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

• Autores: Humberto Campanella Pineda
• Directores de la Tesis: Maria Aranzazu Uranga del Monte (dir. tes.), Jaume Esteve Tintó (dir. tes.)
• Lectura: En la Universitat Autònoma de Barcelona ( España ) en 2007
• Idioma: inglés
• Tribunal Calificador de la Tesis: Robert Plana (presid.), Salvador Mir (secret.), Emilio Lora Tamayo (voc.), Pascal Nouet (voc.), Enrique Iborra Grau (voc.)
• Materias:
  • Ciencias tecnológicas
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en:  TDX  DDD 
• Resumen

  • El gran impacto de la tecnología FBAR tanto en sistemas de radio frecuencia como más recientemente en sensores han motivado el desarrollo de aplicaciones integradas. Esto implica que los procesos de fabricación deberían lograr producir dispositivos resonadores con un alto factor de calidad, al tiempo que permitir la integración de los FBAR con tecnologías CMOS estándar. De tal manera, esta tesis doctoral aborda dichos requerimientos, contribuyendo con el diseño, fabricación y caracterización de resonadores FBAR; su integración con tecnologías CMOS estándar; y su aplicación a sistemas de sensores. El desarrollo de la tecnología de fabricación de los FBAR ha involucrado la puesta a punto de las técnicas de depósito y micro-mecanización de la estructura en capas del resonador, la cual está comprendida por una película de material acústico hecha de nitruro de aluminio (AlN). Se realizaron diversas pruebas para analizar la calidad del AlN depositado. También se probaron y pusieron a punto diferentes tecnologías de micro¬mecanización para liberar la estructura del FBAR, destacando entre ellas la técnica de ataque en seco por la cara de componentes, dados los altos factores de calidad obtenidos (superiores a 2.000 a 2,4 GHz). Sobre los dispositivos fabricados se realizaron caracterizaciones estructurales, modelos utilizando análisis de elementos finitos y la extracción de parámetros de circuito equivalente. Una variación del proceso que involucraba el diseño, modelado y fabricación de un dispositivo FBAR con compensación de temperatura fue igualmente desarrollada. En este ámbito vale la pena resaltar la concepción y realización de una novedosa técnica post-fabricación para el ajuste fino de la frecuencia de resonancia de los FBAR por medio de un haz de iones focalizados (FIB). Basado en la tecnología arriba mencionada, se desarrolló un método de integración heterogénea a nivel de oblea de los dispositivos FBAR en sustratos CMOS estándar. De acuerdo con este método, se logró fabricar por primera vez dispositivos FBAR flotando sobre sustratos CMOS estándar. Este método ha sido exitosamente demostrado por medio de la integración de los FBAR tanto con la tecnología comercial AMS035 como con la CNM25, desarrollada en el CNM-IMB (CSIC). En el terreno de las aplicaciones, se diseñaron y realizaron diferentes aplicaciones de sensores basadas en FBAR, siendo el detector de masas localizadas la más relevante de entre ellas. Es de anotar que esta aplicación fue demostrada por primera vez utilizando FBARs de alta frecuencia como elemento sensor. De tal forma, se contrastaron los resultados experimentales y de modelado del sensor. Por otra parte, se presenta también el concepto de sensores mecánicos basados en FBAR. Para ello se han desarrollado dos ejemplos: el acelerómetro basado en FBAR y el sensor de fuerza para aplicaciones de puntas de AFM. Se reporta también en esta tesis la fabricación y caracterización de un nuevo tipo de resonadores acústicos de AlN sin contacto entre electrodos.