The introduction of new fabrication techniques for the production of MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) requires careful analysis and particular attention is paid to adhesion problems. Indeed, this phenomenon can drastically affect the reliability and functionality of such devices, both during fabrication and during operation. The purpose of this thesis is to design new devices for the measurement of adhesion, to better study stiction problems in the wafer metal bonding carried out with an aluminium-germanium eutectic alloy. A preliminary investigation on accelerometers produced with this process is carried out with an atomic force microscope: the roughness, the surface potential and the implanted charges are studied. Modelling methods for MEMS design and a technique for adhesion measurement are then illustrated. Finally, two devices are proposed for measuring adhesion energy and adhesion force. The first device can measure in-plane adhesion, the second can measure out-of-plane adhesion. These devices can exert static forces comparable to those acting onto a commercial microsystem when accelerated up to 10000g, a value corresponding to an accidental drop. The microsystems are both designed so to be integrated into the production line and to provide adhesion values in the final manufacturing steps, prior to wafer dicing.
L'introduzione di nuove tecniche di fabbricazione per la produzione di MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) necessita di un'accurata analisi e particolare attenzione è rivolta ai problemi di adesione. Infatti, questo fenomeno può colpire drasticamente l'affidabilità e la funzionalità di tali dispositivi, sia durante la fabbricazione sia durante il funzionamento. Lo scopo di questa tesi è progettare nuovi dispositivi per la misura dell'adesione, per studiarne i valori nel processo di incollaggio di wafers mediante metalli effettuato con una lega eutettica di alluminio e germanio. Un'indagine preliminare su accelerometri prodotti con questo processo è condotta per mezzo di analisi con microscopio a forza atomica: vengono studiate la rugosità, il potenziale superficiale e le cariche impiantate. Successivamente vengono illustrati i metodi di modellazione per la progettazione dei dispositivi ed una tecnica per la misura di adesione. Infine, vengono proposti due dispositivi finalizzati alla misurazione di energia e forza di adesione. Il primo dispositivo è in grado di misurare l'adesione in piano, il secondo può misurare l'adesione fuori piano. Questi dispositivi possono esercitare in statica forze paragonabili a quelle a cui è soggetto un microsistema commerciale sottoposto a un'accelerazione di 10000g, valore che si riscontra in caso di urti accidentali. I microsistemi sono entrambi progettati in modo che possano essere integrati nella linea produttiva e possano fornire valori di adesione già negli step finali di fabbricazione, antecedenti il taglio del wafer.
Modelling, simulation and design of MEMS for adhesion testing
BIRONDI, MATTEO
2019/2020
Abstract
The introduction of new fabrication techniques for the production of MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) requires careful analysis and particular attention is paid to adhesion problems. Indeed, this phenomenon can drastically affect the reliability and functionality of such devices, both during fabrication and during operation. The purpose of this thesis is to design new devices for the measurement of adhesion, to better study stiction problems in the wafer metal bonding carried out with an aluminium-germanium eutectic alloy. A preliminary investigation on accelerometers produced with this process is carried out with an atomic force microscope: the roughness, the surface potential and the implanted charges are studied. Modelling methods for MEMS design and a technique for adhesion measurement are then illustrated. Finally, two devices are proposed for measuring adhesion energy and adhesion force. The first device can measure in-plane adhesion, the second can measure out-of-plane adhesion. These devices can exert static forces comparable to those acting onto a commercial microsystem when accelerated up to 10000g, a value corresponding to an accidental drop. The microsystems are both designed so to be integrated into the production line and to provide adhesion values in the final manufacturing steps, prior to wafer dicing.| File | Dimensione | Formato | |
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https://hdl.handle.net/10589/173818