Ce travail de thèse s'inscrit dans le cadre général du développement de micro-actionneurs MEMS, à bas coût et de technologie simple, pour de futures applications dans le domaine de la microfluidique, notamment. La motivation de ce travail est d'évaluer la faisabilité d'un micro-actionneur électrostricitf à base de film mince polymère électroactif nanocomposite. Le polyuréthane, chargé en nanoparticules de carbone ou carbure de fer, encore peu étudié mais aux propriétés électrostrictives prometteuses, est choisi comme matériau à intégrer dans une filière MEMS silicium classique. Le premier chapitre dresse un état de l'art sur les actionneurs MEMS, présente les différentes familles de polymères électroactifs et définit ce qu'est l'électrostriction. Le second chapitre est consacré à l'intégration sur silicium de films minces de polyuréthane et au développement de différentes structures de tests. L'accent est mis sur la levée de plusieurs verrous technologiques. Le chapitre trois présente les méthodes de caractérisations mécaniques et électriques et les résultats obtenus sur films purs et nanocomposites. Le quatrième et dernier chapitre concerne la réalisation et la caractérisation de premiers démonstrateurs MEMS. Ces micro-actionneurs sont caractérisés de manière statique et dynamique. / This thesis is part of the general development of MEMS microactuators, low cost and simple technology for future applications in the domain of microfluidics. The motivation of this work is to evaluate the feasibility of an electrostrictive microactuator based on electroactive nanocomposite polymer thin films. Polyurethane, loaded with carbon or iron carbide nanoparticles is chosen to be integrated in a conventional silicon MEMS process. The first chapter provides a state of the art of MEMS actuators, presents the different families of electroactive polymers and defines what is electrostriction. The second chapter is devoted to the integration of polyurethane thin films on silicon and to the development of different mechanical and electrical test structures. The emphasis is on identifying and overcoming technological barriers. Chapter three presents the mechanical and electrical characterization methods and the obtained results for pure and nanocomposites films. The fourth and final chapter concerns the realization and the static and dynamic characterizations of first MEMS demonstrators.

Vibratory gyroscopes have gained immense popularity in the microsystem technology because of their suitability to planar fabrication techniques. With considerable effort in design and fabrication, MEMS (Micro-electro-mechanical-system) vibratory gyroscopes have started pervading consumer electronics apart from their well known applications in aerospace and defence systems. Vibratory gyroscopes operate on the Coriolis principle for sensing rates of rotation of the r tating body. They typically employ capacitive or piezoresistive sensing for detecting the Coriolis force induced motion which is, in turn, used to determine the impressed rate of rotation. Interestingly, Nature also uses vibratory gyroscopes in its designs. Over several years, it has evolved an incredibly elegant design for vibratory gyroscopes in the form of dipteran halteres. Dipterans are known to receive mechanosensory feedback on their aerial rotations from halteres for their flight navigation. Insect biologists have also studied this sensor and continue to be fascinated by the intricate mechanism employed to sense the rate of rotation. In most Diptera, including the soldier fly, Hermetia illucens, the halteres are simple cantilever like structures with an end mass that probably evolved from the hind wings of the ancestral four-winged insect form. The halteres along with their connecting joint with the fly’s body constitute a mechanism that is used for muscle-actuated oscillations of the halteres along the actuation direction. These oscillations occur in the actuation plane such that any rotation of the insect body, induces Coriolis force on the halteres causing their plane of vibration to shift laterally by a small degree. This induced deflection along the sensing plane (out of the haltere’s actuation plane) results in strain variation at the base of the haltere shaft, which is sensed by the campaniform sensilla. The goal of the current study is to understand the strain sensing mechanism of the haltere, the nature of boundary attachments of the haltere with the fly’s body, the reasons of asymmetrical geometry of the haltere, and the interaction between both wings and the contralateral wing and haltere. In order to understand the haltere’s strain sensing mechanism, we estimate the strain pattern at the haltere base induced due to rotations about the body’s pitch, roll, and yaw axes. We model the haltere as a cantilever structure (cylindrical stalk with a spherical end knob) with experimentally determined material properties from nanoindentation and carry out analytical and numerical (finite element) analysis to estimate strains in the haltere due to Coriolis forces and inertia forces resulting from various body rotations. From the strain pattern, we establish a correlation between the location of maximum strain and the position of the campaniform sensilla and propose strain sensing mechanisms. The haltere is connected to the meta thoracic region of the fly’s body by a complicated hinge mechanism that actuates the haltere into angular oscillations with a large amplitude of 170 ◦ in the actuation plane and very small oscillation in the sensing plane. We aim to understand the reason behind the dissimilar boundary attachments along the two directions. We carry out bending experiments using micro Newton force sensor and estimate the stiffness along the actuation and sensing directions. We observe that the haltere behaves as a rigid body in the actuation direction and a flexible body in the sensing direction. We find the haltere to be a resonating structure with two different kinds of boundary attachments in the actuation and sensing directions. We create a finite element model of the haltere joint based on the optical and scanning microscope images, approximate material properties, and stiffness properties obtained from the bending experiments. We subsequently validate the model with experimental results. The haltere geometry has asymmetry along the length and the cross-section. This specific design of the haltere is in contrast to the the existing MEMS vibratory gyroscope, where the elastic beams supporting the proof mass are typically designed with symmetric cross-sections so that there is a mode matching between the actuation and the sensing vibrations. The mode matching provides high sensitivity and low bandwidth. Hence, we are interested in understanding the mechanical