Μελέτη και Βελτιστοποίηση των Ηλεκτρικών Ιδιοτήτων Λεπτών Μονωτικών Υμενίων που Χρησιμοποιούνται σε Μικρο-Ηλεκτρο-Μηχανικά Συστήματα (MEMS)

Οι διακόπτες RF MEMS αποτελούν ιδιαίτερα υποσχόμενες διατάξεις στον τομέα των τηλεπικοινωνιών όμως προβλήματα αξιοπιστίας εμποδίζουν την εμπορευματοποίησή τους έως και σήμερα. Η παρούσα διατριβή εξετάζει ένα από τα σημαντικότερα προβλήματα αξιοπιστίας που συναντάται στους διακόπτες αυτούς, τη φόρτιση των διηλεκτρικών τους υμενίων. Τα υμένια των διακοπτών RF MEMS εναποτίθενται με σύγχρονες μεθόδους της μικροηλεκτρονικής και εμφανίζουν σημαντικό βαθμό ανομοιογένειας και απόκλιση από τη στοιχειομετρία. Στόχος της διατριβής είναι η κατανόηση των μηχανισμών πόλωσης και αποπόλωσης των διηλεκτρικών υμενίων καθώς επίσης και η μελέτη της επίδρασης των συνθηκών εναπόθεσης στα ηλεκτρικά τους χαρακτηριστικά. Το διηλεκτρικό υλικό που μελετήθηκε είναι το νιτρίδιο του πυριτίου, οι ηλεκτρικές ιδιότητες του οποίου δεν είναι ακόμη πλήρως γνωστές παρά το γεγονός ότι αποτελεί ένα από τα πιο διαδεδομένα υλικά στην μικροηλεκτρονική

Μελέτη και βελτιστοποίηση των ηλεκτρικών ιδιοτήτων λεπτών μονωτικών υμενίων που χρησιμοποιούνται σε Μικρο-Ηλεκτρο-Μηχανικά Συστήματα (MEMS)

Οι χωρητικοί διακόπτες RF MEMS αποτελούν ιδιαίτερα υποσχόμενες διατάξεις στον τομέα των τηλεπικοινωνιών όμως προβλήματα αξιοπιστίας εμποδίζουν την εμπορευματοποίησή τους έως και σήμερα, με σημαντικότερο τη πόλωση των διηλεκτρικών τους υμενίων. Στόχος της διατριβής είναι η κατανόηση των μηχανισμών πόλωσης και αποπόλωσης των διηλεκτρικών υμενίων νιτριδίου του πυριτίου καθώς επίσης και η μελέτη της επίδρασης των συνθηκών εναπόθεσης στα ηλεκτρικά τους χαρακτηριστικά. Οι ηλεκτρικές ιδιότητες των υμενίων νιτριδίου του πυριτίου εξετάσθηκαν αρχικά για διάφορες συνθήκες πόλωσης. Οι διαδικασίες πόλωσης και αποπόλωσης στα διηλεκτρικά υμένια που μελετήθηκαν βρέθηκε σε κάθε περίπτωση να είναι θερμικά ενεργοποιούμενες και σύνθετες. Η επίδραση των συνθηκών εναπόθεσης της μεθόδου PECVD στα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των υμενίων νιτριδίου του πυριτίου μελετήθηκε στη συνέχεια διεξοδικά. Επιπλέον, προτάθηκε μια νέα πειραματική μέθοδος που επιτρέπει τον προσδιορισμό του ρεύματος εκφόρτισης λόγω μεταφοράς των φορτίων διαμέσου των διηλεκτρικών υμενίων. Κυρίαρχος μηχανισμός αγωγιμότητας κατά την αποπόλωση των μελετώμενων υμενίων βρέθηκε να είναι οι διαδικασίες hopping. Επίσης, με τη βοήθεια της προτεινόμενης μεθόδου πραγματοποιήθηκε ξεχωριστή μελέτη των θερμικά ενεργοποιούμενων διαδικασιών πόλωσης και αποπόλωσης. Η συνεισφορά των επιμέρους μηχανισμών πόλωσης στη συνολική φόρτιση των υμενίων νιτριδίου του πυριτίου μελετήθηκε τέλος ξεχωριστά σε διακόπτες RF MEMS, πραγματοποιώντας μετρήσεις πόλωσης εξ επαφής και εξ επαγωγής των διηλεκτρικών υμενίων.Capacitive RF MEMS switches are one of the most promising devices for RF applications but reliability problems still hinder their commercialization, the most important being the effect of dielectric charging. The present thesis aims to provide a better understanding of charging and discharging processes that appear in silicon nitride dielectric films used in RF MEMS switches. First, the electrical characteristics of silicon nitride films have been investigated for different polarization conditions. The results indicate that charging and discharging processes are thermally activated and consistent to Kohlrausch-Williams-Watts polarization’s relaxation, found in many materials containing some degree of disorder. The effect of deposition conditions of PECVD method on the electrical properties of silicon nitride films has been also probed. A new experimental method has been proposed in the present thesis that allows the determination of discharging current through the bulk of the dielectric films in RF MEMS switches. The results indicate that the dominant conduction mechanism during discharge in silicon nitride films are the hopping processes. Moreover, thermally activated charging and discharging mechanisms have been investigated separately with the aid of the proposed method mentioned above. Finally, the contribution of each charging mechanism to the total polarization of silicon nitride films has been probed by performing contacted and contact-less charging procedures in RF MEMS switches and it is found that induced charging mechanisms could act as a compensation mechanism to the total polarization of dielectric films

