Process development for magnetic thin films integration in MEMS

This thesis work was carried out at PoliFAB, the micro and nanotechnology center of the Politecnico di Milano, and presents advances in the integration of magnetic thin films in MEMS. Furthermore, it discusses a novel design for a magnetic-torque-based MEMS magnetometer, exploiting the variation of eigenfrequency of resonating beams when subjected to an axial force. The device employs a differential sensing mechanism to increase the sensitivity, which optimization is done with FEM simulations using COMSOL Multiphysics. Stiction and residual stresses are taken into account in the design for reliability. The process flow to fabricate this device comprehends lithography and wet etching of the contacts, lithography for the selective deposition of the magnetic material (samarium cobalt) through sputtering, deposition of a protective layer and lithography for its reactive ion etching, and lithography for deep reactive ion etching of the silicon MEMS structure and its release in vapor HF. The steps are optimized in PoliFAB cleanroom facility, obtaining through lift-off a holed magnetic structure resistant to MEMS fabrication processes. Magnetic FDM simulations using ubermag validate the experimental hysteresis curves obtained for SmCo continuous and patterned films, permitting to understand the influence of grain size and different phases on the magnetization curves.

Questo lavoro di tesi e stato svolto presso PoliFAB, il centro delle micro e nanotecnologie del Politecnico di Milano, e presenta avanzamenti nell’integrazione di film magnetici nei MEMS. Inoltre, mostra un nuovo design per un magnetometro MEMS basato sul momento magnetico, sfruttando la variazione della frequenza di risonanza di travi sottoposte a una forza assiale. Il dispositivo impiega un meccanismo di rilevamento differenziale per aumentare la sensibilità, la cui ottimizzazione è eseguita con simulazioni FEM utilizzando COMSOL Multiphysics. Nella progettazione si tiene conto dell’adesione e degli stress residui per garantire l’affidabilità del dispositivo. Il flusso di processo per fabbricare questo dispositivo comprende la litografia e l’attacco chimico dei contatti, la litografia per la deposizione selettiva del materiale magnetico (samario cobalto) tramite sputtering, la deposizione di uno strato protettivo e la litografia per il suo etching con plasma reattivo, e la litografia per l’etching profondo reattivo del silicio nella struttura MEMS e il suo rilascio in HF in fase vapore. I passaggi sono ottimizzati presso la camera bianca di PoliFAB, ottenendo tramite lift-off una struttura magnetica forata resistente ai processi di fabbricazione di MEMS. Simulazioni magnetiche FDM con ubermag validano le curve di isteresi sperimentali ottenute per i film di SmCo continui e patternati, permettendo di comprendere l’influenza delle dimensioni dei grani e delle diverse fasi sulle curve di magnetizzazione.