significance of the haltere’s asymmetry. First, we estimate the location of the maximum stress by using the actual geometry of the haltere. Next, by using the stiffness determined from bending experiments and mass properties from the geometric model, we find the natural frequencies along both actuation and sensing directions. We compare these findings with existing MEMS vibratory gyroscopes. The dipteran halteres always vibrate at the wing beat frequency. Each wing maintains 180 ◦ phase difference with its contralateral haltere and the opposite wing. Both wings and the contralateral wing-haltere mechanism exhibit coupled oscillatory motion through passive linkages. These linkages modulate the frequency and maintain the out- of-phase relationship. We explore the dynamics behind the out-of-phase behaviour and the frequency modulation of the wing-wing and wing-haltere coupled oscillatory motion. We observe that the linear coupled oscillatory model can explain the out-of-phase relationship between the two wings. However, a nonlinear coupled oscillator model is required to explain both frequency synchronization and frequency modulation of the wing with the haltere. We also carry out a finite element analysis of the wing-haltere mechanism and show that the out-of-phase motion between the wing and the haltere is due to the passive mechanical linkage of finite strength and high actuation force. The results of this study reveal the mechanics of the haltere as a rate sensing gyroscope and show the basis of the Nature’s design of this elegant sensor. This study brings out two specific features— the large amplitude actuated oscillations and the asymmetric geometry of the haltere structure— that are not found in current vibratory gyroscope designs. We hope that our findings inspire new designs of MEMS gyroscopes that have elegance and simplicity of the haltere along with the desired performance.

Les capteurs résonants de type M/NEMS sont largement utilisés dans l’environnement biologique pour la mesure de masse de biomolécules en raison de leur grande précision combinée à une taille réduite. Classiquement, la détection et la quantification se basent sur le décalage fréquentiel induit par la masse ajoutée. Toutefois, ce décalage devient très faible et difficile à distinguer du bruit de mesure lorsque les masses considérées sont très petites. Il est théoriquement possible de gagner encore un ou plusieurs ordres de grandeur en résolution avec ces méthodes fréquentielles en diminuant encore les tailles et/ou en augmentant le rapport signal sur bruit, c’est-à-dire en actionnant de manière plus importante les résonateurs. Mais, dans ces conditions, les nanorésonateurs ont un comportement très fortement non-linéaire, source d’instabilités et de mixage de bruit basses et hautes fréquences susceptibles de dégrader la fiabilité et la précision des mesures. C’est pourquoi cette thèse a pour objectif de définir des principes de détection alternatifs basés sur l’exploitation des phénomènes non-linéaires, tels que les comportements hystérétiques et les bifurcations des courbes de réponse en fréquence. Pour cela, un modèle réduit de micro/nano-poutre résonante avec actionnement électrostatique est considéré. Les résultats numériques montrent que les brusques sauts d’amplitude à proximité des points de bifurcation permettent la détection de masses très faibles. Contrairement à la détection fréquentielle, ces sauts sont d’autant plus grands que la masse additionnelle est petite, ce qui rend cette technique particulièrement intéressante. De plus, le seuil de détection peut être ajusté avec la valeur de la fréquence de fonctionnement. Un mécanisme de réinitialisation est toutefois indispensable pour rendre la détection à nouveau possible après un saut d’amplitude. Afin d’automatiser la réinitialisation et ainsi permettre la détection en temps réel, un concept totalement innovant de détection de masse par balayage en fréquence des cycles d’hystérésis est proposé, qui permet de détecter, quantifier et localiser la masse ajoutée sur la poutre résonante. La mise en réseau de plusieurs poutres résonantes est également traitée et constitue un premier pas vers la mise en oeuvre de réseaux de milliers de capteurs. Pour cela, des architectures efficaces sont proposées et les modèles numériques sont adaptés en conséquence. Sur des configurations symétriques, l’exploitation des bifurcations de type brisure de symétrie permet là-encore d’améliorer la détection de masse. / Resonant M/NEMS mass sensors are widely used in biological environment for measuring the mass of biomolecules due to their high accuracy combined with a reduced size. Usually, the detection and the quantification are based on the frequency shift induced by an added mass. However, this shift becomes very small and difficult to distinguish from the noise of measurement as the considered masses are tiny. It is theoretically possible to increase further one or several orders of magnitude in resolution with these frequency methods by further reducing size and/or by increasing the signal-to-noise ratio, that is to say by operating more importantly the resonators. But in these conditions, the nanoresonators have a strongly nonlinear behavior, a source of instability and noise mix of low and high frequencies likely to degrade the reliability and the accuracy of measurements. Therefore, the thesis’s objective is to define alternative principles of detection based on exploiting the nonlinear phenomena, such as the hysteretic behavior and the bifurcations of frequency-response curves. To this end, a reduced model of resonant micro/nano-beam with electrostatic actuation is considered. The numerical results show that the sudden jumps in amplitude close to bifurcation points allow the detection of very small masses. Unlike the frequency detection, the smaller the added mass, the larger the increase of the jump, which makes this technique particularly interesting. In addition, the detection threshold can be adjusted with the value of the operating frequency. However, a mechanism of reinitialization is mandatory to make the detection possible again after a jump in amplitude. In order to automate the reinitialization and allow the detection in real-time, a completely innovative concept of mass detection by the frequency sweep of the hysteretic cycles is proposed to detect, quantify and locate the added mass on the resonant beam. An array of several resonant beams is also considered and constitutes a first step toward the implementation of arrays of thousands of sensors. Efficient architectures are proposed for this purpose and the numerical models are adapted accordingly. On symmetric configurations, exploiting the bifurcations of symmetry-breaking type allows here again to improve the mass detection.

