Développement d'un procédé industriel de fabrication de résonateurs Micro Electro Mechanical System (MEMS) à structure métal / nitrure d'aluminium (AlN) / métal
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Abstract EN:
NXP Semiconductors (Caen, France) planed to invest in TFEAR project involving industrialization of low cost, integrable and tunable RF MEMS resonator, based on a laboratory process using piezoelectric properties of AlN. This resonator should replace quartz resonator due to its compactness. The resonance frequency can be easily tuned by changing the photolithographic masks because the resonator works in the extensional mode. It is made up of aluminum based AlSiCu that is standard electrodes in industrial process and piezoelectric AlN, both prepared by DC magnetron sputtering. Exploring the deposition conditions of layers forming the resonator allowed d33,f coefficient of 2 pm. V-1 (for a theoretical maximum of 3. 93 pm. V-1). At the same time, adaptation of the process to industrial tools required feasibility study. The poor etching selectivity between aluminum and AlN during etching of AlN was found to be the main difficulty. However, electrical characterizations of resonators showed the industrial feasibility of such a project since quality factor of 1400 and motional resistance less than 1 kΩ were measured, for resonance frequencies between 15 and 20 MHz. The closing down of NXP Semiconductors factory of Caen diverted part of the PhD work into more microstructural characterizations in laboratory. This allows the more detailed study of relationship between d33,f coefficient and AlSiCu crystalline quality, as well as AlN crystallite sizes and stress (shear) in AlN layers.
Abstract FR:
NXP Semiconductors (Caen) a souhaité industrialiser un MEMS RF intégrable, accordable et bon marché via le projet TFEAR, à partir d’un procédé de laboratoire utilisant les propriétés piézoélectriques de l’AlN. Ce résonateur permettrait de remplacer le quartz pour palier son encombrement. Son fonctionnement en mode élongation permet un ajustement précis de la fréquence de résonance par simple modification des masques de photolithographies. Il est constitué de l’alliage d’aluminium AlSiCu servant d’électrode standard dans les procédés de production de l’industriel et de l’AlN, déposés par pulvérisation cathodique en mode DC. Le travail exploratoire des conditions de dépôt des différentes couches a permis d’obtenir des coefficients piézoélectriques d33,f allant jusqu’à 2 pm. V-1 (maximum théorique de 3,93 pm. V-1). Parallèlement, l’adaptation du procédé de fabrication aux outils industriels a nécessité des tests de faisabilité. La difficulté majeure réside dans la mauvaise sélectivité de gravure entre l’AlN et l’AlSiCu lors de la gravure de l’AlN. Néanmoins, des facteurs de qualité allant jusqu’à 1400 et une résistance motionnelle inférieure à 1 kΩ ont été mesurés pour des fréquences de résonance entre 15 et 20 MHz. Ceci montre la faisabilité industrielle de ce projet. La cessation des activités de NXP sur le site de Caen suite à un plan social, a réorienté la thèse vers une caractérisation plus poussée des films d’AlN en laboratoire. Ceci a permis de mettre en évidence la corrélation des propriétés piézoélectriques avec la qualité cristalline de l’AlSiCu, la taille des cristallites de l’AlN et les contraintes internes (de cisaillement) contenues dans la couche.