8/2/2019 Polymer Based

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C h a r a c t e r i z a t i o n o f A P o l y m e r - B a s e d MEMS P a c k a g i n g T e c h n i q u eP e j m a n M o n a j e m i ' , P a u l J . J o s e p h 2 , P a u l A . K o h l 2 , F a r r o k h A y a z i '' S c h o o l o f E l e c t r i c a l a n d C o m p u t e r E n g i n e e r i n g 2 S c h o o l o f C h e m i c a l a n d B i o m o l e c u l a r E n g i n e e r i n gG e o r g i a I n s t i t u t e o f T e c h n o lo g y , A t l a n t a , GA 3 0 3 3 2P h o n e : 4 0 4 -8 9 4 - 9 4 9 6 ; e - m a i l : a y a z i g e c e . g a t e c h . e d u

A b s t r a c tT h i s p a p e r p r e s e n t s c h a r a c t e r i z a t i o n o f a l o w - c o s tp o l y m e r - b a s e d t e c h n i q u e f o r w a f e r - l e v e l p a c k a g i n g o fm i c r oe l e c tr o me c ha n i c a l s ys t e m s ( M E M S ) . T h e p a c k a g i n gp r o c e s s d o e s n o t i m p o s e a n y s i z e l i m i t a t i o n t o t h e d e v i c e a n dc a n b e a p p l i e d t o a w i d e v a r i e t y o f MEMS d e v i c e s r e g a r d l e s so f s u b s t r a t e t y p e . O u r t e c h n i q u e u t i l i z e s t h e r m a ld e c o m p o s i t i o n o f a s a c r i f i c i a l p o l y m e r t h r o u g h a p o l y m e ro v e r c o a t c a p , f o l l o w e d b y m e t a l d e p o s i t i o n t o c r e a t eh e r m i t i c i t y . T h e m e t h o d h a s b e e n a p p l i e d t o s u r f a c e a n d b u l km i c r o m a c h i n e d s i l i c o n s t r u c t u r e s i n c l u d i n g r e s o n a t o r s ,t u n a b l e c a p a c i t o r s a n d a c c e l e r o m e t e r s . M e c h a n i c a l a n d

e l e c t r i c a l c h a r a c t e r i z a t i o n o f t h e p a c k a g e d d e v i c e s i s r e p o r t e dt o b e v e r y c l o s e t o t h e c o r r e s p o n d i n g v a l u e s b e f o r ep a c k a g i n g .K e y w o r d s : MEMS, HARPSS, t h e r m a l d e c o m p o s i t i o n ,s a c r i f i c i a l p o l y m e r , p o l y m e r o v e r c o a t .I n t r o d u c t i o n

MEMS p a c k a g i n g a d d s c o m p l e x i t y a n d s i g n i f i c a n tc o s t t o t h e m i c r o s y s t e m m a n u f a c t u r i n g . I n many a p p l i c a t i o n s ,h e r m i t i c i t y i s r e q u i r e d t o i s o l a t e t h e m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s (MEMS) f r o m t h e e n v i r o n m e n t [ 1 ] . S e v e r a lt e c h n i q u e s h a v e b e e n r e p o r t e d f o r w a f e r - l e v e l p a c k a g i n g o fMEMS d e v i c e s , i n c l u d i n g a v a r i e t y o f w a f e r b o n d i n g [ 2 - 6 ]a n d s a c r i f i c i a l - f i l m - b a s e d [ 7 , 8 ] m e t h o d s . M o s t o f t h er e p o r t e d t e c h n i q u e s a r e e i t h e r c o s t l y , h a v e s i z e l i m i t s , r e q u i r eh i g h - t e m p e r a t u r e , o r a r e d e v i c e - s p e c i f i c .T h i s w o r k r e p o r t s o n c h a r a c t e r i z a t i o n o f a l o w - c o s t w a f e r -l e v e l p a c k a g i n g p r o c e s s t h a t i s a p p l i c a b l e t o b o t h s u r f a c e a n db u l k - m i c r o m a c h i n e d s t r u c t u r e s , a f t e r t h e i r f a b r i c a t i o n i sc o m p l e t e d . O u r t e c h n i q u e i s b a s e d o n t h e r m a l d e c o m p o s i t i o no f a p o l y m e r i c s a c r i f i c i a l m a t e r i a l , U n i t y 2 0 0 0 ( P r o m e r u s ,L L C ) [ 9 , 1 0 ] , t h r o u g h a s p i n - c o a t e d s o l i d p o l y m e r o v e r c o a t ,A v a t r e l ( P r o m e r u s , L L C ) . T h e s a c r i f i c i a l m a t e r i a l u n d e r g o e st h e r m o l y t i c d e g r a d a t i o n i n a n o v e n t o c r e a t e a n a i r c a v i t y o nt o p o f t h e a c t i v e p a r t s o f t h e d e v i c e . T h e r m a l d e c o m p o s i t i o no f s a c r i f i c i a l p o ly me r s h a pp e ns a t l o w t e m p e r a t u r e s b e l o w2 5 0 C . T h i s p a c k a g i n g s c h e m e h a s c e r t a i n a d v a n t a g e s o v e rc u r r e n t p a c k a g i n g m e t h o d s . F i r s t , t h e r m a l h e a t i n g i s s t i c t i o n -f r e e a n d d o e s n o t r e q u i r e e t c h i n g h o l e s i n t h e o v e r c o a t . T h i ss i m p l i f i e s t h e p r o c e s s . S e c o n d , t h e c a p f o r m a t i o n i s d o n e b yr e g u l a r p h o t o l i t h o g r a p h y . T h i s e l i m i n a t e s t h e e r r o r sa s s o c i a t e d w i t h a l i g n i n g a c a p w i t h c a v i t y t o t h e MEMSw a f e r . A l s o , t h e p a c k a g e i s r e s i z a b l e . I n o t h e r w o r d s ,t h i c k n e s s o f t h e s a c r i f i c i a l p o l y m e r a n d t h e o v e r c o a t c a n b ea r b i t r a r i l y t a i l o r e d b a s e d o n t h e d e v i c e g e o m e t r y , s i z e a n da p p l i c a t i o n . C a v i t i e s a s t h i n a s 1 i m c a n b e c r e a t e d b y