Cette thèse explore la reconnaissance de gestes à partir de capteurs inertiels pour Smartphone. Ces gestes consistent en la réalisation d'un tracé dans l'espace présentant une valeur sémantique, avec l'appareil en main. Notre étude porte en particulier sur l'apprentissage de métrique entre signatures gestuelles grâce à l'architecture "Siamoise" (réseau de neurones siamois, SNN), qui a pour but de modéliser les relations sémantiques entre classes afin d'extraire des caractéristiques discriminantes. Cette architecture est appliquée au perceptron multicouche (MultiLayer Perceptron). Les stratégies classiques de formation d'ensembles d'apprentissage sont essentiellement basées sur des paires similaires et dissimilaires, ou des triplets formés d'une référence et de deux échantillons respectivement similaires et dissimilaires à cette référence. Ainsi, nous proposons une généralisation de ces approches dans un cadre de classification, où chaque ensemble d'apprentissage est composé d’une référence, un exemple positif, et un exemple négatif pour chaque classe dissimilaire. Par ailleurs, nous appliquons une régularisation sur les sorties du réseau au cours de l'apprentissage afin de limiter les variations de la norme moyenne des vecteurs caractéristiques obtenus. Enfin, nous proposons une redéfinition du problème angulaire par une adaptation de la notion de « sinus polaire », aboutissant à une analyse en composantes indépendantes non-linéaire supervisée. A l'aide de deux bases de données inertielles, la base MHAD (Multimodal Human Activity Dataset) ainsi que la base Orange, composée de gestes symboliques inertiels réalisés avec un Smartphone, les performances de chaque contribution sont caractérisées. Ainsi, des protocoles modélisant un monde ouvert, qui comprend des gestes inconnus par le système, mettent en évidence les meilleures capacités de détection et rejet de nouveauté du SNN. En résumé, le SNN proposé permet de réaliser un apprentissage supervisé de métrique de similarité non-linéaire, qui extrait des vecteurs caractéristiques discriminants, améliorant conjointement la classification et le rejet de gestes inertiels. / As consumer devices become more and more ubiquitous, new interaction solutions are required. In this thesis, we explore inertial-based gesture recognition on Smartphones, where gestures holding a semantic value are drawn in the air with the device in hand. In our research, speed and delay constraints required by an application are critical, leading us to the choice of neural-based models. Thus, our work focuses on metric learning between gesture sample signatures using the "Siamese" architecture (Siamese Neural Network, SNN), which aims at modelling semantic relations between classes to extract discriminative features, applied to the MultiLayer Perceptron. Contrary to some popular versions of this algorithm, we opt for a strategy that does not require additional parameter fine tuning, namely a set threshold on dissimilar outputs, during training. Indeed, after a preprocessing step where the data is filtered and normalised spatially and temporally, the SNN is trained from sets of samples, composed of similar and dissimilar examples, to compute a higher-level representation of the gesture, where features are collinear for similar gestures, and orthogonal for dissimilar ones. While the original model already works for classification, multiple mathematical problems which can impair its learning capabilities are identified. Consequently, as opposed to the classical similar or dissimilar pair; or reference, similar and dissimilar sample triplet input set selection strategies, we propose to include samples from every available dissimilar classes, resulting in a better structuring of the output space. Moreover, we apply a regularisation on the outputs to better determine the objective function. Furthermore, the notion of polar sine enables a redefinition of the angular problem by maximising a normalised volume induced by the outputs of the reference and dissimilar samples, which effectively results in a Supervised Non-Linear Independent Component Analysis. Finally, we assess the unexplored potential of the Siamese network and its higher-level representation for novelty and error detection and rejection. With the help of two real-world inertial datasets, the Multimodal Human Activity Dataset as well as the Orange Dataset, specifically gathered for the Smartphone inertial symbolic gesture interaction paradigm, we characterise the performance of each contribution, and prove the higher novelty detection and rejection rate of our model, with protocols aiming at modelling unknown gestures and open world configurations. To summarise, the proposed SNN allows for supervised non-linear similarity metric learning, which extracts discriminative features, improving both inertial gesture classification and rejection.

