Experimentelle Entwicklung von Bondprozessen mit niedrigschmelzenden eutektischen Legierungen auf flexiblen Substraten mit niedriger Glasübergangstemperatur

Das übergeordnete Ziel dieser Arbeit besteht in der Grundlagenuntersuchung und Optimierung von eutektischen Bondprozessen (auch Anlegieren genannt) für die Befestigung von elektronischen Bauteilen auf flexiblen Substraten. In diesem Zusammenhang sind umfangreiche experimentelle Untersuchungen und zahlreiche Parametervariationen vorgesehen um möglichst stabile mechanische und elektrische Bondverbindung zwischen den Fügepartnern zu erreichen. Dafür werden Chips aus Silizium zunächst auf starren und dann auf flexiblen Substraten durch Anlegieren verbunden. Um eine zuverlässige Bondverbindung auf flexiblen Substraten mit niedrigen Glasübergangstemperaturen zu erzielen, werden die eutektischen Indium-Zinn- und Indium-Bismut-Legierungen zum Einsatz kommen. Die experimentelle Methodik basiert auf der Variation der Bondprozessparameter: Temperatur, Druck und Dauer um die Bondverbindung insbesondere hinsichtlich der mechanischen Stabilität zu optimieren. Hierbei wird diese durch die Scherfestigkeit beurteilt. Ferner wurde ebenfalls der elektrische Widerstand der Verbindung gemessen um die elektrische Eigenschaft der Verbindung zu bewerten

Contributions à l’intégration des procédés de fabrication et d'encapsulation d’un commutateur MEMS RF ohmique

Abstract : This dissertation presents studies to resolve process integration problems in the fabrication of packaged radio frequency microelectromechanical system (RF MEMS) ohmic switches with a Au-Ru contact metallurgy and Al-Ge eutectic wafer bonding for wafer-level packaging (WLP). While unpackaged RF MEMS switches have shown promising attributes poor reliability has limited their development into practical products, demanding compatibility with a hermetic sealing solution. The first article, titled ‘Exploring Ru compatibility with Al-Ge eutectic wafer bonding,’ and its supplemental material examine bond impacts associated with the refractory metal ruthenium (Ru). The compatibility of Ru with a wafer bonding process has been virtually unexplored. The main text of this section outlines the results of blanket deposition annealing experiments with Ru, Al and Ge configurations to address concerns of ternary alloy poisoning, melt wettability on Ru, and Ru as a diffusing contaminant in Al and Ge. A brief exploration of the composition process window for Al-Ge alloys contaminated with Ru is made from available phase diagrams, and strong bond outcomes with real product wafers with Ru contacts are presented. The article concludes that Ru has high compatibility within an expected narrow composition process window of marginally reduced melting temperature for Al-Ge alloy. Supplemental material addresses additional process integration problems in the real bond process associated with Ru: alumina thickening, Ru contamination and Al hillock aggravation. These are challenges for the Al surface, which progressively loses bonding ability with Ge through the fabrication process, and can be obviated with unprocessed bonding Al without Ru exposure. The second article, titled ‘Mitigating re-entrant etch profile undercut in Au etch with an aqua regia variant,’ and its supplemental material examine processed Au outcomes and bond-on-contact consequences primarily inflicted on Au. Thermally-stable Au metallization to Si for microswitch contacts in packaged devices is a considerable integration challenge. The main text of this section outlines an etch profile investigation of Au metallization stack variants with adhesion layers to discriminate delamination-based undercutting from galvanic undercutting when using an aqua regia-based solution, showing which mechanism is applicable for this etchant. A brief examination of the electrochemistry of the etchant is made to explain the unusual outcome of mitigated galvanic undercut confirmed by this analysis, with delamination control eliminating or minimizing undercut for thick Au films. In the supplemental material Au surface evolution is tracked across the fabrication process, with the wafer bonding thermal cycle being deemed most significant. Au hillocking and delamination are the primary challenges, and segmentation of Au features is a leading mitigation option that increases the impact of any Au undercut. Together these chapters develop an improved understanding of contact/bond compatibility. Necessary and promising future work for RF MEMS microfabrication and packaging is outlined at the conclusion of this dissertation.Cette thèse présente des études visant à résoudre les problèmes d’intégration de procédés dans la fabrication de commutateurs radiofréquence ohmiques de systèmes microélectromécaniques de (RF MEMS) encapsulés par une métallurgie de contact Au-Ru et un collage eutectique de gaufres Al-Ge pour l'encapsulation au niveau des gaufres (Wafer-Level Packaging, WLP). Bien que les commutateurs MEMS RF non encapsules aient montré des attributs prometteurs, leur faible fiabilité a limité leur développement en produits pratiques, exigeant la compatibilité avec une solution de collage hermétique. Le premier article, intitulé ‹‹Exploring Ru compatibility with Al-Ge eutectic wafer bonding››, et son supplément examinent les effets de liaison associés au ruthénium (Ru), un métal réfractaire. La compatibilité du Ru avec un procédé de collage de gaufres a été très par inexplorée. Le texte principal de cette section présente les résultats d'expériences de recuit des dépôts pleine plaque avec des configurations de Ru, Al et Ge pour répondre aux préoccupations concernant l'empoisonnement des alliages ternaires, la mouillabilité de la masse fondue sur le Ru, et le Ru en tant que contaminant diffusant dans Al et Ge. Une brève exploration de la fenêtre de procédé de composition pour les alliages Al-Ge contaminés par Ru est faite à partir des diagrammes de phase disponibles, et des résultats de collage fort avec des gaufres de produits réels avec des contacts Ru sont présentés. L'article conclut que Ru a une compatibilité élevée dans une fenêtre de procédé de composition étroite attendue de température de fusion marginalement réduite pour l'alliage Al-Ge. Des documents complémentaires traitent de problèmes d'intégration autres dans le procédé de collage réel associés au Ru: épaississement de l'alumine, contamination par le Ru et aggravation de la topographie d'Al. Il s'agit de défis pour la surface de l'aluminium, qui perd progressivement sa capacité de collage avec le Ge au cours du procédé de fabrication, et qui peuvent être évités avec de l'aluminium de collage non traité sans exposition au Ru. Le deuxième article, intitulé ‹‹Mitigating re-entrant etch profile undercut in Au etch with an aqua regia variant››, et son matériel supplémentaire examinent les résultats de la gravure de l'Au et les conséquences de la liaison sur le contact principalement infligées à l'Au. La métallisation thermiquement stable de l'Au sur le Si pour les contacts dans les dispositifs encapsulés est un défi d'intégration considérable. Le texte principal de cette section décrit une étude sur le profil de gravure de variantes d'empilement de métallisation Au avec des couches d'adhérence pour distinguer la sous-coupe basée sur la délamination de la sous-coupe galvanique lors de l'utilisation d'une solution à base d'eau régale, montrant quel mécanisme est applicable pour ce réactif de gravure. Un bref examen de l'électrochimie de l'agent de gravure est effectué pour expliquer le résultat inhabituel de la surgravure galvanique atténuée confirmée par cette analyse, le contrôle de la délamination éliminant ou minimisant la surgravure pour les films d'Au épais. Dans les documents complémentaires, l'évolution de la surface de l'or est suivie tout au long du procédé de fabrication, le cycle thermique de collage des gaufres étant considéré comme le plus important. La formation de bosses et le délaminage de l'or sont les principaux défis à relever, et la segmentation des caractéristiques de l'or est une option d'atténuation importante qui augmente l'impact de toute contre-dépouille de l'or. Ensemble, ces chapitres permettent de mieux comprendre la compatibilité contact/liaison. Les travaux futurs nécessaires et prometteurs pour la microfabrication et le conditionnement des MEMS RF sont présentés en conclusion de cette thèse