A COMPREHENSIVE OVERVIEW OF RECENT DEVELOPMENTS IN RF-MEMS TECHNOLOGY-BASED HIGH-PERFORMANCE PASSIVE COMPONENTS FOR APPLICATIONS IN THE 5G AND FUTURE TELECOMMUNICATIONS SCENARIOS

The goal of this work is to provide an overview about the current development of radio-frequency microelectromechanical systems technology, with special attention towards those passive components bearing significant application potential in the currently developing 5G paradigm. Due to the required capabilities of such communication standard in terms of high data rates, extended allocated spectrum, use of massive MIMO (Multiple-Input-Multiple-Output) systems, beam steering and beam forming, the focus will be on devices like switches, phase shifters, attenuators, filters, and their packaging/integration. For each of the previous topics, several valuable contributions appeared in the last decade, underlining the improvements produced in the state of the art and the chance for RF-MEMS technology to play a prominent role in the actual implementation of the 5G infrastructure

Μελέτη ηλεκτρικών ιδιοτήτων διηλεκτρικών υμενίων για εφαρμογές σε MEMS και δομές μικροηλεκτρονικής

Οι χωρητικοί διακόπτες RF – MEMS αποτελούν ιδιαίτερα υποσχόμενες ηλεκτρονικές διατάξεις με εφαρμογές κυρίως στον τομέα των τηλεπικοινωνιών. Εμφανίζουν αρκετά πλεονεκτήματα σε σχέση με τις υφιστάμενες υλοποιήσεις διακοπτών στερεάς κατάστασης (δίοδοι PIN, τρανζίστορ FET) όπως μικρό κόστος και μέγεθος, χαμηλή κατανάλωση ισχύος, υψηλή γραμμικότητα και ικανότητα διαχείρισης υψίσυχνων σημάτων τάξης GHz έως και THz. Παρόλα τα πλεονεκτήματα τους, η εμπορευματοποίηση τους μέχρι σήμερα δεν είναι εφικτή κυρίως λόγω των προβλημάτων αξιοπιστίας που εμφανίζουν, με το κυρίαρχο να αποτελεί το ζήτημα της πόλωσης/φόρτισης των διηλεκτρικών υμενίων. Κατά τη διάρκεια της ενεργοποίησης των διακοπτών, όπου ο κινούμενος μεταλλικός οπλισμός έρχεται σε επαφή με την επάνω επιφάνεια του διηλεκτρικού, φορτία εγχέονται εντός του υμενίου και παγιδεύονται από τις ατέλειες του υλικού. Η απαγωγή του φορτίου αυτού λαμβάνει χώρα κατά την απενεργοποίηση του διακόπτη και μόνο διαμέσου του διηλεκτρικού προς το κάτω ηλεκτρόδιο. Επομένως, οι ρυθμοί έγχυσης και μεταφοράς φορτίου αναμένεται να καθορίσουν την αξιοπιστία και τον χρόνο ενεργού ζωής της διάταξης. Ο ρυθμός έγχυσης θα καθοριστεί από τις συνθήκες ενεργοποίησης και τους εμπλεκόμενους μηχανισμούς έγχυσης/ανακατανομής φορτίου και δεδομένου ότι τα πεδία που αναπτύσσονται είναι υψηλά (>1ΜV/cm) η διαδικασία φόρτισης είναι ιδιαίτερα ταχεία. Αντίθετα, η εκφόρτιση των υμενίων πραγματοποιείται υπό το καθεστώς χαμηλών ηλεκτρικών πεδίων, καθορίζεται από τον κυρίαρχο μηχανισμό αγωγιμότητας και αποτελεί μία αργή διαδικασία με διάρκεια ωρών έως και μηνών εξαρτώμενη από τις ηλεκτρικές ιδιότητες του διηλεκτρικού υμενίου. Κύριος στόχος της παρούσας διατριβής είναι η μελέτη της διαδικασίας εκφόρτισης των διηλεκτρικών υμενίων και η κατανόηση των εμπλεκόμενων μηχανισμών μεταφοράς φορτίου με απώτερο σκοπό τη βελτιστοποίηση τους για αύξηση της αξιοπιστίας των διατάξεων. Για να καταστεί αυτό εφικτό, επιλύθηκαν βασικά ηλεκτρομηχανικά προβλήματα που δυσχεραίνουν τον ηλεκτρικό χαρακτηρισμό, με την ανάπτυξη μοντέλου που επιτρέπει την μελέτη του διηλεκτρικού υμενίου. Για την μελέτη της ηλεκτρικής συμπεριφοράς των διηλεκτρικών υλικών χρησιμοποιήθηκαν διατάξεις πυκνωτών Μετάλλου – Διηλεκτρικού – Μετάλλου (ΜΙΜ) και διακόπτες χωρητικότητας MEMS, με το νιτρίδιο του πυριτίου (SiNx) να αποτελεί υλικό αναφοράς. Στα υμένια SiNx , βρέθηκε ότι ο μηχανισμός