Ce manuscrit de thèse propose l'optimisation de l'ensemble de la chaîne de reproduction sonore dans un système embarqué. Le premier axe de recherche introduit les notions générales concernant les systèmes audio embarqués nécessaires à la bonne compréhension du contexte de la recherche. Le principe de conversion de l'ensemble de la chaine est présenté afin de comprendre les différentes étapes qui composent un système audio. Un état de l'art présente les différents types de haut-parleurs ainsi que l'électronique associé les plus couramment utilisées dans les systèmes embarqués. Le second axe de recherche propose une approche globale : une modélisation électrique du haut-parleur (tenant compte d'un nombre optimal de paramètres) permet à un électronicien de mieux appréhender les phénomènes non-linéaires du haut-parleur qui dégradent majoritairement la qualité audio. Il en résulte un modèle viable qui permet d'évaluer la non-linéarité intrinsèque du haut-parleur et d'en connaitre sa cause. Les résultats des simulations montrent que le taux de distorsion harmonique intrinsèque au haut-parleur est supérieur à celui généré par un amplificateur. Le troisième axe de recherche met en avant l'impact du contrôle du transducteur. L'objectif étant de savoir s'il existe une différence, du point de vue de la qualité audio, entre la commande asservie par une tension ou par un courant, d'un micro-haut-parleur électrodynamique. Pour ce type de transducteur et à ce niveau de la modélisation, le contrôle en tension est équivalent à contrôler directement le haut-parleur en courant. Néanmoins, une solution alternative (ne dégradant pas davantage la qualité audio du signal) pourrait être de contrôler le micro-haut-parleur en courant. Le quatrième axe de recherche propose d'adapter les spécifications des amplificateurs audio aux performances des micro-haut-parleurs. Une étude globale (énergétique) démontre qu'un des facteurs clés pour améliorer l'efficacité énergétique du côté de l'amplificateur audio est la minimalisation de la consommation statique en courant, en maximalisant le rendement à puissance nominale. Pour les autres spécifications, l'approche globale se base sur l'étude de l'impact de la spécification d'un amplificateur sur la partie acoustique. Cela nous a par exemple permis de réduire la contrainte en bruit de 300%. Le dernier axe de recherche s'articule autour d'un nouveau type de transducteur : un micro-haut-parleur en technologie MEMS. La caractérisation électroacoustique présente l'amélioration en terme de qualité audio (moins de 0,016% de taux de distorsion harmonique) et de plage de fréquence utile allant de 200 Hz à 20 kHz le tout pour un niveau sonore moyen de 80dB (10cm). La combinaison de tous les efforts présente un réel saut technologique. Enfin, la démarche globale d'optimisation de la partie électrique a été appliquée aux performances du MEMS dans la dernière section, ce qui a notamment permis de réduire la contrainte en bruit de 500%. / This thesis proposes the optimization of the whole sound reproduction chain in an embedded system. The first research axis is introduces the general concepts concerning audio systems necessary for the good understanding of the context of research. The principle of conversion of the entire chain is presented to understand the stages that make up a sound system. A state of the art presents various loudspeakers and the associated electronics most commonly used in embedded systems. The second research axis proposes a global approach: electric modeling of loudspeaker (taking into account an optimum number of parameters) that allows electronics engineer a better understanding of the nonlinear phenomena that degrade mostly audio quality in loudspeakers. It results in a sustainable model which evaluates the intrinsic non-linearity in loudspeakers and to know its cause. The simulation results show that the total harmonic distortion intrinsic to the loudspeaker is higher than that the distortion generated by an amplifier. The third research axis highlights the impact of the control of the transducer. The aim is to find out if there is a difference, in terms of audio quality, between the feedback control by voltage or current, for an electrodynamic micro-speaker. For this type of transducer and at this level of modeling, voltage control is equivalent to directly control the current of the micro-speaker. However, an alternative solution (not further degrading the signal audio quality) could be to control directly the micro-speaker by a current. The fourth research axis proposes to adapt the audio amplifiers specification to the performance of the micro-speakers. A comprehensive study of an energy point of view shows that a key factor for improving the energy efficiency of the audio amplifier is the minimization of the static power consumption and the maximization of the performance at nominal power. For other specifications, the global approach is based on the study of the impact of the specification of an amplifier on the sound pressure level. This has allowed, for example to reduce the stress in output noise voltage by a ratio of 300 %. The last research axis focuses on a new type of transducer: a micro-speaker in MEMS technology. Electroacoustic characterization shows the improvement: in terms of audio quality (less than 0.016 % total harmonic distortion) and the useful frequency range from 200 Hz to 20 kHz, the whole for an average sound level of 80 dB (10 cm). The combination of all the efforts presents a real technological leap. Finally, the overall process of optimization of the electrical part has been applied to the performance of MEMS in this last section, which has resulted, for example, in a reduction in the noise constraint of 500 %.