l i t h o g r a p h y . T h e s a c r i f i c i a l p o l y m e r c a n b e d i s p e n s e d t oc r e a t e c a v i t i e s a s t h i c k a s f e w m i l l i m e t e r s ( w h i c h i si m p o s s i b l e b y w a f e r - t o - w a f e r b o n d i n g o r b y d e p o s i t i o n o fs a c r i f i c i a l i n o r g a n i c f i l m s ) . T h e p o l y m e r o v e r c o a t c a n b e s p i nc o a t e d t o c r e a t e c a p s u l e s a s t h i n a s f e w m i c r o m e t e r s o r a st h i c k a s f e w 1 0 0 m ic r om et e rs . M o r e o v e r , t h e r m a l r e l e a s e o fMEMS a n d p a c k a g e c a n b e d o n e s i m u l t a n e o u s l y b y u s i n g t h es a c r i f i c i a l p o l y m e r i n t h e d e v i c e f a b r i c a t i o n a n d p a c k a g i n g .

T h e r m a l l y d e p o l y m e r i z a b l e p o l y c a r b o n a t e s h a v e b e e nu s e d t o c r e a t e m i c r o f l u i d i c c h a n n e l s o n s i l i c o n [ 1 1 ] .P a t t e r n i n g t h e s e p o l y m e r s r e q u i r e s e l e c t r o n b e a m l i t h o g r a p h ya n d t h e d e p o l y m e r i z a t i o n s t a r t s a b o v e 3 0 0 C . A l s o c r e a t i o n o fa i r c h a n n e l s h a s b e e n r e p o r t e d i n [ 1 2 ] , w h e r e f l u o r o c a r b o n sd e p o s i t e d b y c h e m i c a l v a p o r d e p o s i t i o n ( C V D ) a r e t h e r m a l l yd e p o l y m e r i z e d a t a b o u t 3 0 0 C . I n o u r m e t h o d , t h e s a c r i f i c i a lp o l y m e r i s c r e a t e d b y s p i n c o a t i n g o r d i s p e n s i n g a n d c a n b ep h o t o d e f i n e d u s i n g r e g u l a r o p t i c a l e x p o s u r e t o o l s .T h e p o l y m e r e n c a p s u l a t i o n i s c o s t - e f f e c t i v e a n d r e q u i r e scommon p r o c e s s i n g t o o l s i n c l u d i n g s p i n n e r s , m a s k a l i g n e r s ,a n d o v e n s . H e r m i t i c i t y i s o b t a i n e d b y s p u t t e r i n g , e v a p o r a t i o no r e l e c t r o p l a t i n g o f a m e t a l h a v i n g a t h e r m a l c o e f f i c i e n t o fe x p a n s i o n ( C T E ) c l o s e t o t h a t o f s u b s t r a t e .M e t a l - O r g a n i c P a c k a g e D e s c r i p t i o nF i g u r e l . a s h o w s t h e s c h e m a t i c s o f a m e t a l - o r g a n i cp a c k a g e d b e a m r e s o n a t o r i n s i l i c o n - o n - i n s u l a t o r ( S O I )s u b s t r a t e . F i g u r e l . b i s t h e e l e c t r o n m i c r o g r a p h o f a p a c k a g e db e a m r e s o n a t o r . T h e c a v i t y i s o n l y 80imx 1 2 0 i m x 1 5 p i m .

( a )

( b . . . . . . . . . . . . . . .. . . . .

F i g . 1 . a ) S c h e m a t ic s o f a p a c k a g e d S O I b e a m r e s o n a t o r ( 1 5 , u mt h i c k ) , b ) E l e c t r o n m i c r o s c o p e v i e w o f a p a c k a g e d r e s o n a t o r [ 1 0 ]1 - 4 2 4 4 - 0 2 6 1 - 1 / 0 6 / $ 2 0 . o o A 2 0 0 6 I E E E . 1 3 9

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I n F i g u r e l . a , t h e m e t a l - o r g a n i c s q u a re o v e r co a t h a s aw i d t h , L , p o l y m e r t h i c k n e s s , t p o l y m e r , a n d m e t a l t h i c k n e s s ,t M e t a l . T h e a i r c a v i t y i s c r e a t e d b y t h i c k n e s s o f t h e s a c r i f i c i a lp o l y m e r , t C a v i y . T h e m ax i mu m c a p b e n d i n g d u e t o t h e p r e s s u r ed i f f e r e n c e b e t w e e n i n s i d e a n d o u t s i d e t h e c a v i t y , A p , s h o u l db e l e s s t h a n t C a v i y . . T h e p a c k a g e d e s i g n s h o u l d p r e d i c t t h ep r o p e r t h i c k n e s s o f t h e s a c r i f i c i a l p o l y m e r t o c o m p l e t e l yc o v e r t h e MEMS h o l e s . A l s o , t h e m i n i m u m o v e r c o a tt h i c k n e s s , r e q u i r e d t o t o l e r a t e t h e p r e s s u r e d i f f e r e n c e , A ps h o u l d b e c a l c u l a t e d . F o r t h e r e c t a n g u l a r c a p o f F i g u r e l . a . ,t h e p a c k a g e b e n d i n g , Z , i s f o r m u l a t e d i n ( 1 ) [ 1 3 ] . H e r e t c , Ea n d , v a r e t h e c a p e f f e c t i v e t h i c k n e s s , Y o u n g ' s m o d u l u s , a n dP o i s s o n r a t i o , r e s p e c t i v e l y :Ap- 2 t Z+ 2 4E t 3 C Z + ( 2) t L Z 32 L 2 3 ( 1 - v ) L4C 1 2 8 ( l 1 - v ) L 4 C

F o r a c i r c u l a r c a p w i t h r a d i u s , r , e q u a t i o n ( 1 ) c a n b er e w r i t t e n a s ( 2 ) :A p 4 o - t + 1 6 7 4 E t 3 Z + ( 7 - v ) t C z 3r 2 3 ( l 1 _ V 2 ) r 4 3 ( l 1 _ V ) r 4

a n d e x p e d i t e t h e e v a c u a t i o n . T h e m e t a l f i l m i s d e p o s i t e d a s i nF i g u r e 2 . d . F i n a l l y t o g e t a c c e s s t o t h e p a d s , t h e m e t a l f i l ma n d c o n s e q u e n t l y t h e i s o l a t i o n f i l m a r e p a t t e r n e d a n d e t c h e d( F i g u r e 2 . e ) .