MEMS Switches Implemented in Different Technologies for RF Applications

Microfabrication technologies allow building micro-scale and nano-scale mechanical switches. Despite the fact that the solid-state switches exhibit superior performance as compared to their micro-mechanical competitors in terms of speed and lifetime, mechanical switches exhibit various attractive features such as low power consumption, high linearity, high isolation and low loss. This work summarizes the design, fabrication and testing of several micro-mechanical switches for Radio Frequency (RF) applications and using different microelectromechanical systems (MEMS) technologies. The implementation is carried out through four approaches for realizing MEMS switches. In the first approach, the switches are built by post-processing chips fabricated in a standard complementary metal-oxide semiconductor (CMOS) fabrication process. The structural layers of the electrostatic MEMS switches are implemented in the four metal layers of the back end of line (BEOL) in the standard CMOS 0.35µm process. In addition, an enhanced post-processing technique is developed and implemented successfully. The switches presented include a compact 4-bit capacitor bank, a compact 4-bit phase shifter / delay line, a W-band single pole single through (SPST) series capacitive switch, SPST shunt capacitive switches with enhanced capacitance density, and a proposed compact T-switch cell with metal-to-metal contact switches. In the second approach, a standard multi-user MEMS process is implemented. Electrothermal and electrostatic MEMS switches designed, fabricated and tested for low-frequency high-power RF applications using the MetalMUMPs process. The devices include a 3-bit capacitor bank, a compact discrete capacitor bank that can be configured for 2-bit / 3-bit operation depending on the stroke of the electrothermal actuators, and a novel rotor-based electrostatic multi-port switch. In the third approach, an in-house university-based microfabrication process is developed in order to build reliable MEMS switches. The UWMEMS process, which was developed at the Center for Integrated RF Engineering (CIRFE), is used in this research to fabricate novel switch configurations. Moreover, the capabilities of the standard UWMEMS process are further expanded in order to allow for building geometric confinement (GC) or anchorless switches and other novel switches. The gold-based UWMEMS switches presented include compact T-switches, R-switches and C-switches, GC SPST shunt and series switches. Additionally, other novel switch architectures such as the hybrid self-actuation switch (HSAS) and thermally-restored switches (TRS). In the fourth approach, which is a hybrid approach between the first and third approaches, the MEMS switches are built and packaged in one fabrication process, and without the need for sacrificial layer, by means of a wafer-level packaging technique. Adopting silicon wafers for the microfabrication necessitates using silicon-core switching, which offers few attractive advantages as compared to the metal-based switches implemented by the third approach. The designed switches to be fabricated in a state-of-the-art industrial facility include a variety of simple SPST contact-type switches as well as compact designs of T-switch, C-switch, a novel four-port gimbal-based switch (G-switch) introduced in this work, SP4T cells, and a seesaw push-pull SPST switch design is included