Mems zijn extreem gevoelig voor omgevingsinvloeden gedurende hun fabricage op waferniveau. Een goede omhulling is vereist om deze systemen verder te assembleren tot bruikbare componenten in elektronische schakelingen of sensoren. Voor Mems-devices die opereren in vacuüm is een goede afscherming van de omgeving al helemaal onontbeerlijk. Technisch ontwerper in opleiding Krishnan Seetharaman heeft deze afdichting onderzocht en aangetoond dat de ontworpen verpakkingstechnologie bruikbaar is voor Mems-devices. Het werk heeft hij uitgevoerd bij NXP.
Wat heb je precies gedaan?
Krishnan Seetharaman: ’Bij de onderzoeksgroep Microsystems Technologies van NXP in Eindhoven heb ik gewerkt aan verpakkingen voor micro-elektromechanische systemen. Dit zijn piepkleine devices die elektronica en mechanische transductieprincipes combineren voor een breed scala aan toepassingen. Omdat Mems als halffabricaten heel kwetsbaar zijn en soms zelfs vacuümholtes bevatten, moeten ze goed worden beschermd tegen invloeden van buitenaf.‘
’Mems-structuren op silicium chips zijn op verschillende manieren te omhullen. Een mogelijkheid is wafer bonding, waarbij een tweede wafer over de Mems-wafer wordt aangebracht om de micro-elektromechanische structuren te beschermen. De verbinding op het grensvlak kan worden gevormd door een anodische bond van glas en silicium of van metaal op metaal. Voor het wegleiden van de elektrische contacten naar de buitenwereld zijn dan vaak wel via‘s in de tweede wafer nodig. Het bonden kan ook gebeuren bij lagere temperaturen door toevoeging van materialen met een laag smeltpunt, zoals glas of soldeer. Dan lopen de verbindingen lateraal over het chipoppervlak.‘
’Een andere manier van omhullen is thin film capping. Hierbij wordt tijdelijk een materiaal op de Mems-structuur aangebracht, waarna er een dunne laag, de capping, overheen wordt gedeponeerd. Vervolgens wordt het tijdelijke materiaal weggeëtst via kleine gaatjes, die in een laatste stap weer worden afgedicht. Dit heet Mems-encapsulatie op waferniveau, aangezien het afdichten gebeurt in het front-end, vlak nadat de micro-elektromechanische structuren zijn gefabriceerd op de wafer.‘
’Met mijn projectteam heb ik gezocht naar een alternatief cappingmateriaal om specifieke problemen te tackelen die kleven aan de behandeling van Mems-devices. We hebben mechanische eindige-elementensimulaties gedraaid om in te kunnen schatten hoe dik de afdichtingslaag moet zijn, wil deze de krachten kunnen overleven die komen kijken bij het verpakken. De resultaten hebben we in de praktijk geverifieerd. Vervolgens hebben we de haalbaarheid van het gekozen materiaal en de geselecteerde methode gedemonstreerd en elektrische tests uitgevoerd op productniveau.‘
’Het project borduurt voort op het NXP-concept om bulk acoustic wave-resonatoren op waferniveau in te pakken met dunnefilmtechnologie. Tot nu toe zijn de resultaten heel acceptabel.‘
Hoe heb je het project ervaren?
Seetharaman: ’Ik heb twee jaar en zes maanden bij NXP Research aan het project gewerkt. In het begin heb ik best wel wat tijd besteed aan het doorgronden van de probleemstelling. Vervolgens heb ik voor het project een workflowmodel opgezet met een opdeling in taken en een tijdsinschatting per taak. Via intensief overleg met mijn begeleider Coen Tak en mijn teamgenoten ben ik gekomen tot een algehele tijdsplanning. Ook hebben we samen gekeken naar de eisen die aan de wafers moeten worden gesteld, naar de beschikbare processingtools en naar mogelijke materiaalleveranciers.‘
’Bij mijn project heb ik veel hulp gehad van NXP-researchers die ervaring hebben in de omgang met en de verwerking van materialen in de Miplaza-cleanroom. Ik heb een heleboel geleerd van de discussies die we in de verschillende projectfases hebben gevoerd. Aan het einde van elke fase was er ook uitgebreid overleg om eventuele losse eindjes aan elkaar te knopen. Zo heb ik gedurende het hele project heel veel aanmoediging en ondersteuning gehad.‘