forsegling sørgerfor tilstekkelig beskyttelse. Meto-dikken virker også kraftig kostnads-reduserende.

Skivelamineringen finnes i trehovedtyper. Den første er anodisk

bonding, som typisk sammenføyeren silisium- og en eller flere glass-skiver v.h.a. elektrostatisk spenningog temperatur. Den andre erdirekte-bonding, eller fusjons-bonding, som laminerer to sili-siumskiver til hverandre, enten vedhøye temperaturer eller ved såkaltplasma-assistanse. Den tredjehovedtypen innebærer bruk avtynne mellomliggende lag, somglass, glass-frit, epoksy, metaller ogpolymerer, hvor det brukes enkombinasjon av trykk og tempe-ratur i prosessene. Alle disse pro-sessene har sine begrensinger nårde brukes i MEMS pakking, noesom diskuteres videre nedenunder.

PakkingAlle RF MEMS komponentertrenger en eller annen form forpakke. Pakken skal gi mekaniskstøtte og beskyttelse, vern motmiljøpåvirkninger, og en elektriskgrenseflate som passer inn i sys-temets oppbygging. Pakking avMEMS er som oftest en størreutfordring enn pakking avelektronikk, selv om mange av desamme metodene benyttes når

dette er mulig. MEMS-pakker erderfor oftest skreddersydd forapplikasjonen, noe som driverkostnaden opp. Pakking av RFMEMS, spesielt svitsjer og andreaktive strukturer, kan være endamer problematisk enn for andreMEMS-typer. På den positivesiden kan det riktignok nevnes atselve sensorstrukturen ikke har engrenseflate mot de ytre omgiv-elsene, slik som f.eks. en trykk-

sensor eller en biosensor har, ogderfor ikke blir utsatt for desamme påkjenninger. Pakken måoppfylle en serie krav. Hvilkekrav som søkes oppfylt v.h.a.skivelaminering og hvilke ihøyere ledd i pakkekjeden blir enavveining. To krav er spesieltutfordrende: Pakken må gi enhermetisk forsegling av denaktive komponenten, samtidigsom det må finnes elektriske

Figur 3. Illustrasjon av LIGA-prosess. Røntgenstråling definerer et mønster i enfotoresist (PMMA). Mønsteret framkalles, og den gjenværende formen fylles medmetall før fotoresisten fjernes. Kilde: DARPA.

➔

EL0412 tirsdag 23/11 23.11.04 19:58 Side 34

E L E K T R O N I K K 1 2 · 2 0 0 4 35

komponent

Kontakt Svein (svein.pettersen@schive.no)eller Jan Erik (janhennum@schive.no)

Postboks 10, 1371 Asker,Tlf.: 66 760500, fax: 66904484www.schive.no

...spisskompetansepå batteriløsninger!

gjennomføringer fra innside tilutside som oppfyller alle krav tilRF signallinjer. Elektromagnetiskkopling mellom pakke og aktivstruktur er en ekstra utfordring forRF MEMS. Hermetisitet sikrer atsensoren ikke påvirkes av fuktighet,oksygen, partikler etc. i omgiv-elsene. For RF MEMS vil kavitetenofte trengs å fylles med nitrogeneller edelgasser heller enn å benyttevakuum, som er vanlig for mangeandre MEMS-komponenter. Andrevansker ligger i at pakkeprosesserofte foregår ved for høy temperaturtil at det indre av komponententåler det, at pakkeprosessen gasserut uakseptable materialer, og atkravene til planaritet, renhet oglavt strukturstress er svært høye.Prosessteknisk blir kravene så høyeat pakking er en kraftig utfordringfor RF MEMS og fortsatt virkerbegrensende på innslaget av RFMEMS i systemer. Nær-hermetiskforsegling kan anvendes når manrenonserer på kravet om fullhermetisitet og nøyer seg med åbeskytte komponenten tilstrekkeligfor saging og testing, slik som forkommersielle komponenter somikke har bevegelige strukturer ogfor demonstrasjon av konsepter,hvor redusert pålitelighet kan væreakseptabelt.

RF MEMS kan i prinsippetbenytte tilsvarende pakker sommikroelektronikk gjør. Disseomfatter pakker av metall, plast ogkeramer, inkludert flerlagsteknikkersom LTCC (Low-Temperature Co-fired Ceramics). Det vil imidlertidfor alles vedkommende dukke oppproblemstillinger som er særskiltefor MEMS. F.eks. er plastpakkeraldri hermetiske, flerlags keramervil skrumpe og derved kunne skapespenninger eller delaminering iMEMS-strukturene, o.s.v. Slikefaktorer må avveies for den enkelteapplikasjonen. Pakken kan omfatteenten bare selve RF MEMS-komponenten eller et system medflere brikker, som i MCM(MultiChip Module) pakking. EnRF MEMS-komponent som inne-holder en bevegelig struktur, må ialle fall være tilstrekkelig beskyttetallerede før montasje, noe som kanoppnås med skivelaminering. Dettebetyr altså at det ikke er nok atmikroelektronikken har gjort ut-merket pakketeknologi tilgjengelig;de elektriske gjennomføringene måuansett være på plass allerede påMEMS-brikkenivå. Riktignokfinnes metoder for å unngå skive-

nivå-pakking, men de innebærer envesentlig fordyrelse og oppfyllersjelden de tøffeste pålitelighets-kravene.

Montasjen av brikken vil ogsåkunne foregå på lignende måtersom i mikroelektronikken, somliming med epoksy, lodding ellerflip-chip montering. I tillegg finnesflere metoder som er utviklet merspesielt for MEMS. En av disse ersåkalt «selvmontering», der over-flatespenninger i f.eks. lodde-materiale utnyttes til å «reise opp»hengslete strukturer til bestemte

vinkler, og til å løfte strukturer oppover substratoverflaten for å redu-ssere dielektriske tap. Flip-chipteknikk kan også brukes til å over-føre et mønster fra én skive til enannen, à la det som er beskrevetfor skivebonding.

Fokus i RF MEMS FoU i dag eri stor grad på pålitelighet kombi-nert med kostnad, både på pakke-og mikromaskineringsnivå. Iutviklingen av en RF MEMSkomponent er det essensielt at detkomplette produktet, inkludertpakken og montasjen videre inn i

det større systemet, blir tatt hensyntil fra første dag, siden alle deleneer tett sammenvevd både prosess-og ytelsesmessig.

For videre studier:[1] V. K. Varadan, K. Vinoy, K. Jose: «RF MEMSand their Applications», ISBN 0-470-84308-X,Wiley & Sons, 2003.

[2] G. M. Rebeiz: «RF MEMS Theory, Design,and Technology», ISBN 0-471-20169-3, J.Wiley & Sons, 2003.

[3] I. Bahl, P. Bhartia: «Microwave Solid StateCircuit Design», ISBN 0-471-20755-1, J. Wiley& Sons, 2003.

❍

EL0412 tirsdag 23/11 23.11.04 19:59 Side 35