hopping κυριαρχεί κατά την εκφόρτιση διατάξεων MIM και MEMS και μελετήθηκε η επίδραση της στοιχειομετρίας του υμενίου, των συνθηκών πόλωσης και της θερμοκρασίας στα φυσικά μεγέθη του μηχανισμού. Επιπλέον, μελετάται η δυνατότητα περαιτέρω βελτίωσης της εκφόρτισης υμενίων SiNx με την εισαγωγή νανοσωματίων. Σε νανοδομημένα υμένια ταυτοποιήθηκε η παρουσία του μηχανισμού field emission και δύο νέων μηχανισμών εκφόρτισης που μπορούν να δικαιολογήσουν τις βελτιωμένες ιδιότητες τους. Τέλος, μελετήθηκε και η επίδραση της υγρασίας του περιβάλλοντος στην «διασπορά» του επιφανειακού φορτίου και προτείνεται μοντέλο υπολογισμού του μέτρου της, απευθείας σε διακόπτες MEMS.RF – MEMS capacitive switches are promising devices for several applications, especially in the field of wireless communications. They show many advantages compared to the conventional semiconductor based switches (PIN diodes, FETs) such as low cost, low power consumption, high linearity and their ability to manage signals in the order of hundreds of GHz, even in THz. In spite of these attractive benefits, their commercialization is still hindered by reliability issues among them the most severe is dielectric charging. During the device activation charges are injected from the movable electrode and trapped inside the dielectric due to the presence of defects, acting as trapping centers. The trapped charge can only be drained through the dielectric and towards the bottom electrode. Thus, the charge/discharge ratios will determine the device reliability and effective lifetime. The charging ratio will be determined by the activation conditions and the contributing mechanisms of charge injection/redistribution. Taking into account that activation takes place in the presence of high electric fields(>1ΜV/cm), charging procedure is a very fast process. On the other hand, discharging occurs in the presence of low electric fields, is determined from the dominant conduction mechanism and is a very slow process, where the time required for the charge draining may be in the order of weeks and/or months. The main objective of the present work is to study the discharging process of the dielectric films used and to understand the conduction mechanisms involved, with the ultimate goal of optimizing them to increase the devices reliability. To make this possible, basic electromechanical problems that make electrical characterization difficult were solved, with the development of a model that allows the study of the dielectric film. Metal-Insulator-Metal (MIM) capacitors and MEMS capacitive switches were used to study the electrical behavior of dielectric materials, with silicon nitride (SiNx) as the reference material. In SiNx films, the hopping mechanism was found to dominate during MIM and MEMS devices discharging process and the effect of film stoichiometry, polarization conditions and temperature on the physical quantities of the involved mechanism was studied. In addition, the possibility of further improving the discharging process of SiNx films by introducing nanoparticles is being studied. The presence of the field emission mechanism and two new discharge mechanisms were identified in nanostructured films that can justify their improved electrical properties. Finally, the effect of ambient humidity on the "dispersion" of the surface charge was studied and a model for calculating its magnitude, directly on MEMS switches, is proposed

Low-Cost Fabrication Techniques for RF Microelectromechanical systems (MEMS) Switches and Varactors

