Thin-film bulk acoustic wave resonators (FBAR) : fabrication, heterogeneous integration with CMOS technologies and sensor applications

par Humberto Campanella Pineda

Thèse de doctorat en Électronique, optronique et systèmes

Sous la direction de Pascal Nouet et de Jaume Esteve.

Soutenue en 2008

à Montpellier 2 .

  • Titre traduit

    Résonateurs de couche mince à onde acoustique de volume FBAR : fabrication, intégration hétérogène avec technologie CMOS et applications comme capteur


  • Résumé

    Une technologie novatrice de fabrication des FBAR a tout d'abord été développée : en particulier des techniques de dépôt et de micro-mécanisation de la structure en couches du résonateur ont été mises au point. La modélisation électrique sous la forme d'un circuit équivalent, la modélisation mécanique par la méthode des éléments finis (FEM), ainsi que les caractérisations structurale et électrique des FBARs, ont été réalisées. Par ailleurs, une variation du procédé de fabrication aboutissant à des dispositifs FBAR avec compensation de température (TC) a aussi été développée. Un autre résultat marquant de cette thèse a été l'implémentation d'une nouvelle procédure d'ajustement de la fréquence résonance du FBAR basée sur l'utilisation d'un faisceau d'ions focalisé (FIB). Basée sur la technologie FBAR déjà mentionnée, une méthode permettant de réaliser l'intégration hétérogène à niveau wafer des FBARs avec substrats CMOS a été conçue et implémentée. De cette manière, et pour la première fois, des dispositifs FBAR localisés sur substrat CMOS ont été fabriqués avec succès. De plus, cette méthode de co-intégration a été démontrée pour plusieurs technologies : avec une CMOS commerciale [AMS035] mais aussi avec la CNM25, développée au CNM. Enfin, différentes applications de dispositifs FBAR en tant que capteurs ont été proposées, la plus pertinente étant une implémentation comme capteur de masse localisée, ce qui représente un première pour des FBARs. Par ailleurs, le concept de capteur mécanique basé sur un FBAR a été introduit et expérimentalement démontré à travers deux exemples : accéléromètres encastrés et capteurs de force pour des applications de microscopie à force atomique (AFM). Pour terminer, la fabrication et la caractérisation d'un résonateur acoustique sans contact entre électrodes et couche mince d'AlN ont été proposées


  • Résumé

    The FBAR's fabrication technology has been developed. The technology involves the set up of the deposition and micro-machining techniques of the layered structure of the resonator, which comprises an acoustic layer made of aluminum nitride (AlN). Structural and device experimental characterization; and equivalent-circuit parameter and finite-element modeling of the FBAR were carried out. A process variation involving the design, modeling and fabrication of a temperature-compensated (TC) FBAR device was also implemented. Another remarkable result is the implementation of a post-fabrication, focused-ion-beam assisted technique for tuning of the resonance frequency of the FBAR. Based on the foregoing-mentioned FBAR technology, a method for performing wafer-level heterogeneous integration of the FBAR with a CMOS substrate was developed. According to this method, the fabrication of a floating FBAR above standard CMOS substrates has been achieved for the first time. The method was demonstrated by integrating FBARs on the commercial AMS035 and the in-house CNM25 CMOS technologies. On the application side, different FBAR-based sensor applications were implemented, the localized-mass detector being the most relevant, which has been demonstrated for the first time for high-frequency bulk-acoustic resonators. Also, the concept of FBAR-based mechanical sensor has been introduced. Two examples are the embedded-FBAR accelerometer and the force sensor for AFM-cantilever applications. The fabrication and characterization results of an AlN-based contact-less acoustic resonator are also reported in this thesis

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Informations

  • Détails : 1 vol. (234 p.)
  • Annexes : Bibliographie. Annexes

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  • Bibliothèque : Bibliothèque interuniversitaire. Section Sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : TS 2008.MON-16
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