Método de fabricación Principal de RF MEMS
Método de fabricación Principal de RF MEMS
Un aspecto importante que diferencia el mercado de microteléfonos, de otros mercados potenciales de RF MEMS, es su enorme tamaño. Por ejemplo, 500 millones de microteléfonos fueron embarcados en el 2003 comparado a sólo 1.4 millones de estaciones base. Cuando se considera el desarrollo de procesos de manufactura de RF MEMS para el mercado de microteléfonos, uno debería darse cuenta de que esos RF MEMS se producirán en muy grandes cantidades. Por ésta razón, la tecnología de fabricación debe ser tan compatible como sea posible con la tecnología principal para fabricar CIs (CMOS). Esto permite la utilización de la vasta infraestructura para fabricar CMOS que existe hoy en día.
A la hora de adaptar materiales compatibles con CMOS a procesos de fabricación para la manufactura de RF MEMS, se debe prestar atención a varios aspectos. Primeramente, el dispositivo MEMS debe ser preferiblemente procesado en substratos de silicio para ser compatible con el equipo principal de fabricación. Desgraciadamente, los substratos estándares de Si tienen una resistividad de entre mW.cm y W.cm, lo cual causa una pérdida sustancial a la señal RF ocasionando así el deterioro severo de la propiedad de bajas pérdidas de los interruptores y condensadores RF MEMS. Una manera de suprimir ésta pérdida es el usar un plano de referencia o tierra ("ground") altamente conductivo entre el substrato y el dispositivo MEMS proveyendo, en efecto, un blindaje contra los efectos del substrato de Si. Otro método es el utilizar un substrato de Si que se asemeje lo más posible a un aislador. Substratos de Si de zona flotadora ("Float-zone") pueden producirse en masa con una resistividad mayor de 4 kW.cm y han sido usados exitosamente para la fabricación de componentes pasivos y RF MEMS de bajas pérdidas.
Un segundo aspecto, que merece especial atención, es el uso de metales compatibles con CMOS para la fabricación del elemento estructural móvil. Aluminio y cobre son los metales preferidos utilizados en los procesos existentes de finalización ("back-end") de CIs. Como resultado, la fabricación de películas de aluminio y cobre está bien dominada a una escala industrial. El aluminio, en su forma más pura, es conocido como un material dúctil, propenso a sufrir deformación elástica y deslizamiento ("creep") y es, por tanto, no apto como capa estructural en MEMS. Sin embargo, las aleaciones de aluminio sí tienen mucho mejores propiedades mecánicas y son utilizadas hoy en día en aplicaciones comerciales de MOEMS ("micro-optomechanical systems") interesante debido a su muy buena conductividad y la facilidad de fabricar capas gruesas, de baja resistividad, mediante la galvanización ("electroplating"). Sin embargo, el cobre es muy sensitivo a la corrosión y, como resultado, las capas estructurales móviles de Cu expuestas al aire no son estables sin estar cubiertas con una superficie de pasivación.
Un aspecto importante que diferencia el mercado de microteléfonos, de otros mercados potenciales de RF MEMS, es su enorme tamaño. Por ejemplo, 500 millones de microteléfonos fueron embarcados en el 2003 comparado a sólo 1.4 millones de estaciones base. Cuando se considera el desarrollo de procesos de manufactura de RF MEMS para el mercado de microteléfonos, uno debería darse cuenta de que esos RF MEMS se producirán en muy grandes cantidades. Por ésta razón, la tecnología de fabricación debe ser tan compatible como sea posible con la tecnología principal para fabricar CIs (CMOS). Esto permite la utilización de la vasta infraestructura para fabricar CMOS que existe hoy en día.
A la hora de adaptar materiales compatibles con CMOS a procesos de fabricación para la manufactura de RF MEMS, se debe prestar atención a varios aspectos. Primeramente, el dispositivo MEMS debe ser preferiblemente procesado en substratos de silicio para ser compatible con el equipo principal de fabricación. Desgraciadamente, los substratos estándares de Si tienen una resistividad de entre mW.cm y W.cm, lo cual causa una pérdida sustancial a la señal RF ocasionando así el deterioro severo de la propiedad de bajas pérdidas de los interruptores y condensadores RF MEMS. Una manera de suprimir ésta pérdida es el usar un plano de referencia o tierra ("ground") altamente conductivo entre el substrato y el dispositivo MEMS proveyendo, en efecto, un blindaje contra los efectos del substrato de Si. Otro método es el utilizar un substrato de Si que se asemeje lo más posible a un aislador. Substratos de Si de zona flotadora ("Float-zone") pueden producirse en masa con una resistividad mayor de 4 kW.cm y han sido usados exitosamente para la fabricación de componentes pasivos y RF MEMS de bajas pérdidas.