( a )

I n s u l a t o r

( b )P o l y m e r o v e r c o a t `( 2 )

T h e t h r e e t e r m s i n e q u a t i o n s ( 1 , 2 ) r e p r e s e n t t h i n f i l mr e s i d u a l s t r e s s , p l a t e b e n d i n g d u e t o f l e x u r a l r i g i d i t y , a n d i n -p l a n e s t r e t c h i n g , r e s p e c t i v e l y . F o r t h i n - f i l m s , t h e s e c o n d t e r mi s u s u a l l y t h e l a r g e s t t e r m . F o r t h e s q u a r e c a p w i t h a c a v i t yh e i g h t , t C a v i l y , t c s h o u l d b e d e s i g n e d s o t h a t t h e maximum p l a t eb e n d i n g ( Z m a x ) i s l e s s t h a n t c a v i t y :3 ( 1 V2 ) L 4 A p 3Z m a x - 2 E t ( 3 )

F o r t h e m e t a l - o r g a n i c p a c k a g e , t h e Y o u n g ' s m o d u l u s o ft h e m e t a l f i l m i s o r d e r s o f m a g n i t u d e l a r g e r t h a n t h a t o f t h ep o l y m e r . F o r g o l d , E=79GPa a n d v o 0 . 4 4 . U s i n g a 1 I m t h i c kg o l d o v e r c o a t i n e q u a t i o n ( 3 ) a n d t h e m e n t i o n e d v a l u e s f o r E ,v , a n d A p = l a t m y i e l d s Z m a x = 1 . 5 7 [ t m . T h e r e f o r e a s a c r i f i c i a lp o l y m e r w i t h m i n i m u m t h i c k n e s s o f 2p m i s r e q u i r e d t oe n s u r e t h a t t h e MEMS p a c k a g e w i l l s u r v i v e t h e p r e s s u r ed i f f e r e n c e w i t h o u t c o l l a p s i n g . T h e p o l y m e r o v e r c o a t c a n b es e l e c t e d a m o n g v a r i e t y o f p h o t o - d e f i n a b l e p o l y m e r s w i t h h i g hg l a s s t r a n s i t i o n t e m p e r a t u r e .

( c )

M e t a l o v e r c o a t >

( d )

( e )F i g . 2 . P o l y m e r - b a s e d p a c k a g i n g p r o c e s s .

MEMS P a c k a g i n g P r o c e s sF i g u r e 2 d e s c r i b e s t h e p a c k a g i n g s t e p s . I n F i g u r e 2 . a . , t h es a c r i f i c i a l m a t e r i a l i s f i r s t s p i n - c o a t e d o r d i s p e n s e d t o c o v e rt h e a c t i v e MEMS c o m p o n e n t s ( s u c h a s b e a m i n a b e a mr e s o n a t o r ) . I n F i g u r e 2 . b , a l a y e r o f i n s u l a t o r s u c h a s s i l i c o nd i o x i d e i s d e p o s i t e d p r i o r t o p o l y m e r o v e r c o a t f o r m a t i o n . T h i sl a y e r i n c r e a s e s t h e r i g i d i t y o f t h e p a c k a g e [ 1 4 ] a n d c r e a t e si s o l a t i o n b e t w e e n MEMS b o n d p a d s a n d m e t a l p a c k a g e . T h ep o l y m e r o v e r c o a t i s s p i n c o a t e d a n d p a t t e r n e d t o c o v e r t h eMEMS e x c e p t t h e b o n d p a d s . T h e s a c r i f i c i a l m a t e r i a l i s t h e nd e c o m p o s e d a t 2 0 0 - 2 5 0 C . T h i s i s t h e h i g h e s t t e m p e r a t u r es t e p i n t h i s p r o c e s s . T h e b y - p r o d u c t s o f t h e r m a ld e c o m p o s i t i o n ( o x y g e n , h y d r o g e n , c a r b o n m o n o x i d e , e t c . )p e r m e a t e t h r o u g h t h e p o l y m e r o v e r c o a t ( F i g u r e 2 . c ) . T h eo r g a n i c p a c k a g e i s l e f t i n a m e t a l d e p o s i t i o n c h a m b e r s u c h a sa n e l e c t r o n b e a m e v a p o r a t o r o r a DC s p u t t e r e r . T h e p a c k a g es h o u l d b e l e f t f o r e n o u g h t i m e p r i o r t o d e p o s i t i o n t o c r e a t evacuum i n s i d e t h e c a v i t y . H e a t i n g c a n i n c r e a s e g a s d i f f u s i v i t y

T a b l e 1 l i s t s t h e p r o c e s s i n g s t e p s i n d e t a i l f o r U n i t y a n dA v a t r e l . F o r a U n i t y f o r m u l a t e d w i t h p h o t o - a c i d g e n e r a t o r( P A G ) , t h e d e v e l o p m e n t i n v o l v e s P A G - a s s i s t e dd e c o m p o s i t i o n o f t h e e x p o s e d a r e a a t a r o u n d 1 1 0 C o n ah o t p l a t e f o l l o w e d b y a s h o r t d i p i n i s o p r o p a n o l a l c o h o l .TABLE IPOLYMER P R O C E S S I N G PARAMETERSP a r a m e t e r U n i t y ( 9 p m ) A v a t r e l ( 1 0 i m )S p i n c o a t i n g s p e e d 3 8 0 0 r p m 4 2 0 0 r p mS o f t b a k e l 0 m i n / 1 1 0 C l 0 m i n / 1 0 0 0 CE x p o s u r e I J / c m 2 ( 2 4 0 n m ) 0 . 2 J / c m 2 ( 3 6 5 n m )

