ABSTRACT DEVELOPMENT OF A MICRO-FABRICATION PROCESS SIMULATOR FOR MICRO-ELECTRO-MECHANICAL SYSTEMS (MEMS) Yildirim, Alper M.S, Department of Mechanical Engineering Supervisor: Asst. Prof. Dr. Melik D&ouml / len December 2005, 140 pages The aim of this study is to devise a computer simulation tool, which will speed-up the design of Micro-Electro-Mechanical Systems by providing the results of the micro-fabrication processes in advance. Anisotropic etching along with isotropic etching of silicon wafers are to be simulated in this environment. Similarly, additive processes like doping and material deposition could be simulated by means of a Cellular Automata based algorithm along with the use of OpenGL library functions. Equipped with an integrated mask design editor, complex mask patterns can be created by the software and the results are displayed by the Cellular Automata cells based on their spatial location and plane. The resultant etched shapes are in agreement with the experimental results both qualitatively and quantitatively. Keywords: Wet Etching, Anisotropic Etching, Doping, Cellular Automata, Micro-fabrication simulation, Material Deposition, Isotropic Etching, Dry Etching, Deep Reactive Ion Etching

Un microgyromètre 3 axes permet avec une structure unique de mesurer la vitesse de rotation d’un objet autour des trois axes de l’espace. Les micro-gyromètres 3 axes existants sont peu nombreux et typiquement résonants, fabriqués en technologie silicium par micro-usinage de surface, à transductions électro-statiques, et conçus pour des applications de fort volume ou la taille et le coût sont des critères majeurs. Dans cette thèse nous avons étudié la transduction et le procédé de fabrication d’un gyromètre résonant 3 axes à actionnement et détection piézoélectriques, fabriqué par micro-usinage de volume dans du GaAs semi-isolant, et dont les performances sont potentiellement très supérieures à l’état de l’art tout en conservant une taille et un coût limité. Ce microgyromètre nécessite une transduction piézoélectrique 3D et un routage des connexions électriques qui ont été modélisés et optimisés pour réduire les couplages parasites entre les modes de détection et le mode pilote. Un procédé original de fabrication collective du microgyromètre a été développé, modélisé et caractérisé. Ce procédé utilise notamment une gravure ionique réactive très profonde et traversante du GaAs dans un plasma BCl3-Cl2. Il est démontré pour la première fois qu’une gravure anisotrope traversante de tranchées de 450 μm de profondeur peut être réalisée grâce à une optimisation des paramètres de gravure et à l’utilisation d’un masque en résine. Un procédé original de dépôt et de délimitation d’électrodes Au/Cr sur les flancs verticaux d’une structure gravée par évaporation sous incidence oblique avec rotation du substrat et à travers un masque pochoir en film sec photosensible a aussi été étudié en détail. Une caractérisation fine de la structure cristalline, de la résistivité et des contraintes mécaniques avant, pendant et après recuit des couches Au/Cr poreuses évaporées sous incidence oblique a été menée. Des micro-gyromètres complets avec tout le système de transduction 3D ont été réalisés. Des premières caractérisations par vibrométrie optique hors du plan et dans le plan des gyromètres réalisés démontrent des résultats encourageants. Enfin, différentes voies d’amélioration de la conception et du procédé sont proposées. / A 3 axis gyroscope allows, with a single mechanical structure, the measurement of rotation rates of an object around 3 perpendicular spatial axes. Existing 3 axis microgyroscopes are scarce and typically resonating, made in silicon technology by surface micromachining, use electrostatic transductions and are designed for high volume applications where size and cost are major characteristics. In this thesis we investigated the transduction and fabrication process of a resonating 3 axis microgyroscope having piezoelectric actuation and detection, made in semi-insulating GaAs by bulk micromachining, and with performances potentially much higher than state of the art while limiting the size and cost. This microgyroscope requires a 3D piezoelectric transduction and circuitry which were modelled and optimized to reduce cross-talks effects. An original batch fabrication process was developed, modelled and characterized. This process notably makes use of very deep through wafer reactive ion etching of GaAs in a BCl3-Cl2 plasma. It is demonstrated for the first time that a through wafer highly anisotropic etching of 450 μm deep trenches can be realized owing to etching parameters optimization and the use of a resist masking layer. An original deposition and patterning process of Au/Cr electrodes on the vertical walls of an etched structure by oblique evaporation on rotated substrate through a dry film shadow mask has also been investigated in details. A fine characterization of the crystallographic structure, resistivity and mechanical stress before, during and after annealing of Au/Cr films evaporated under oblique incidence has been performed. Full microgyroscopes with the whole 3D tranduction system were realized. Preliminary characterizations of realized gyroscopes by out-of-plane and in-plane optical vibrometry demonstrated promising results. Finally, different ways to improve the design and fabrication process are proposed.