A novel low-cost microfabrication technique for manufacturing RF MEMS switches and varactors is proposed. The fabrication process entails laser microstructuring and non-clean room micro-lithography standard wet bench techniques. An optimized laser microstructuring technique was employed to fabricate the MEMS component members and masks with readily available materials that include, Aluminum foils, sheets, and copper clad PCB boards. The non-clean room micro-lithography process was optimized to make for the patterning of the MEMS dielectric and bridge support layers, which were derived from deposits of negative-tone photosensitive epoxy-based polymers, SU-8 resins (glycidyl-ether-bisphenol-A novolac) and photoacid activated ADEX™ dry films. The novel microfabrication technique offers comparatively reasonably yields without intensive cleanroom manufacturing techniques and their associated equipment and processing costs. It is an optimized hybrid rapid prototyping manufacturing process that makes for a reduction in build cycles while ensuring good turnarounds. The techniques are characterized by analysing each contributing technology and dependent parameters: laser structuring, lithography and spin coating and thin film emboss. They are developed for planar substrates and can be modified to suit specific work material for optimized outcomes. The optimized laser structuring process offers ablation for pitches as small as 75 µm (track width of 50 µm and gap 25 µm), with a deviation of 3.5 % in the structured vector’s dimensions relative to design. The lithography process also developed for planar and microchannel applications makes for the realization of highly resolved patterned deposits of the SU-8 resin and the laminated ADEX™ polymer from 1 µm to 6 µm and with an accuracy ±0.2 µm. The complete micro-fabrication technique fabrication techniques are demonstrated by realizing test structures consisting of RF MEMS switches and varactors on FR4 substrates. Both MEMS structures and FR4 substrate were integrated by employing the micro-patterned polymers, developed from dry-film ADEX™ and SU-8 deposits, to make for a functional composite assembly. Average fabrication yield up to 60 % was achieved, calculated from ten fabrication attempts. The RF measurement results show that the RF MEMS devices fabricated by using the novel micro-fabrication process have good figure-of-merits, at much lower overall fabrication costs, as compared to the devices fabricated by conventional cleanroom process, enabling it to be used as a very good micro-fabrication process for cost-effective rapid prototyping of MEMS

Microelectromechanical Systems and Devices

The advances of microelectromechanical systems (MEMS) and devices have been instrumental in the demonstration of new devices and applications, and even in the creation of new fields of research and development: bioMEMS, actuators, microfluidic devices, RF and optical MEMS. Experience indicates a need for MEMS book covering these materials as well as the most important process steps in bulk micro-machining and modeling. We are very pleased to present this book that contains 18 chapters, written by the experts in the field of MEMS. These chapters are groups into four broad sections of BioMEMS Devices, MEMS characterization and micromachining, RF and Optical MEMS, and MEMS based Actuators. The book starts with the emerging field of bioMEMS, including MEMS coil for retinal prostheses, DNA extraction by micro/bio-fluidics devices and acoustic biosensors. MEMS characterization, micromachining, macromodels, RF and Optical MEMS switches are discussed in next sections. The book concludes with the emphasis on MEMS based actuators

Fabrication and characterization of ferro- and piezoelectric multilayer devices for high frequency applications

By means of thin film technology a reduction of size, cost, and power consumption of electronic circuits can be achieved. The required specifications are attained by proper design and combinations of innovative materials and manufacturing technologies. This thesis focuses on the development and fabrication of low-loss ceramic thin film devices for radio and microwave frequency applications. The materials, growth conditions, and physical properties of the films and device structures are discussed in detail. Moreover, special emphasis is placed on the integration of highly conductive low-loss electrode materials into parallel-plate structures. The thin films were prepared by sequential magnetron sputtering from metallic and ceramic deposition targets. The devices under study include tunable ferroelectric barium strontium titanate and lead strontium titanate parallel-plate capacitors, and piezoelectric aluminum nitride thin film bulk acoustic wave resonators. Furthermore, tantalum pentoxide and tantalum nitride thin films were investigated for capacitor and resistor applications. As electrode material we used Au, Cu, Mo, and Pt. The use of highly conductive low-loss Cu electrodes was only possible after the development of a new layer transfer fabrication method for parallel-plate ceramic devices. This method, which was successfully used to fabricate tunable ferroelectric capacitors and AlN bulk acoustic wave resonators, allows for high-quality ceramic film growth on suitable substrate and seed layers and, most importantly, deposition of the bottom and top electrodes after high-temperature reactive sputtering of the ceramic material. Optimization of the ceramic growth conditions and the integration of these functional materials into low-loss parallel-plate structures resulted in state-of-the-art device performance. Key achievements include, device quality factors of more than 100 up to GHz frequency in ferroelectric parallel-plate capacitors, the tailoring of ferroelectric film properties using substrate bias during magnetron sputtering, and very efficient electro-acoustic coupling in Mo/AlN/Mo bulk acoustic wave resonators