P o s t - e x p o s u r e b a k e l 0 m i n / 1 0 0 0 CD e v e l o p m e n t - 1 0 m i n / 1 1 0 C S p r a y - 1 m i n

D e c o m p o s i t i o n 1 C / m i n t o 1 6 0 0 C , h o l d f o r 1 h o u r1 C / m i n t o 2 5 0 0 C , h o l d f o r 2 h o u r sD i s p e n s i n g o f s a c r i f i c i a l p o l y m e r c a n b e d o n e u s i n g a s y r i n g et o c r e a t e a d o m e - s h a p e d c a p s u l e . T h i s i s s u i t a b l e f o r b u l k

1 - 4 2 4 4 - 0 2 6 1 - 1 / 0 6 / $ 2 0 . 0 0 A 2 0 0 6 I E E E .4 0

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m i c r o m a c h i n e d s t r u c t u r e s w i t h w i d e a n d d e e p c a v i t i e s . T h i sm e t h o d i s e s p e c i a l l y s u i t a b l e f o r MEMS d e v i c e s w i t h d e l i c a t ec o m p o n e n t s t h a t ma y b r e a k d u r i n g s a c r i f i c i a l m a t e r i a l s p i nc o a t i n g . T h e e x a m p l e s i n c l u d e MEMS a c c e l e r o m e t e r s a n dg y r o s c o p e s .C h a r a c t e r i z a t i o n o f t h e P o l y m e r P a c k a g eF i r s t , t h e e l e c t r i c a l , m e c h a n i c a l , t h e r m a l , a n d o p t i c a lp a r a m e t e r s o f A v a t r e l w e r e m e a s u r e d , a s l i s t e d i n t a b l e 2 . T h es m a l l d i e l e c t r i c c o n s t a n t i s s u i t a b l e f o r l o w - l o s s RF MEMSp a c k a g i n g . T h e g l a s s t r a n s i t i o n t e m p e r a t u r e o f A v a t r e l( - 3 0 0 0 C ) i s m u c h h i g h e r t h a n t h a t o f U n i t y ( - 1 O O C ) .TABLE I IMEASURED P R O P E R T I E S OF AVATREL [ 1 5 ]|EquipmentE l e c t r i c a lP e r m i t i v i t y a t 1 G H z 2 . 5 7 h p n e t w o r k a n a l y z e r

M e c h a n i c a lY o u n g ' s m o d u l u s ( a t 2 5 0 C ) |2GPa H y s i t r o n n a n o i n d e n t e rP o i s s o n ' s r a t i o 0 . 3 H y s i t r o n n a n o i n d e n t e rThermalG l a s s t r a n s i t i o n t e m p e r a t u r e 3 0 0 0 C KLA T e n c o r p r o f i l e rO p t i c a lI n d e x o f r e f r a c t i o n 1 . 5 - 1 . 6 W o o l l a m e l l i p s o m e t e r

T h e r e d u c e d - t h i c k n e s s o f A v a t r e l a n d i t s s t r e s s a f t e rc u r i n g w a s m e a s u r e d u s i n g a c o n t a c t p r o f i l e r , a s s h o w n i nF i g u r e 3 . a A 1 0 p t m t h i c k A v a t r e l o v e r c o a t c a n h a v e a t e n s i l es t r e s s o f 4 . 5 G P a a f t e r c u r i n g a t 2 0 0 C ( a t y p i c a ld e c o m p o s i t i o n t e m p e r a t u r e u s e d f o r U n i t y ) .

6

0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 1 8 2 0A v a t r e l T h i c k n e s s , p i m

F i g . 3 . A v a t r e l s t r e s s v e r s u s t h i c k n e s s a f t e r c u r i n g a t 2 0 0 0 C .T h e p a c k a g i n g t e c h n i q u e w a s a p p l i e d t o p a c k a g e a v a r i e t y o fMEMS d e v i c e s . T h i s i n c l u d e s ( b u t n o t l i m i t e d t o ) i n e r t i a ls e n s o r s , r e s o n a t o r s , a n d R F p a s s i v e s .C h a r a c t e r i z a t i o n o f t h e P a c k a g e d R e s o n a t o r sF i g u r e 4 s h o w s t h e p a c k a g i n g o f a 2.6MHz b e a mr e s o n a t o r . F i g u r e 3 . a . s h o w s t h e v i e w g r a p h o f t h e r e s o n a t o rw i t h 1 p t m t r a n s d u c t i o n g a p b e f o r e p a c k a g i n g . F i g u r e 3 . b i s t h es a m e d e v i c e a f t e r p a c k a g i n g . T h e t h i c k n e s s o f s a c r i f i c i a lp o l y m e r s h o u l d b e a t l e a s t 2p m t o p r o p e r l y c o v e r t h e a i r g a p .T h i c kn e s s o f U n i t y , A v a t r e l , a n d g o l d a r e 9 p t m , 1 0 p t m , a n d2 . 5 p t m , r e s p e c t i v e l y . T h e p o l y m e r p r o c e s s i n g s t e p s a r e t h es a m e a s l i s t e d i n T a b l e 1 .

