¿Son los diamantes el mejor amigo de MEMS?

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Comercialización de Dispositivos RF MEMS de Diamante
John A. Carlisle and Neil D. Kane, Advanced Diamond Technologies, Inc.
Después de décadas de investigación y desarrollo,
películas delgadas de diamante finalmente han salido del
laboratorio y ahora son de fácil acceso para diseñadores
MEMS. Muchas compañías están creando diversas
formas de material de diamante disponible para
aplicaciones a la escala de oblea; el diamante también
está disponible como un módulo de proceso a través de
MEMS e Intercambio de Nanotecnología [1]. Las
investigaciones han avanzado significativamente para
resolver los principales obstáculos técnicos de la
integración de materiales, el micromaquinado de
superficies y la producción a la escala de oblea. Sin
embargo, el camino para aterrizar esta tecnología en la
próxima generación de sistemas inalámbricos presenta un
reto tanto a nivel técnico como de negocios. En general,
RF MEMS sufre de expectativas no cumplidas desde hace
varios años, pero las soluciones OEM RF de Teravicta [2],
SiTime [3], Discera [4], y otros apenas están entrando al
mercado. Se debe de trabajar duro en el diamante para
alcanzarlos.
Los aspectos clave para una adopción amplia de RF
MEMS de diamante son costo y funcionamiento. A pesar
de las ganancias de funcionamiento que el diamante
permite, para ser aceptado en el mercado el binomio
precio/funcionamiento necesita ser mejor que el de las
tecnologías que va a reemplazar. La reputación del
diamante de ser caro es vista como el mayor obstáculo.
Sin embargo, como un primer paso de muchos, el costo
diferencial en el que se incurre a causa de la integración
del diamante en el flujo del proceso es bajo, y se han
desarrollado varias estrategias que permiten integrar el
diamante a heteroestructuras complejas; por ejemplo,
metales, óxidos y otros materiales funcionales. El
diamante, que a diferencia de otros materiales MEMS
posee una química de superficie de stiction
extremadamente estable y baja, podría reducir el costo de
dispositivos como resonadores de RF e interruptores al
relajar la necesidad de empaquetado costoso.
Una cuestión cercana que se relaciona al costo es
escalabilidad de la producción a la escala de oblea. Hasta
hace poco, el estado del arte de las tecnologías del
diamante solamente podían cubrir obleas de 2-3 pulgadas
de diámetro. La variabilidad de corrida a corrida también
era un serio problema para el diamante. No obstante,
ambos problemas han sido resueltos gracias a los
avances en la química y plataformas utilizadas para
sintetizar el diamante. La tecnología UNCD (diamante
ultrananocristalino) es particularmente interesante en este
aspecto, ya que permite que películas tan delgadas como
100 nm se depositen en obleas de hasta 200 mm con una
excelente uniformidad en espesor y propiedades. La
compatibilidad con las últimas etapas del proceso de
fabricación de CMOS es otra ventaja ya que el depósito
de películas UNCD de baja temperatura (350-400 ° C) ha
sido demostrado. Obleas de diamante sobre silicio (DoSi)
y de diamante sobre aislante (DOI) basadas en películas
de UNCD están disponibles comercialmente y ofrecen un
medio por el cual los diseñadores en la industria y
academia pueden fabricar dispositivos prototipo de su
propia creación para ser evaluados. Estas obleas se
manufacturan utilizando herramientas y procesos que se
insertan en un ambiente de fabricación (foundry), y están
disponibles en tamaños de obleas que oscilan entre los
100 y 200 mm de diámetro.
El funcionamiento también es un claro impulsor para el
diamante. El diamante tiene varias propiedades
intrínsecas que lo hacen el candidato ideal para
dispositivos RF MEMS para GHz incluyendo el hecho de
tener la velocidad acústica más alta de cualquier material,
una baja disipación (alto Q), un coeficiente de frecuencia
de baja temperatura, y una respuesta lineal de frecuencia
a altas potencias o frecuencias. Por ende, el diamante
ofrece un medio para mejorar el funcionamiento y obtener
una reducción en el factor de forma vía la integración
directa de filtros de RF e interruptores con
microelectrónica de eficiente funcionamiento. A pesar de
la importancia que el diseño de un “radio-en-un-circuito
integrado” pueda tener, el área más pequeña ocupada por
la estructura elemental de un RF MEMS con respecto al
microprocesador y la diferencia de porcentaje de
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integración de los componentes de RF con el dominio
digital ocurrirá primero a través de metodologías de
integración 3D (SoC, SiP).