L'isolation thermique est essentielle dans de nombreux types de MEMS (micro-systèmes électro-mécaniques). Selon le type de dispositif, l'isolation permet de réduire la consommation d'énergie, diminuer le temps de réponse, ou augmenter sa sensibilité. Les matériaux d'isolation thermique actuellement disponibles sont difficiles à intégrer en couche épaisse dans des dispositifs en silicium. À cause de cela, l'approche la plus utilisée pour l'isolation est d'intégrer les zones à isoler sur des membranes minces (~ 1 µm). Cela assure une bonne isolation, mais est restrictif pour la conception du dispositif et la fragilité des membranes complique la fabrication et l'utilisation de celui-ci. Le silicium poreux est facile à intégrer puisqu'il est fabriqué par gravure électrochimique de substrats de Si cristallin. On peut aisément fabriquer des couches épaisses (100 µm) et sa conductivité thermique est 2-3 ordres de grandeur plus faible que celle du Si massif. Par contre sa porosité cause des problèmes : mauvaise résistance chimique, structure instable au-delà de 400°C, et tenue mécanique réduite. La facilité d'intégration des semiconducteurs poreux est un atout majeur, et nous visons donc de réduire les désavantages de ces matériaux afin de favoriser leur intégration dans des dispositifs en silicium. La première approche qui a été développée consiste à amorphiser le Si poreux en l'irradiant avec des ions à haute énergie (uranium, 110 MeV). Nous avons montré que l'amorphisation, même partielle, du Si poreux entraîne une diminution de sa conductivité thermique, sans endommager sa structure poreuse. On peut atteindre ainsi une réduction de conductivité thermique jusqu’à un facteur de trois. La seconde approche est de développer un nouveau matériau. Le SiC poreux a été choisi, puisque le SiC massif a des propriétés physiques exceptionnelles et supérieures à celles du silicium. Nous avons mené une étude systématique de la porosification du SiC en fonction de la concentration en HF et le courant, ce qui nous a permis de fabriquer des couches poreuses uniformes d’une épaisseur d’environ 100 µm. Nous avons implémenté un banc de mesure de la conductivité thermique par la méthode « 3 oméga » et l'avons utilisé pour mesurer la conductivité thermique du SiC poreux. Nos résultats montrent que la conductivité thermique du SiC poreux est environ deux ordres de grandeur plus faible que celle du SiC massif. Nous avons aussi montré que le SiC poreux est résistant à tous les produits chimiques typiquement utilisés en microfabrication et est stable jusqu'à au moins 1000°C. / Thermal insulation is essential in several types of MEMS (Micro electro mechanical systems). Depending on the device, insulation can reduce the device’s power consumption, decrease its response time, or increase its sensitivity. Existing thermal insulation materials are difficult to integrate as thick layers in silicon-based devices. Because of this, the most commonly used approach is to integrate the areas requiring insulation on thin membranes. This provides effective insulation, but restricts the design of the device and the membrane’s fragility makes the device’s fabrication and use more complicated. Poreux silicon is easy to integrate as it is made by electrochemical etching of crystalline silicon substrates. 100 µm thick layers can easily be fabricated and its thermal conductivity is 2-3 orders of magnitude lower than that of bulk silicon. However, its porosity causes other problems : low chemical resistance, its structure is unstable above 400°C, and reduced mechanical stability. The ease of integration of porous semiconductors remains a major advantage, so we aim to reduce the disadvantages of these materials in order to help their integration in microfabricated devices. The first approach we developed was to amorphise porous Si by irradiating it with heavy ions. We have shown that amorphisation of porous Si, even partial, causes a reduction of its thermal conductivity without damaging its porous structure. In this way a reduction in thermal conductivity by up to a factor of three can be achieved. The second approach was to develop a new material. Porous SiC was chosen, as bulk SiC has exceptional physical properties which are superior to those of silicon. We carried out a systematic study of the porosification process of SiC versus HF concentration and current, which enabled us to make thick (100 µm) and uniform layers. We have implemented a system for measuring thermal conductivity using the “3 omega” technique and used it to measure the thermal conductivity of porous SiC. Our results show that the thermal conductivity of porous SiC is about two orders of magnitude lower than that of bulk SiC. We have also shown that porous SiC is resistant to all chemical commonly used in microfabrication, and is stable up to at least 1000°C.