Un segundo aspecto, que merece especial atención, es el uso de metales compatibles con CMOS para la fabricación del elemento estructural móvil. Aluminio y cobre son los metales preferidos utilizados en los procesos existentes de finalización ("back-end") de CIs. Como resultado, la fabricación de películas de aluminio y cobre está bien dominada a una escala industrial. El aluminio, en su forma más pura, es conocido como un material dúctil, propenso a sufrir deformación elástica y deslizamiento ("creep") y es, por tanto, no apto como capa estructural en MEMS. Sin embargo, las aleaciones de aluminio sí tienen mucho mejores propiedades mecánicas y son utilizadas hoy en día en aplicaciones comerciales de MOEMS ("micro-optomechanical systems") interesante debido a su muy buena conductividad y la facilidad de fabricar capas gruesas, de baja resistividad, mediante la galvanización ("electroplating"). Sin embargo, el cobre es muy sensitivo a la corrosión y, como resultado, las capas estructurales móviles de Cu expuestas al aire no son estables sin estar cubiertas con una superficie de pasivación.
Figura 5. (a) Sección transversal de la tecnología PASSI de Philips para la integración de circuitos de inductores y condensadores de alto Q. (b) La extensión del proceso PASSI también incluye condensadores MEMS, lo cual permite la integración monolítica de circuitos adaptables de inductores y condensadores.
Figura 7. (a) Derive de los voltajes de "pull-in" y liberación de un condensador PASSI de Philips como función del tiempo cuando el dispositivo es continuamente polarizado a +40V. La cantidad de derive del voltaje está bien por debajo de los valores absolutos de "pull-in" y liberación y se satura a medida que el tiempo pasa permitiendo así una operación fiable. (b) Valor transitorio de condensador MEMS
PASSI de Philips a presión ambiente usando un voltaje de activación de 50V. Tiempos de cerrar y abrir de aproximadamente 20μs son realizados, lo cual es suficientemente rápido para, por ejemplo, conmutación de una antena GSM.
En los interruptores óhmicos, la confiabilidad está fuertemente ligada al metal utilizado en el contacto y está limitada por daños, creación de cavidades, endurecimiento, o soldadura del área metálica de contacto causando un circuito abierto o corto circuito permanente, luego de alcanzarse un cierto número de ciclos de conmutación. La confiabilidad de los condensadores MEMS variables está limitada por la acumulación de cargas en el dieléctrico del condensador, teniendo como consecuencia un cambio en los voltajes de "pull-in" y de "pull-out" y resultando, en última instancia, en la adherencia ("stiction") de la viga móvil .
Al presente, se cree que los condensadores MEMS variables tienen una confiabilidad inherentemente superior cuando se exponen a señales con niveles de potencia altos, debido a su extensa área de superficie de contacto, así como también al hecho de que ninguna cantidad sustancial de carga cruza las superficies en contacto. En la Figura 7 el derive en los voltajes de "pull-in" y de liberación es exhibido para unÇ condensador MEMS hecho mediante el proceso PASSITM de Philips sometido a una polarización DC continua de +40V or mas de 200 horas en un ambiente de nitrógeno. Se muestra que, durante éste periodo, la cantidad de derive en el voltaje, debido a la adquisición de carga del dieléctrico del condensador, está sustancialmente por debajo de los valores absolutos de los voltajes de "pull-in" y de liberación, y se satura a medida que pasa el tiempo. Se concluye, por lo tanto, que los condensadores MEMS pueden operar confiablemente bajo condiciones de alto voltaje/alta potencia utilizando materiales dieléctricos y condiciones ambiente apropiadas.
Tanto los interruptores MEMS óhmicos como los condensadores variables exhiben bajas pérdidas y alta linealidad; propiedades que son especialmente beneficiosas para niveles altos de potencia. La anticipada confiabilidad superior de los condensadores MEMS variables a altos niveles de potencia, combinada con los beneficios de linealidad y bajas pérdidas, conducen a la conclusión de que el uso de condensadores MEMS variables tiene un mayor potencial en microteléfonos que los interruptores óhmicos. En particular, la incorporación de condensadores MEMS variables en el sendero Tx parece ser prometedor. Sin embargo, se debe mencionar que la gama dinámica de la impedancia de un conmutador MEMS óhmico no se puede alcanzar con un condensador MEMS variable. Por lo tanto,
los interruptores óhmicos podrían ser la única opción de MEMS disponible cuando, por ejemplo, se trate de aislar la senda Tx de la senda Rx , o de separar bandas de frecuencia diferentes con un aislamiento suficientemente alto.
La confiabilidad de condensadores e interruptores MEMS activados electrostáticamente, puede mejorarse mediante elç aumento de su rigidez mecánica. Esto resulta, inevitablemente, en un voltaje de activación más alto. Una
velocidad de conmutación lo suficientemente alta, y la ocurrencia de auto "pull-in" a niveles de potencia altos, son otras de las razones importantes que prohiben el utilizar un voltaje de activación bajo. La velocidad de conmutación de los condensadores MEMS es primordialmente limitada por la amortiguación del aire. Se requieren voltajes de activación de decenas de voltios a presión atmosférica para lograr velocidades compatibles con, por ejemplo, la conmutación de antenas. La Figura 7 muestra la capacidad transitoria, bajo una atmósfera, de un condensador MEMS PASSITM de Philips el cual es conmutado usando un voltaje
de actiación de 50V. Se demuestra que pueden realizarse velocidades de conmutación de 20μs, lo cual es suficientemente rápido para la conmutación de una antena GSM. Desafortunadamente, voltajes en la vecindad de 50V estan muy por encima del voltaje de las baterías de microteléfonos. Por tanto, el tomar medidas adicionales para generar éstos altos voltajes dentro del microteléfono
podría llegar a ser necesario para la operación confiable y rápida de condensadores e interruptores MEMS. Sin embargo, la generación de alto voltaje podría lograrse fácilmente mediante el uso de un convertidor the potenciaç DC-DC, tal como una bomba de carga.