Mientras la demostración de dispositivos basados en el
diamante que tienen un funcionamiento superior es
relativamente directo, encontrar un camino para insertar
dispositivos en productos comerciales inalámbricos no
está claro. Es necesario considerar que uno de los
principales objetivos de la industria (y uno de los
principales impulsores para RF MEMS en general) es
integrar algunos o todos los componentes pasivos de RF
que actualmente están fuera del circuito integrado. De
esta manera, es lógico afirmar que tanto la tecnología del
dispositivo como la estrategia de integración tienen que
cambiar para cumplir con las necesidades del mercado.
Dichos cambios dramáticos en la arquitectura del sistema
(y la cadena de suministro que los alimenta) no ocurrirán
repentinamente, y a pesar de las ventajas del
funcionamiento potencial de un material nuevo de MEMS
como el diamante, éstos ocurrirán gradualmente. La clave
será en ganar la aceptación por los líderes internos de la
industria que son responsables de identificar nuevas
tecnologías y de insertarlas dentro del ciclo de desarrollo.
Por ejemplo, una metodología adoptada por Advanced
Diamond Technologies (ADT) es introducir dispositivos de
diamante RF en etapas; los especialistas trabajan con
socios estratégicos que actualmente suministran
dispositivos de RF como referencias de frecuencia y de
tiempo. Especificaciones para un ingreso al mercado
inicial con el objetivo de reemplazo de un nicho OEM
debe ser identificado para un dispositivo de RF que
demostrará el valor del diamante con base en su precio y
funcionamiento. Esta es una estrategia similar a la que
llevan a cabo SiTime y Discera, pero mientras ambas
compiten frente a frente por el ya establecido mercado de
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cuarzo para referencias de tiempo en MHz, ADT busca
aplicaciones de frecuencias más altas.
Cuando se combine el diamante con la disponibilidad
de DOI desde diferentes fuentes, el conocimiento global
del mismo como material MEMS crecerá de una manera
similar a la evolución de SOI como la plataforma MEMS
preferida. La segunda etapa de inserción involucra
integrar redes de filtros de RF basados en el diamante y
referencias de frecuencia como módulos de control ASIC
estándares proporcionados en factor de forma adecuado
para integrarse a través del uso de empaquetado
estándar. La etapa final requerirá trabajar directamente
con los diseñadores del producto final para desarrollar
soluciones radio-en-un-circuito integrado utilizando 3D e
integración directa de la parte frontend de RF basado en
diamante con el CPU, referencia de tiempo y el
convertidor analógico/digital.
Referencias
[1] M. Huff, D. Aidala, and J. Butler (Apr. 2006), “MEMS
Applications using diamond thin films,” Solid State
Technol. [online]. Available:
http://sst.pennnet.com/Articles/Article_Display.cfm?S
ection=ARTCL&ARTICLE_ID=253400&VERSION_NUM
=2&p=5.
[2] J. McKillop, T. Fowler, D. Goins, and R.
Nelson,“Design, performance, and qualification of a
commercially available MEMS switch,” Teravicta
White Paper, [Online]. Available:
http://www.teravicta.com/
[3] P. Gupta, E. Radza, W. Chen, R. Sheridan, R.
Sheridan, R. Melamud, M. Lutz, A. Partridge, and K.
Petersen, “Leveraging standard IC packaging for
MEMS oscillators,” SiTime White Paper, [Online].
Available: http://www.sitime.com/news/wph.htm.
[4] W-T. Hsu, “Vibrating RF MEMS for timing and
frequency references,” in Proc. 2006 Int. Microwave
Symp., San Francisco, CA, June 2006, pp. 672–675.