( a )

( b )

F i g . 4 . S c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o s c o p e v i e w o f a r e s o n a t o r : a ) b e f o r ea n d b ) a f t e r p a c k a g i n g b y p h o t o - d e f i n i n g U n i t y .T h e t i t a n i u m / g o l d w a s d e p o s i t e d i n a DC s p u t t e r e r i n ac h a m b e r p r e s s u r e o f a b o ut 6 mT o r r . E t c h i n g o f g o l d w a sp e r f o r m e d i n a T r a n s e n e g o l d e t c h e r . F i n a l l y t h e o x i d ei s o l a t i o n f i l m w a s r e m o v e d i n b u f f e r e d o x i d e e t c h ( B O E ) .F i g u r e 5 s h o w s t h e m i c r o s c o p e v i e w o f t h e c a v i t y a f t e rd e c o m p o s i t i o n a n d p r i o r t o m e t a l i z a t i o n . A v a t r e l i st r a n s p a r e n t t o v i s i b l e l i g h t , i t c a n b e s e e n t h a t t h e c a v i t y i sf r e e o f s a c r i f i c i a l p o l y m e r r e s i d u e s .

B e s i d e s p h o t o - d e f i n i n g a n d d i s p e n s i n g , U n i t y c a n b ec r e a t e d b y r e a c t i v e i o n e t c h i n g ( R I E ) o r m o l d i n g . R I E o f n o n -p h o t o d e f i n a b l e U n i t y r e q u i r e s u s i n g t i t a n i u m o r o x i d e t o b eu s e d a s t h e m a s k . A 5 0 s c c m , 200W o x y g e n p l a s m a a t5 O m T o r r p r e s s u r e , c a n e t c h U n i t y w i t h a r a t e o f 0 . 2 t m / m i n .B e s i d e s R I E , t h i s k i n d o f U n i t y c a n b e a l s o p a t t e r n e d b ym o l d i n g . F i g u r e 6 s h o w s a p a c k a g e c r e a t e d b y m o l d i n g 1 0 p Q mU n i t y . I n t h e m o l d i n g m e t h o d , t h e p a c k a g i n g s e q u e n c e s t a r t sw i t h d e p o s i t i o n o f a n o x i d e m o l d u s i n g p l a s m a e n h a n c e dCVD ( P E C V D ) , t o o v e r b r i d g e t h e t r e n c h e s . T h i s i s f o l l o w e db y p a t t e r n i n g t h e o x i d e w i t h a n e g a t i v e r e s i s t , a n d r e m o v i n go f o x i d e i n R I E . T h e n U n i t y i s s p i n c o a t e d a n d c ur ed o n t o po f t h e o x i d e . F i n a l l y o x y g e n p l a s m a r e m o v e s t h e U n i t y o n t o po f t h e m o l d a n d l e a v e s s o m e U n i t y o n t h e c h a n n e l . T h e o x i d em o l d i s r e m o v e d i n B O E . T h e m e t a l - o r g a n i c p a c k a g e i n t h i s

1 - 4 2 4 4 - 0 2 6 1 - 1 / 0 6 / $ 2 0 . o o A 2 0 0 6 I E E E . 1 4 1

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d e v i c e c o n s i s t s o f 2 p t m / 1 O i m c h r o m i u m / A v a t r e l l a y e r s .C h r o m i u m h a s a c l o s e CT E t o s i l i c o n .

F i g . 6 . S c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o s c o p e v i e w o f a p a c k a g e d r e s o n a t o rb y m o l d i n g U n i t y .A p a c k a g e d r e s o n a t o r w a s t e s t e d a t w a f e r - l e v e l i n s i d e av a c u u m p r o b e s t a t i o n . A DC p o l a r i z a t i o n v o l t a g e i n t h e r a n g eo f 7 0 - 8 0 V w a s a p p l i e d t o s u b s t r a t e , w h i l e t h e e l e c t r o d e s w e r ed i r e c t l y c o n n e c t e d t o t h e n e t w o r k a n a l y z e r . F i g u r e 7 ( a ) a n d( b ) s h o w t h e f r e q u e n c y r e s p o n s e o f t h e r e s o n a t o r i n v a c u u mb e f o r e a n d a f t e r p a c k a g i n g . T h e h i g h Q f a c t o r o f - 4 5 0 0 d i dn o t c h a n g e s i g n i f i c a n t l y f o r t h i s d e v i c e , p r o v i n g t h a t t h e r m a ld e c o m p o s i t i o n d o e s n o t a f f e c t t h e p e r f o r m a n c e o f t h e d e v i c e .

F i g . 7 . Q v e r s u s f r e q u e n c y f o r a b e a m r e s o n a t o r : a ) b e f o r e a n d b )a f t e r p a c k a g i n g u s i n g a n i n p u t s i g n a l l e v e l o f - 5 d B m .

T h e r e d u c t i o n i n Q i s d u e t o p r e s e n c e o f s m a l l r e s i d u e s o nt h e b e a m s u r f a c e t h a t i n c r e a s e t h e s u r f a c e l o s s . A s s h o w n i nF i g u r e 8 , Q a f t e r p a c k a g i n g ( Q p ) i s a lw a y s l o w e r t h a nu n p a c k a g e d Q ( Q u ) . T h e r e f o r e , t h e v i b r a t i o n a m p l i t u d e o f t h ep a c k a g e d r e s o n a t o r ( Q p A o ) a n d r e s o n a n c e f r e q u e n c y ( f p ) a r ea l w a y s l o w e r t h a n t h e u n p a c k a g e d a m p l i t u d e ( Q u A o ) a n dr e s o n a n c e f r e q u e n c y ( f u ) , r e s p e c t i v e l y . S e v e r a l b a t c h e s o fp a c k a g e d r e s o n a t o r s w e r e e x a m i n e d a n d i t w a s o b s e r v e d t h a ti n a v e r a g e , Q w a s d e g r a d e d b y 8 % a n d t h e f r e q u e n c y c h a n g e( A 4 ) w a s w i t h i n 0 . 2 % . A fA '

f p f uF i g . 8 . C o n c e pt u a l d em on st r a t i o n o f d e g r a d a t i o n i n Q a n d o u t p u tp o w e r a f t e r p a c k a g i n g .I n s o m e b a t c h e s , a l o w er d e c om p o si t i o n t e m p e r a t u r e w a su s e d ( 1 5 0 C ) a n d t h e p a c k a g i n g d i d n o t r e s u l t w o r k i n gs a m p l e s . A f t e r b r e a k i n g t h e p o l y m e r c a p , t h e U n i t y r e s i d u e sw e r e a n a l y z e d u s i n g a VEECO a t o m i c f o r c e m i c r o s c o p e( A F M ) i n t a p p i n g m o d e c o n f i g u r a t i o n . A s F i g u r e 9 s h o w s , t h et h i c k n e s s o f r e s i d u e s w a s m e a s u r e d f r o m t h e maximum h e i g h td i f f e r e n c e a n d i t w a s a b o u t 2 0 0 A . H e at in g t h e p a c k a g e dr e s o n a t o r s u p t o h i g h e r t e m p e r a t u r e ( - 2 5 0 C ) r e s o l v e d t h er e s i d u e i s s u e .