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung und Herstellung von Fabry-Pérot Interferometern (FPI) für die spektrale Analyse von Gasen und Flüssigkeiten. Die FPI werden miniaturisiert mittels Siliziumtechnologie hergestellt und ermöglichen kleine Mikrospektrometer mit hohem Auflösungsvermögen. Die vorliegende Dissertation untersucht Technologie- und Herstellungskonzepte für den sichtbaren (VIS) und infraroten (IR) Spektralbereich mit jeweils unterschiedlichen Reflektorkonzepten. Im VIS-Spektralbereich erfolgt neben der Entwicklung von Bragg-Reflektoren auch die Betrachtung von strukturierten, dielektrischen Membrangittern und strukturierten Metallgittern auf dielektrischen Membranen für eine Einsatzmöglichkeit im FPI. Dabei wird ebenfalls die Entwicklung einer Herstellungs- und Strukturierungstechnologie für hochbrechendes Titandioxid durchgeführt, um einen Bragg-Reflektor mit höheren Brechzahlkontrast zu realisieren. Im IR-Spektralbereich stellen drei Bragg-Reflektorvarianten aus polykristallinem Silizium und Luft den Inhalt dieser Dissertation dar. Die hergestellten Reflektoren werden hinsichtlich ihrer Funktion messtechnisch charakterisiert und die Strukturintegration in einem FPI und Etalon anhand von ausgewählten Reflektoren vorgestellt.

Three ionic liquids (ILs), trihexyltetradecylphosphonium tetrafluoroborate (TTPT), N-butyl-4-methylpyridinium tetrafluoroborate (BMPT), and 1-methyl-3- octylimidazolium tetrafluoroborate (MOIC), were utilized to prepare sol- gel sorbent coatings. Non-polar polydimethylsiloxane (PDMS) and polar poly(ethylene glycol) (PEG), poly(tetrahydrofuran) (PolyTHF) and bis[(3-methyldimethoxy-silyl)propyl] polypropylene oxide (BMPO) polymers were employed to develop novel ionic liquidmediated sol- gel hybrid organic- inorganic sorbents. The novel sorbents were first tested as coatings for capillary microextraction off-line hyphenated to gas chromatography. To gain an understanding of the role of the ionic liquids in the sol-gel process, the preconcentration abilities of these novel coatings were investigated for several classes of compounds utilizing CME-GC. This was accomplished by comparing GC peak areas of a series of analytes extracted on the ionic liquid mediated sol-gel CME coatings with that of analogous peak areas obtained on sol- gel coatings prepared without the ionic liquid. The morphology of these coatings was compared using scanning electron microscopy (SEM) imaging data. Overall, the ionic liquid-mediated sol- gel coatings had more porous morphologies than the sol-gel coatings prepared without ionic liquid. The PDMS andBMPO sol-gel coatings prepared with ionic liquid in the sol solution provided enhanced extraction sensitivity reflected in higher preconcentration effects and lower detection limits than the sol- gel coatings prepared without the ionic liquid. The polar IL-mediated BMPO sol- gel sorbent was further investigated by exploring the extraction profile and thermal stability of these coatings. A further application of ionic liquid-mediated sol-gel sorbents could be as stationary phases in a microchip-based separation system. Towards this goal, microfluidic channels were fabricated in glass substrates using microelectromechanical engineering. Spiral and serpentine channels were etched in Pyrex and fused silica wafers using wet and deep reactive ion etching (DRIE) techniques. Microfabrication protocols such as the use of hard mask and etching times were investigated for both techniques. DRIE produced microfluidic channels that had an etch quality that was superior to wet etched channels. Thus, the ultimate microchip-based separation system should by fabricated using DRIE.

Die vorliegende Arbeit beschreibt einen neuartigen Ablauf zur Herstellung eines Vibrationssensors auf Waferebene. Die Besonderheit des Sensors liegt in der Reduktion des Spaltmaßes der kapazitiven Elektroden im Anschluss an die Strukturerzeugung. Dies gelingt unter Nutzung des Mikroschweißprozess von Siliziumelementen. Hierbei sieht die innovative Fertigungstechnologie eine Strukturhöhe von 100 μm vor. Zusätzlich wird die Erarbeitung einer Struktur für die Durchführung eines Mikrozugversuchs auf Waferebene beschrieben. Dieser dient der Bestimmung der maximal ertragbaren Zugkraft mikromechanischer Schweißverbindungen und ermöglicht die fertigungsbegleitende Prozesskontrolle. Auf Basis der Messwerte lassen sich Rückschlüsse auf die Geometrie der Schweißstruktur ableiten als auch ein zerstörungsfreies Modell für die Vorhersage der Verbindungsfestigkeit entwickeln. Die Ergebnisbewertung umfasst die qualitative als auch quantitative Charakterisierung der Mikroschweißverbindung sowie die Bewertung des Vibrationssensors in Form eines Funktionsdemonstrators. / The Ph.D. thesis focuses on a novel approach for the fabrication of a MEMS accelerometer on wafer level. The technology relies on the micro welding process of silicon, which is utilized for fixing one component of the capacitive electrode system at a deflected position. Consequently, the gap width of the variable capacitor is reduced below 1 µm for a structure height of 100 µm. The silicon micro welding process is reviewed and investigated. By utilizing a micro tensile test, the maximum bearable load is deduced for different welding geometries. Following these results, a model for predicting the strength of the micro welding site is introduced, allowing for non destructive process monitoring. Finally, the characteristics of the MEMS accelerometer are measured on wafer level and chip level after hermetic packaging respectively.