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Glosario de Técnicas Metrológicas para la Caracterización de UNCD
AES – La espectroscopía de electrones Auger
investiga la composición y química de una superficie al
medir la energía de electrones emitidos por esa
superficie cuando se irradia con electrones de energía
en el rango de 2 – 50 keV. Algunos de los electrones
emitidos por la superficie tienen características del
elemento del cual son emitidos y, en algunos casos, el
estado de unión de esos átomos. El proceso físico que
ocasiona que estos electrones sean emitidos se
denomina el efecto Auger. En dicho efecto, un electrón
se remueve del nivel central de un átomo por otro
electrón que bombardea al material. El electrón que se
removió deja una vacante ocupado por un electrón de
un nivel más alto. El electrón en decadencia transfiere
parte de su energía a otro electrón, el cual es
expulsado del átomo. Este electrón se conoce como el
electrón Auger.
(http://en.wikipedia.org/wiki/Auger_spectroscopy)
NEXAFS – La espectroscopía de estructura fina con
absorción de rayos X cerca del borde, una técnica
basada en un sincrotrón, es una sonda de estructura
electrónica de un elemento específico que muestrea
directamente la densidad local de estados
desocupados (LDOS) al igual que la orientación de la
unión química y la presencia de un orden cristalino a
corto rango. NEXAFS permite la extracción de la señal
de la superficie de una sola capa o incluso una sola
capa enterrada en la presencia de una señal grande
de fondo. NEXAFS no debe confundirse con EXAFS
(Estructura fina con absorción de rayos X extendidos)
que es una sonda estructural de la longitud de unión y
orientación, o XANES (Estructura cerca del borde con
absorción de rayos X) que es una sonda de elementos
pesados en el que múltiples efectos de dispersión
dominan el proceso de absorción
(http://en.wikipedia.org/wiki/NEXAFS).
AFM – El microscopio de fuerza atómica es un
microscopio de una sonda de escaneo con una
resolución de escala atómica que proporciona
imágenes con resoluciones 1000 veces más que la del
límite de difracción óptica. La información se obtiene al
‘sentir’ la superficie por medio de una punta mecánica
de 50 – 100 nm de diámetro integrada a una barra
suspendida (típicamente silicio o nitrito de silicio).
Cuando la punta hace contacto con la superficie de
muestra, las fuerzas entre ambos ocasionan una
desviación de la barra suspendida según la Ley de
Hooke. Dicha desviación se mide al reflejar un haz
láser desde la superficie de la barra suspendida que
se dirige a una arreglo de fotodiodos.
(http://en.wikipedia.org/wiki/Atomic_force_microscope).
SEM – El microscopio de escaneo por electrones es
capaz de producir imágenes de alta resolución de la
superficie topográfica de un material. En un SEM
típico, los electrones son emitidos termoiónicamente o
por efecto de campo eléctrico desde un cátodo y en
forma de un haz de electrones por lentes
electromagnéticos. El haz de electrones (con 5-100
keV de energía típicamente) se enfoca en un espacio
con tamaño de 1-5 nm en la superficie de la muestra y
se escanea de una manera de barrido sobre un área
rectangular. El haz de electrones que impacta en la
superficie de la muestra libera electrones secundarios
que son detectados por un detector de estado sólido
para formar una imagen de la superficie
(http://en.wikipedia.org/wiki/Scanning_electron_microscope).
MDT – La técnica de deflexión mecánica fue
desarrollada por el profesor Espinosa en la
Universidad de Northwestern para medir el esfuerzo
de fractura y la resistencia del material en la escala
MEMS. La técnica utiliza un nanoespaciador que
aplica una carga alineada a una barra rectangular fijafija y un interferómetro enfocado a la parte inferior de
la membrana para medir la deflexión. El resultado es
una tensión directa, debido a la falta de un gradiente
de tensión de las regiones medidas; la carga y
deflexión se miden de manera independiente.
(http://clifton.mech.northwestern.edu/~espinosa).
XPS – La espectroscopía de rayos X de fotoelectrones
es una técnica de análisis utilizada para medir la
composición elemental de la superficie de un material,
los elementos que contaminan dicha superficie, el
estado químico o electrónico de cada elemento en la
superficie, la uniformidad de la composición elemental
a lo largo de la superficie superior, y la uniformidad de
la composición elemental como una función de
profundidad en el material. Los espectros XPS se
obtienen al irradiar un material con un haz de rayos X
mientras se mide, simultáneamente, la energía
cinética y el número de electrones que se escapan de
los 1-10 nm superiores del material analizado
(http://en.wikipedia.org/wiki/Xray_photoelectron_spectroscopy)
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