F i g . 9 . R e s i d u e a n a l y s i s u s i n g a VEECO AFM i n t a p p i n g m o d e .C h a r a c t e r i z a t i o n o f t h e P a c k a g e d HA R PS S V a r a c t o r sA v a r i a b l e c a p a c i t o r ( v a r a c t o r ) w a s c r e a t e d u s i n g t h e h i g ha s p e c t r a t i o s i n g l e c r y s t a l s i l i c o n a n d p o l y s i l i c o n ( H A R P S S )t e c h n o l o g y [ 1 6 ] . F i g u r e 1 0 s h o w s t h e HARPSS v a r a c t o rb e f o r e a n d a f t e r p a c k a g i n g . T h e v a r a c t o r i s m a d e b y u s i n g a1 - 2 p m g a p b e t w e e n p o l y s i l i c o n a n d s i l i c o n e l e c t r o d e s a n d t h es e r i e s r e s i s t a n c e h a s b e e n r e d u c e d b y e v a p o r a t i o n o f g o l d t oi n c r e a s e t h e e l e c t r i c a l Q f a c t o r . T h e 6 0 p t m t h i c k , 2 p FHARPSS c a p a c i t o r ( l m m x 1 . 5 m m a r e a ) s h o w s a t u n i n g r a n g eo f 2 : 1 b y a p p l y i n g a v o l t a g e o f a b o u t 2V [ 1 6 ] . T h e m e a s u r e de l e c t r i c a l Q i s a b o ut 5 0 a t 1 G H z . T h e m e t a l - o r g a n i c p a c k a g ed o e s n o t c h a n g e t h e DC p e r f o r m a n c e o f t h e d e v i c e , a l t h o u g hi t c a n c h a n g e t h e R F p e r f o r m a n c e . P a c k a g i n g w a s d o n e b yp a t t e r n i n g 1 5 p t m t h i c k u n i t y , a n d 20pm t h i c k A v a t r e l . T h eh e r m i t i c i t y w a s a d d e d t o t h e p o l y m e r p a c k a g e b y e v a p o r a t i o n

1 - 4 2 4 4 - 0 2 6 1 - 1 / 0 6 / $ 2 0 . o o A 2 0 0 6 I E E E .4 2

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o f 1 [ t m g o l d o v e r c o a t , e l i m i n a t i n g t h e e x t r a m a s k n e e d e d t op a t t e r n t h e m e t a l ( s t e p ' e ' i n F i g u r e 2 ) . M o r e o v e r , e v a p o r a t i o no f m e t a l o v e r c o a t i n s t e a d o f d e p o s i t i o n a n d e t c h i n g m e t a l ,e l i m i n a t e s t h e n e e d f o r d e p o s i t i o n a n d e t c h i n g t h e e x t r ai n s u l a t o r l a y e r b e f o r e A v a t r e l p a t t e r n i n g ( s t e p ' b ' i n F i g u r e 2 ) .T h e o n l y l i m i t a t i o n i s t h a t t h e t h i c k n e s s o f e v a p o r a t e d m e t a ls h o u l d b e l e s s t h a n t h i c k n e s s o f t h e p o l y m e r o v e r c o a t .

C h a r a c t e r i z a t i o n o f t h e P a c k a g e d HARPSS A c c e l e r o m e t e rHARPSS t e c h n o l o g y w a s u s e d t o f a b r i c a t e m i c r o - g r a v i t ys i l i c o n a c c e l e r o m e t e r [ 1 8 ] . F i g . 1 2 . a s h o w s a 5 0 p i m t h i c k ,1 . 8 m m x l . 5 m m X - a x i s a c c e l e r o m e t e r . F i g . 1 2 . b s h o w s t h ea c c e l e r o m e t e r , p a c k a g e d b y d i s p e n s i n g U n i t y a n d o v e r c o a t i n ga 1 2 0 i m t h i c k A v a t r e l o v e r c o a t . T h e s t a t i c s e n s i t i v i t y o f t h ep a c k a g e d a c c e l e r o m e t e r i s m e a s u r e d t o b e a b o u t 0 . 2 7 p F / g[ 1 0 ] .

F i g . 1 0 . S c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o s c o p e v i e w o f a HARPSS v a r a c t o r :a ) b e f o r e a n d b ) a f t e r p a c k a g i n g b y p h o t o - d e f i n i n g U n i t y .T h e g o l d - A v a t r e l p a c k a g e w a s c h a r a c t F

A g i l e n t 8 5 1 7 v e c t o r n e t w o r k a n a l y z e r . T h e Ii n s e r t i o n l o s s o f a b o u t 1 . 4 d B a t 1 GH z a n d 1 .t h e MEMS d e v i c e , a s s h o w n i n F i g u r e 1 1 .o n l y 20 % l a r g e r t h a n t h e d e v i c e . T h e h o r i z o ni n t h i s p a c k a g i n g m e t h o d d o n o t a d d a s i g n i fp a c k a g e . I n t h e w a f e r b o n d i n g m e t h o d s , t if o r m a l a r g e c o m p o n e n t o f t h e f i n a l MEMS p z

mU ,0-J0U ,-

e r i z e d u s i n g a np a c k a g e a d d s a n. 5 d B a t 5GHz t oT h e p a c k a g e i s[ t a l f e e d t h r o u g h s

