Control of the frequency of the electromechanical resonators MEMS

Abstract

A l’heure actuelle, les Micro-Electro-Mechanical-Systems (MEMS) sont devenusincontournables dans les produits technologiques quotidiens. De par leur taille,leurs performances et leur intégration, les microsystèmes résonants se sontinscrits dans la diversification de la fameuse Loi de Moore. Cependant les applications detype base de temps demeurent le segment de marché où les MEMS ne parviennent pas às’imposer durablement. En effet, grâce à une stabilité en fréquence de quelques parties parmillions, l’oscillateur à base de résonateur en Quartz reste le produit numéro 1 d’unmarché estimé à dix-sept milliards de dollars.Etant donné le lien entre la fréquence d’un résonateur silicium MEMS et ses dimensionsintrinsèques, les différentes étapes de fabrication induisent un décalage de cette fréquencepar rapport à la valeur visée. C’est donc cet écart que nous tenterons d’adresser. Dans cecontexte, nous avons proposé une nouvelle méthode de correction à l’échelle du substrat.Cette méthode consiste en une ultime étape technologique, après une première mesureélectrique des dispositifs qui permet de quantifier l’erreur, à ramener la fréquence à lavaleur souhaitée par un ajout localisé de matière. Nous montrerons qu’il est possible, enune seule étape, de réduire la Gaussienne représentative de la variation de la fréquence ausein du substrat à quelques parties par million. Pour cela, nous avons développé deuxmodèles physiques qui permettent de quantifier la correction pour atteindre les objectifs.En parallèle, nous avons mis en place un processus de fabrication compatible avec la filièreCMOS avec seulement dix-sept étapes et deux masques photolithographiques dont le pointde départ est un substrat de type SOI. Ce procédé a permis la fabrication de résonateur àmodes de flexion et ondes de volume, dont les performances intrinsèques (f et Q)permettent de concurrencer les résonateurs Quartz. Enfin, nous avons validé notre conceptet nos modèles physiques par des caractérisations électriques de nos dispositifs.L’analyse des résultats nous a permis de dresser une liste des pistes d’amélioration pourétablir une voie vers l’industrialisation durable des résonateurs MEMS. Dans un premiertemps, une attention toute particulière se portera sur le choix du substrat et la technologieutilisée pour garantir des performances optimales. La méthode de correction nécessite unemesure électrique intermédiaire, cette étape doit être précisée et il faudra s’assurer qu’ellen’augmente pas le coût global de la fonction. Bien que discutés, le packaging du MEMS etl’intégration seront des points à étudier, tout particulièrement pour conserver lesspécifications du résonateur lui-même.Present, Micro-Electro-Mechanical-Systems (MEMS) have become essential ineveryday technology products. Thanks to their size, performances andintegration, resonant microsystems have been enrolled in the diversification ofthe famous Moore's Law. However, the time based applications remain the market segmentwhere MEMS are unable to settle permanently. Indeed, the oscillator-based Quartz is thenumber one product on the market, a market estimated at 17 billions dollars, thanks to afrequency stability of a few parts per million over its lifetime.Given the link between the frequency of a MEMS resonator and its intrinsic dimensions,the various manufacturing steps induce a shift of this frequency from the target value. Wewill try to address this difference.In this context, we proposed a new method of correction across the wafer. This methodconsists of a final technological step after a first electrical measurement to quantify theshift. We will show that it is possible in one step, to reduce the Gaussian representing thefrequency variation within the wafer to a few parts per million. From this perspective, wehave developed two physical models that quantify the correction to achieve the objectives.Moreover, we set up a manufacturing process CMOS compatible with only 17 steps and2 photolithographic masks starting with a SOI wafer. This process has enabled theproduction of flexural mode resonators and bulk mode resonators, whose intrinsicperformances (f, Q) can compete with Quartz. Finally, we validated our concept and ourphysical models thanks to electrical characterization of our devices.Analysis of the results allowed us to develop a list of possible improvements to establish aroute to the industrialization of MEMS resonators. First, special attention will be focusedon the choice of substrate and the technology used to ensure perfect performances.Correction method requires a preliminary electrical measurement, this step must bedetailed and one have to ensure that it does not increase the overall cost. Although partiallystudied, the packaging of MEMS and integration are the points to consider in particularkeeping the specifications of the resonator itself