PASSI de Philips a presión ambiente usando un voltaje de activación de 50V. Tiempos de cerrar y abrir de aproximadamente 20μs son realizados, lo cual es suficientemente rápido para, por ejemplo, conmutación de una antena GSM.
En los interruptores óhmicos, la confiabilidad está fuertemente ligada al metal utilizado en el contacto y está limitada por daños, creación de cavidades, endurecimiento, o soldadura del área metálica de contacto causando un circuito abierto o corto circuito permanente, luego de alcanzarse un cierto número de ciclos de conmutación. La confiabilidad de los condensadores MEMS variables está limitada por la acumulación de cargas en el dieléctrico del condensador, teniendo como consecuencia un cambio en los voltajes de "pull-in" y de "pull-out" y resultando, en última instancia, en la adherencia ("stiction") de la viga móvil .
Al presente, se cree que los condensadores MEMS variables tienen una confiabilidad inherentemente superior cuando se exponen a señales con niveles de potencia altos, debido a su extensa área de superficie de contacto, así como también al hecho de que ninguna cantidad sustancial de carga cruza las superficies en contacto. En la Figura 7 el derive en los voltajes de "pull-in" y de liberación es exhibido para unÇ condensador MEMS hecho mediante el proceso PASSITM de Philips sometido a una polarización DC continua de +40V or mas de 200 horas en un ambiente de nitrógeno. Se muestra que, durante éste periodo, la cantidad de derive en el voltaje, debido a la adquisición de carga del dieléctrico del condensador, está sustancialmente por debajo de los valores absolutos de los voltajes de "pull-in" y de liberación, y se satura a medida que pasa el tiempo. Se concluye, por lo tanto, que los condensadores MEMS pueden operar confiablemente bajo condiciones de alto voltaje/alta potencia utilizando materiales dieléctricos y condiciones ambiente apropiadas.
Tanto los interruptores MEMS óhmicos como los condensadores variables exhiben bajas pérdidas y alta linealidad; propiedades que son especialmente beneficiosas para niveles altos de potencia. La anticipada confiabilidad superior de los condensadores MEMS variables a altos niveles de potencia, combinada con los beneficios de linealidad y bajas pérdidas, conducen a la conclusión de que el uso de condensadores MEMS variables tiene un mayor potencial en microteléfonos que los interruptores óhmicos. En particular, la incorporación de condensadores MEMS variables en el sendero Tx parece ser prometedor. Sin embargo, se debe mencionar que la gama dinámica de la impedancia de un conmutador MEMS óhmico no se puede alcanzar con un condensador MEMS variable. Por lo tanto,
los interruptores óhmicos podrían ser la única opción de MEMS disponible cuando, por ejemplo, se trate de aislar la senda Tx de la senda Rx , o de separar bandas de frecuencia diferentes con un aislamiento suficientemente alto.
La confiabilidad de condensadores e interruptores MEMS activados electrostáticamente, puede mejorarse mediante elç aumento de su rigidez mecánica. Esto resulta, inevitablemente, en un voltaje de activación más alto. Una
velocidad de conmutación lo suficientemente alta, y la ocurrencia de auto "pull-in" a niveles de potencia altos, son otras de las razones importantes que prohiben el utilizar un voltaje de activación bajo. La velocidad de conmutación de los condensadores MEMS es primordialmente limitada por la amortiguación del aire. Se requieren voltajes de activación de decenas de voltios a presión atmosférica para lograr velocidades compatibles con, por ejemplo, la conmutación de antenas. La Figura 7 muestra la capacidad transitoria, bajo una atmósfera, de un condensador MEMS PASSITM de Philips el cual es conmutado usando un voltaje
de actiación de 50V. Se demuestra que pueden realizarse velocidades de conmutación de 20μs, lo cual es suficientemente rápido para la conmutación de una antena GSM. Desafortunadamente, voltajes en la vecindad de 50V estan muy por encima del voltaje de las baterías de microteléfonos. Por tanto, el tomar medidas adicionales para generar éstos altos voltajes dentro del microteléfono
podría llegar a ser necesario para la operación confiable y rápida de condensadores e interruptores MEMS. Sin embargo, la generación de alto voltaje podría lograrse fácilmente mediante el uso de un convertidor the potenciaç DC-DC, tal como una bomba de carga.
MARGARISABEL VELASCO
CAF
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