I l I F i g . 1 2 . S c a n n i n ge l e c t r o n m i c r o s c o p e v i e w o f a HARPSS a c c e l e r o m e t e r : a ) n o n -p a c k a g e d a n d b ) p a c k a g e d b y d i s p e n s i n g U n i t y [ 1 0 ] .r i c a n s i z e t o m e C o n c l u s i o n sh e f e e d t h r o u g h s A l o w - c o s t l o w - t e m p e r a t u r e p a c k a g i n g t e c h n i q u e f o ra c k a g e s i z e [ 1 7 ] . w a f e r - l e v e l e n c a p s u l a t i o n o f MEMS d e v i c e s i s p r e s e n t e d . T h ep a c k a g i n g p r o c e s s d o e s n o t i n v o l v e w a f e r b o n d i n g , h i g ht e m p e r a t u r e d e p o s i t i o n o f LPCVD o r e p i t a x i a l f i l m s , o r w e te t c h i n g o f s a c r i f i c i a l t h i n - f i l m s . I t u t i l i z e s d e c o m p o s i t i o n o f as a c r i f i c i a l p o l y m e r t h r o u g h a p h o t o - d e f i n a b l e p o l y m e ro v e r c o a t . C a v i t i e s a s s m a l l a s 0 . 0 0 0 1 5 m m 3 ( f o r r e s o n a t o r s )a n d a s l a r g e a s 1 m m 3 ( f o r i n e r t i a l s e n s o r s ) w e r e c r e a t e d o nr e P a c k a g i n g MEMS d e v i c e s u s i n g 1 0 - 1 5 m t h i c k g o l d - A v a t r e l o rP a c k a g i n g c h r o m i u m - A v a t r e l p a c k a g e . T h e p a c k a g i n g h a s b e e ns u c c e s s f u l l y a p p l i e d t o e n c a p s u l a t e s u r f a c e / b u l km i c r o m a c h i n e d s t r u c t u r e s i n c l u d i n g b e a m r e s o n a t o r s o n S O Is u b s t r a t e w i t h r e d u c e d - s i z e f e e d t h r o u g h , HARPSS v a r a c t o r sa n d HARPSS a c c e l e r o m e t e r s . F o r t h e 2 . 6 MHz b e a mr e s o n a t o r s , a q u a l i t y f a c t o r o f a b o u t 4 5 0 0 w a s m e a s u r e db e f o r e a n d a f t e r p a c k a g i n g . F o r t h e HARPSS v a r a c t o r , t h eF r e q u e n c y , G H z g o l d - A v a t r e l p a c k a g e a dd s a bo ut 1 . 5 dB o f l o s s a t 5GHz a s ar e s u l t o f c a p a c i t i v e l o a d i n g o f t h e p a c k a g e . F o r t h eS S v a r a c t o r b e f o r e m i c r o g r a v i t y a c c e l e r o m e t e r , t h e s t a t i c s e n s i t i v i t y a f t e rp o l y m e r p a c k a g i n g i s a b o u t 0 . 2 7 p F / g . S t r e s s m e a s u r e m e n t o f1 - 4 2 4 4 - 0 2 6 1 - 1 / 0 6 / $ 2 0 . o o A 2 0 0 6 I E E E . 1 4 3

F i g . 1 1 . M e a s u r e d i n s e r t i o n l o s s o f t h e HARP'a n d a f t e r l o w - l o s s p a c k a g i n g

8/2/2019 Polymer Based

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t h e o r g a n i c c a p w a s p e r f o r m e d f o r d i f f e r e n t t h i c k n e s s e s a n dt h e d i f f e r e n t p a r a m e t e r s o f t h e p o l y m e r o v e r c o a t w a se x t r a c t e d .A c k n o w l e d g m e n t sT h e a u t h o r s w o u l d l i k e t o t h a n k S T Mi c r ol e c t r o n i c s f o rs u p p o r t i n g t h i s p r o j e c t a n d P r o m e r u s L L C f o r s u p p l y i n g t h em a t e r i a l s , e s p e c i a l l y e s p e c i a l l y J e f f K r o t i n e a n d E d E l c e f o rt h e v a l u a b l e d i s c u s s i o n s .R e f e r e n c e s[ 1 ] N a j a f i K , " M i c r o p a c k a g i n g T e c h n o l o g i e s f o r I n t e g r a t e dM i c r o s y s t e m s : A p p l i c a t i o n s t o MEMS a n d MOEMS,"S P I E MOEMSIMEMS ( S a n J o s e , C A ) p p . 1 - 1 2 , 2 0 0 3 .[ 2 ] L e e B , S e o k S , C h u n K , "A S t u d y o n W a f e r - L e v e lVacuum P a c k a g i n g f o r MEMS D e v i c e s , " J . M i c r o m e c h