For mobile electronics such as Smartphones, Smartcards or wearable devices there is a trend towards an increasing functionality as well as miniaturisation. In this development Micro Electro- Mechanical Systems (MEMS) are an important key element for the realisation of functions such as motion detection. The specifications given by such devices together with the limited available space demand advanced packaging technologies. The 3D-Wafer Level Packaging (3D-WLP) enables one solution for a miniaturised MEMS package by using techniques such as Wafer Level Bonding (WLB) and Through Silicon Vias (TSV). This technology increases the effective area of the MEMS device by elimination dead space, which is typically required for other approaches based on wire bond assembly. Within this thesis, different TSV technology concepts with respect to a 3D-WLP for MEMS have been developed. Thereby, the focus was on a copper based technology as well as on two major TSV implementation methods. This comprises a Via Middle approach based on the separated TSV fabrication in the cap wafer as well as a Via Last approach with a TSV implementation in either the MEMS or cap wafer, respectively. For each option with its particular challenges, corresponding process modules have been developed. In the Via Middle approach, the wafer-related etch rate homogeneity determines the TSV reveal from the wafer backside Here, a reduction of the TSV depth down to 80 μm is favourable as long as the desired Cu-thermo-compression bonding (Cu-TCB) is performed before the thinning. For the TSV metallisation, a Cu electrochemical deposition method was developed, which allows the deposition of one redistribution layer as well as the bonding patterns for Cu-TCB at the same time. In the Via Last approach, the TSV isolation represents one challenge. Chemical Vapour Deposition processes have been investigated, for which a combination of PE-TEOS and SA-TEOS as well as a Parylene deposition yield the most promising results. Moreover, a method for the realisation of a suitable bonding surface for the Silicon Direct Bonding method has been developed, which does not require any wet pre treatment of the fabricated MEMS patterns. A functional MEMS acceleration sensor as well as Dummy devices serve as demonstrators for the overall integration technology as well as for the characterisation of electrical parameters. / Im Bereich mobiler Elektronik, wie z.B. bei Smartphones, Smartcards oder in Kleidung integrierten Geräten ist ein Trend zu erkennen hinsichtlich steigender Funktionalität und Miniaturisierung. Bei dieser Entwicklung spielen Mikroelektromechanische Systeme (MEMS) eine entscheidende Rolle zur Realisierung neuer Funktionen, wie z.B. der Bewegungsdetektion. Die Anforderungen derartiger Bauteile zusammen mit dem begrenzten zur Verfügung stehenden Platz erfordern neuartige Technologien für die Aufbau- und Verbindungstechnick (engl. Packaging) der Bauteile. Das 3D-Wafer Level Packaging (3D-WLP) ermöglicht eine Lösung für eine miniaturisierte MEMS-Bauform unter Nutzung von Techniken wie dem Waferlevelbonden (WLB) und den Siliziumdurchkontaktierungen (TSV von engl. Through Silicon Via). Diese Technologie erhöht die effektive aktive Fläche des MEMS Bauteils durch die Reduzierung von Toträumen, welche für andere Ansätze wie der Drahtbond-Montage üblich sind. In der vorliegenden Arbeit wurden verschiedene Technologiekonzepte für den Aufbau von 3D-WLP für MEMS erarbeitet. Dabei lag der Fokus auf einer Kupfer-basierten Technologie sowie auf zwei prinzipiellen Varianten für die TSV-Implementierung. Dies umfasst den Via Middle Ansatz, welcher auf der TSV Herstellung auf einem separaten Kappenwafer beruht, sowie den Via Last Ansatz mit einer TSV Herstellung entweder im MEMS-Wafer oder im Kappenwafer. Für beide Varianten mit individuellen Herausforderungen wurden entsprechende Prozessmodule entwickelt. Beim Via Middle Ansatz ist die Wafer-bezogene Ätzratenhomogenität des Siliziumtiefenätzen entscheidend für das spätere Freilegen der TSVs von der Rückseite. Hier hat sich eine Reduzierung der TSV-Tiefe auf bis zu 80 μm vorteilhaft erwiesen insofern, das Kupfer-Thermokompressionsbonden (Cu-TKB) vor dem Abdünnen erfolgt. Zur Metallisierung der TSVs wurde ein Cu Galvanikprozess erarbeitet, welcher es ermöglicht gleichzeitig eine Umverdrahtungsebene sowie die Bondstrukturen für das Cu-TKB zu erzeugen. Beim Via Last Ansatz ist die TSV Isolation eine Herausforderung. Es wurden CVD (Chemische Dampfphasenabscheidung) Prozesse untersucht, wobei eine Kombination aus PE-TEOS und SA-TEOS sowie eine Parylene Beschichtung erfolgversprechende Ergebnisse liefern. Des Weiteren wurde eine Methode zur Erzeugung bondfähiger Oberflächen für das Siliziumdirektbonden erarbeitet, welche eine Nass-Vorbehandlung des MEMS umgeht. Ein realer MEMS-Beschleunigungssensor sowie Testaufbauten dienen zur Demonstration der Gesamtintegrationstechnologie sowie zur Charakterisierung elektrischer Parameter.