M i c r o e n g i n e e r i n g , V o l . 1 3 , p p . 6 6 3 - 6 6 9 , 2 0 0 2 .[ 3 ] M i t c h e l J , L a h i j i G R a n d N a j a f i K , " E n c a p s u l a t i o n o fS e n s o r s i n a W a f e r - L e v e l P a c k a g e u s i n g a G o l d - S i l i c o nE u t e c t i c , " JIEEE T r a n s d u c e r s ( S e o u l , K o r e a ) p p . 6 6 3 - 6 6 9 ,2 0 0 5 .[ 4 ] P a n C T , Y a n g H , S h e n S C , C h o u M C a n d C h o u H P ,"A L o w - T e m p e r a t u r e W a f e r B o n d i n g T e c h n i q u e u s i n gP a t t e r n a b l e M a t e r i a l s , " J . M i c r o m e c h . M i c r o e n g . V o l . 1 2 ,6 1 1 -6 1 5 , 2 0 0 2 .[ 5 ] S p a r k s D , M a s s o u d - A n s a r i S a n d N a j a f i N , " L o n g - T e r mE v a l u a t i o n o f H e r m e t i c a l l y G l a s s F r i t S e a l e d S i l i c o n t oP y r e x W a f e r s w i t h F e e d t h r o u g h s , " J . M i c r o m e c h .M i c r o e n g . V o l . 1 5 , p p . 1 5 6 0 - 1 5 6 4 , 2 0 0 5 .[ 6 ] L i n L , "MEMS P o s t - P a c k a g i n g b y L o c a l i z e d H e a t i n g a n dB o n d i n g , " IEEE T r a n s . A d v . P a c k a g i n g V o l . 2 3 , p p . 6 0 8 -6 1 6 , 2 0 0 4 .[ 7 ] C a n d l e r R N , P a r k W T , L i H , Ya m a G , P a r t r i d g e A , L u t zM a n d K e n n y T W, " S i n g l e W a f e r E n c a p s u l a t i o n o fMEMS D e v i c e s , " IEEE T r a n s . A d v . P a ck . V o l . 2 6 , N o . 3 ,p p . 2 2 7 - 2 3 2 , 2 0 0 3 .[ 8 ] S t a r k B H a n d N a j a f i K , "A L o w - T e m p e r a t u r e T h i n - F i l mE l e c t r o p l a t e d M e t a l Vacuum P a c k a g e , " IEEE J .M i c r o e l e c t r o m e c h . S y s t . V o l . 1 3 , N o. 2 , p p. 1 4 7 - 1 57 , 2 0 0 4 .[ 9 ] J o s e p h P J , R e e d H A , H o n g s h i Z , R h o d e s L F , H e n d e r s o nC L , A l l e n S A . B a n d K o h l P A , " A i r - C h a n n e l F a b r i c a t i o nf o r M i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a l S y s t e m s v i a S a c r i f i c i a lP h o t o s e n s i t i v e P o l y c a r b o n a t e s , " IEEE J .M i c r o e l e c t r o m e c h . S y s t . V o l . 1 2 , N o . 2 , p p . 1 4 7 - 1 5 7 , 2 0 0 3 .[ 1 0 ] M o n a j e m i P , J o s p e h P , K o h l P , A y a z i F "A L o w - C o s tW a f e r - L e v e l MEMS P a c k a g i n g T e c h n o l o g y , " P r o c . IEEEMEMS, M i a m i , F L , 2 0 0 5 , p p . 6 3 4 - 6 3 7 .[ 1 1 ] H a m e t t C , S a t y a l a k s h m i K , C o a t e s G a n d C r a i g h e a d H ," D i r e c t E l e c t r o n - B e a m P a t t e r n i n g o f S u r f a c e C o a t i n g s a n dS a c r i f i c i a l L a y e r s f o r M i c r o - T o t a l A n a l y s i s S y s t e m s , " J .o f P h o t o p o l y m e r S c i . T e c h . , V o l . 1 5 , p p . 4 9 3 - 4 9 6 , 2 0 0 2 .[ 1 2 ] C h a n K , C a s s e r l y T , L o o L , G l e a s o n K , " A i r D i e l e c t r i cF a b r i c a t i o n v i a CVD S a c r i f i c i a l M a t e r i a l s , " P r o c . MR SS y m p . V o l . 7 6 6 ( M a t e r i a l s , T e c h n o l o g y , a n d R e l i a b i l i t y f o rA d v a n c e d I n t e r c o n n e c t s a n d L o w - k D i e l e c t r i c s ) , S a n

[ 1 3 ] S e n t u r i a S D , " M i c r o s y s t e m D e s i g n , " K l u w e r A c a d e m i cP u b l i s h e r s . , ( N e w Y o r k , 2 0 0 1 ) .[ 1 4 ] J o s e p h P J , R e e d H A , A l l e n , S A . B . ; K o h l , P A ," I m p r o v e d F a b r i c a t i o n o f M i c r o A i r - C h a n n e l s b yI n c o r p o r a t i o n o f a S t r u c t u r a l B a r r i e r , " J . M i c r o m e c h .M i c r o e n g . V o l . 1 5 , p p . 3 5 - 4 2 , 2 0 0 5 .[ 1 5 ] P a t e l K S , K o h l P A a n d A l l e n S A . B " T h r e e - D i m e n s i o n a lD i e l e c t r i c C h a r a c t e r i z a t i o n o f P o l y m e r F i l m s , " J . A p p l i e dp o l y m e r S c i e n c e V o l . 8 0 , p p . 2 3 2 8 - 2 3 3 4 , 2 0 0 1 .[ 1 6 ] M o n a j e m i P a n d A ya z i F , "A H i g h - Q L o w - V o l t a g eHARPSS T u n a b l e C a p a c i t o r , " IEEE I n t e r n a t i o n a lM i c r o w a v e S y m p o s i u m ( L o n g B e a c h , C A ) p p . 7 4 9 - 7 5 2 ,2 0 0 5 .[ 1 7 ] M u l d a v i n J , B o z l e r C , R a b e S , K e a s t C , " W i d e - B a n dL o w - L o s s MEMS P a c k a g i n g T e c h n o l o g y , " IEEEI n t e r n a t i o n a l M i c r o w a v e S y m p o s i u m ( L o n g B e a c h , C A )p p . 7 6 5 - 7 6 8 , 2 0 0 5 .[ 1 8 ] M o n a j e m i P a n d A ya z i F , " A n a l y t i c a l D e si gn a ndI m p l e m e n t a t i o n o f a M i c r o - G r a v i t y HARPSSA c c e l e r o m e t e r , " P r o c . S e n s o r s J o u r n a l , V o l . 6 , N o . 1 ,p p . 3 9 - 4 7 , 2 0 0 6 .

F r a n c i s c o , C A , A p r i l 2 0 0 3 .1 - 4 2 4 4 - 0 2 6 1 - 1 / 0 6 / $ 2 0 . o o A 2 0 0 6 I E E E .4 4