For mobile electronics such as Smartphones, Smartcards or wearable devices there is a trend towards an increasing functionality as well as miniaturisation. In this development Micro Electro- Mechanical Systems (MEMS) are an important key element for the realisation of functions such as motion detection. The specifications given by such devices together with the limited available space demand advanced packaging technologies. The 3D-Wafer Level Packaging (3D-WLP) enables one solution for a miniaturised MEMS package by using techniques such as Wafer Level Bonding (WLB) and Through Silicon Vias (TSV). This technology increases the effective area of the MEMS device by elimination dead space, which is typically required for other approaches based on wire bond assembly. Within this thesis, different TSV technology concepts with respect to a 3D-WLP for MEMS have been developed. Thereby, the focus was on a copper based technology as well as on two major TSV implementation methods. This comprises a Via Middle approach based on the separated TSV fabrication in the cap wafer as well as a Via Last approach with a TSV implementation in either the MEMS or cap wafer, respectively. For each option with its particular challenges, corresponding process modules have been developed. In the Via Middle approach, the wafer-related etch rate homogeneity determines the TSV reveal from the wafer backside Here, a reduction of the TSV depth down to 80 μm is favourable as long as the desired Cu-thermo-compression bonding (Cu-TCB) is performed before the thinning. For the TSV metallisation, a Cu electrochemical deposition method was developed, which allows the deposition of one redistribution layer as well as the bonding patterns for Cu-TCB at the same time. In the Via Last approach, the TSV isolation represents one challenge. Chemical Vapour Deposition processes have been investigated, for which a combination of PE-TEOS and SA-TEOS as well as a Parylene deposition yield the most promising results. Moreover, a method for the realisation of a suitable bonding surface for the Silicon Direct Bonding method has been developed, which does not require any wet pre treatment of the fabricated MEMS patterns. A functional MEMS acceleration sensor as well as Dummy devices serve as demonstrators for the overall integration technology as well as for the characterisation of electrical parameters.:Bibliographische Beschreibung 3 Vorwort 13 List of symbols and abbreviations 15 1 Introduction 23 2 Fundamentals on MEMS and TSV based 3D integration 25 2.1 Micro Electro-Mechanical systems 25 2.1.1 Basic Definition 25 2.1.2 Silicon technologies for MEMS 26 2.1.3 MEMS packaging 29 2.2 3D integration based on TSVs 33 2.2.1 Overview 33 2.2.2 Basic processes for TSVs 34 2.2.3 Stacking and Bonding 47 2.2.4 Wafer thinning 48 2.3 TSV based MEMS packaging 50 2.3.1 MEMS-TSVs 50 2.3.2 3D-WLP for MEMS 52 3 Technology development for a 3D-WLP based MEMS 57 3.1 Target integration approach for 3D-WLP based MEMS 57 3.1.1 MEMS modules using 3D-WLP based MEMS 57 3.1.2 Integration concepts 58 3.2 Objective and requirements for the proposed 3D-WLP of MEMS 60 3.2.1 Boundary conditions 60 3.2.2 Technology concepts 63 3.3 Selected approaches for TSV implementation in MEMS 64 3.3.1 Via Last Technology 64 3.3.2 Via Middle technology 69 4 Development of process modules 75 4.1 Characterisation 75 4.2 TSV related etch processes 77 4.2.1 Equipment 77 4.2.2 Deep silicon etching 78 4.2.3 Etching of the buried dielectric layer 84 4.2.4 Patterning of TSV isolation liner – spacer etching 90 4.2.5 Summary 92 4.3 TSV isolation 93 4.3.1 Principle considerations 93 4.3.2 Experiment 95 4.3.3 Results 97 4.3.4 Summary 102 4.4 Metallisation of TSV and RDL 103 4.4.1 Plating base and experimental setup 103 4.4.2 Investigations related to the ECD process 106 4.4.3 Pattern plating 117 4.4.4 Summary 123 4.5 Wafer Level Bonding 124 4.5.1 Silicon direct bonding 124 4.5.2 Thermo-compression bonding by using ECD copper 128 4.5.3 Summary 134 4.6 Wafer thinning and TSV back side reveal 134 4.6.1 Thinning processes 134 4.6.2 TSV reveal processes 136 4.6.3 Summary 145 4.7 Under bump metallisation and solder bumps 146 5 Demonstrator design, fabrication and characterisation 149 5.1 Single wafer demonstrator for electrical test 149 5.1.1 Demonstrator design and test structure layout 149 5.1.2 Demonstrator fabrication 150 5.1.3 Electrical measurement 151 5.1.4 Summary 153 5.2 Via Last based TSV fabrication in the MEMS device wafer 153 5.2.1 Layout of the MEMS device with TSVs 153 5.2.2 Fabrication of TSVs and wafer thinning 154 5.2.3 Characterisation of the fabricated device 155 5.2.4 Summary 156 5.3 Via Last based cap-TSV for very thin MEMS devices 157 5.3.1 Design 157 5.3.2 Fabrication 158 5.3.3 Characterisation 161 5.3.4 Summary 162 5.4 Via Middle approach based on thinning after bonding 163 5.4.1 Design 163 5.4.2 Results and characterisation 164 5.4.3 Summary 166 6 Conclusion and outlook 167 Appendix A: Typical requirements on a MEMS package and its functions 171 Appendix B: Classification of packaging and system integration techniques 173 B.1 Packaging of electronic devices in general 173 B.2 Single Chip Packages 174 B.3 System integration 175 B.4 3D integration based on TSVs 180 Bibliography 183 List of figures 193 List of tables 199 Versicherung 201 Theses 203 Curriculum vitae 205 Own publications 207 / Im Bereich mobiler Elektronik, wie z.B. bei Smartphones, Smartcards oder in Kleidung integrierten Geräten ist ein Trend zu erkennen hinsichtlich steigender Funktionalität und Miniaturisierung. Bei dieser Entwicklung spielen Mikroelektromechanische Systeme (MEMS) eine entscheidende Rolle zur Realisierung neuer Funktionen, wie z.B. der Bewegungsdetektion. Die Anforderungen derartiger Bauteile zusammen mit dem begrenzten zur Verfügung stehenden Platz erfordern neuartige Technologien für die Aufbau- und Verbindungstechnick (engl. Packaging) der Bauteile. Das 3D-Wafer Level Packaging (3D-WLP) ermöglicht eine Lösung für eine miniaturisierte MEMS-Bauform unter Nutzung von Techniken wie dem Waferlevelbonden (WLB) und den Siliziumdurchkontaktierungen (TSV von engl. Through Silicon Via). Diese Technologie erhöht die effektive aktive Fläche des MEMS Bauteils durch die Reduzierung von Toträumen, welche für andere Ansätze wie der Drahtbond-Montage üblich sind. In der vorliegenden Arbeit wurden verschiedene Technologiekonzepte für den Aufbau von 3D-WLP für MEMS erarbeitet. Dabei lag der Fokus auf einer Kupfer-basierten Technologie sowie auf zwei prinzipiellen Varianten für die TSV-Implementierung. Dies umfasst den Via Middle Ansatz, welcher auf der TSV Herstellung auf einem separaten Kappenwafer beruht, sowie den Via Last Ansatz mit einer TSV Herstellung entweder im MEMS-Wafer oder im Kappenwafer. Für beide Varianten mit individuellen Herausforderungen wurden entsprechende Prozessmodule entwickelt. Beim Via Middle Ansatz ist die Wafer-bezogene Ätzratenhomogenität des Siliziumtiefenätzen entscheidend für das spätere Freilegen der TSVs von der Rückseite. Hier hat sich eine Reduzierung der TSV-Tiefe auf bis zu 80 μm vorteilhaft erwiesen insofern, das Kupfer-Thermokompressionsbonden (Cu-TKB) vor dem Abdünnen erfolgt. Zur Metallisierung der TSVs wurde ein Cu Galvanikprozess erarbeitet, welcher es ermöglicht gleichzeitig eine Umverdrahtungsebene sowie die Bondstrukturen für das Cu-TKB zu erzeugen. Beim Via Last Ansatz ist die TSV Isolation eine Herausforderung. Es wurden CVD (Chemische Dampfphasenabscheidung) Prozesse untersucht, wobei eine Kombination aus PE-TEOS und SA-TEOS sowie eine Parylene Beschichtung erfolgversprechende Ergebnisse liefern. Des Weiteren wurde eine Methode zur Erzeugung bondfähiger Oberflächen für das Siliziumdirektbonden erarbeitet, welche eine Nass-Vorbehandlung des MEMS umgeht. Ein realer MEMS-Beschleunigungssensor sowie Testaufbauten dienen zur Demonstration der Gesamtintegrationstechnologie sowie zur Charakterisierung elektrischer Parameter.:Bibliographische Beschreibung 3 Vorwort 13 List of symbols and abbreviations 15 1 Introduction 23 2 Fundamentals on MEMS and TSV based 3D integration 25 2.1 Micro Electro-Mechanical systems 25 2.1.1 Basic Definition 25 2.1.2 Silicon technologies for MEMS 26 2.1.3 MEMS packaging 29 2.2 3D integration based on TSVs 33 2.2.1 Overview 33 2.2.2 Basic processes for TSVs 34 2.2.3 Stacking and Bonding 47 2.2.4 Wafer thinning 48 2.3 TSV based MEMS packaging 50 2.3.1 MEMS-TSVs 50 2.3.2 3D-WLP for MEMS 52 3 Technology development for a 3D-WLP based MEMS 57 3.1 Target integration approach for 3D-WLP based MEMS 57 3.1.1 MEMS modules using 3D-WLP based MEMS 57 3.1.2 Integration concepts 58 3.2 Objective and requirements for the proposed 3D-WLP of MEMS 60 3.2.1 Boundary conditions 60 3.2.2 Technology concepts 63 3.3 Selected approaches for TSV implementation in MEMS 64 3.3.1 Via Last Technology 64 3.3.2 Via Middle technology 69 4 Development of process modules 75 4.1 Characterisation 75 4.2 TSV related etch processes 77 4.2.1 Equipment 77 4.2.2 Deep silicon etching 78 4.2.3 Etching of the buried dielectric layer 84 4.2.4 Patterning of TSV isolation liner – spacer etching 90 4.2.5 Summary 92 4.3 TSV isolation 93 4.3.1 Principle considerations 93 4.3.2 Experiment 95 4.3.3 Results 97 4.3.4 Summary 102 4.4 Metallisation of TSV and RDL 103 4.4.1 Plating base and experimental setup 103 4.4.2 Investigations related to the ECD process 106 4.4.3 Pattern plating 117 4.4.4 Summary 123 4.5 Wafer Level Bonding 124 4.5.1 Silicon direct bonding 124 4.5.2 Thermo-compression bonding by using ECD copper 128 4.5.3 Summary 134 4.6 Wafer thinning and TSV back side reveal 134 4.6.1 Thinning processes 134 4.6.2 TSV reveal processes 136 4.6.3 Summary 145 4.7 Under bump metallisation and solder bumps 146 5 Demonstrator design, fabrication and characterisation 149 5.1 Single wafer demonstrator for electrical test 149 5.1.1 Demonstrator design and test structure layout 149 5.1.2 Demonstrator fabrication 150 5.1.3 Electrical measurement 151 5.1.4 Summary 153 5.2 Via Last based TSV fabrication in the MEMS device wafer 153 5.2.1 Layout of the MEMS device with TSVs 153 5.2.2 Fabrication of TSVs and wafer thinning 154 5.2.3 Characterisation of the fabricated device 155 5.2.4 Summary 156 5.3 Via Last based cap-TSV for very thin MEMS devices 157 5.3.1 Design 157 5.3.2 Fabrication 158 5.3.3 Characterisation 161 5.3.4 Summary 162 5.4 Via Middle approach based on thinning after bonding 163 5.4.1 Design 163 5.4.2 Results and characterisation 164 5.4.3 Summary 166 6 Conclusion and outlook 167 Appendix A: Typical requirements on a MEMS package and its functions 171 Appendix B: Classification of packaging and system integration techniques 173 B.1 Packaging of electronic devices in general 173 B.2 Single Chip Packages 174 B.3 System integration 175 B.4 3D integration based on TSVs 180 Bibliography 183 List of figures 193 List of tables 199 Versicherung 201 Theses 203 Curriculum vitae 205 Own publications 207