Simulation, fabrication and characterization of MEMS for extraction of mechanical properties of thin films.

A concepção deste trabalho está ligada ao desenvolvimento de sistemas microeletromecânicos (MEMS) para RF na faixa de frequências de ondas milimétricas. Dentro deste contexto, o Grupo de Novos Materiais e Dispositivos (GNMD) do Laboratório de Microeletrônica (LME) da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (EPUSP) já fabricou RF MEMS que tiveram resultados bastante promissores. No entanto, para obtenção de melhores resultados, é necessária a otimização eletromecânica destes dispositivos e para isso é necessária a extração de suas propriedades mecânicas. Assim, este trabalho teve como objetivo o desenvolvimento de uma metodologia para extração do módulo de elasticidade e tensão residual em MEMS, através da simulação e fabricação de microestruturas específicas para este fim. As técnicas de nanoindentação, frequência de ressonância, raio de curvatura e M-TEST foram estudadas. As microestruturas fabricadas foram cantileveres e pontes feitas de alumínio e cobre. Foram realizadas simulações no software ANSYS para prever as frequências de ressonância e as tensões de pull-in das estruturas antes de serem fabricadas. O módulo de elasticidade do alumínio extraído através da nanoindentação foi de 75,6 ± 4,1 GPa, e o do cobre extraída através da técnica de frequência de ressonância foi de 123 ± 12 GPa. A tensão residual do cobre foi extraída através da técnica de medição do raio de curvatura e foi de -199±105 MPa. O trabalho está vinculado ao projeto Jovem Pesquisador FAPESP (2011/18167-3).The approach of this work is linked to the development of microelectromechanical systems (MEMS) for RF in the frequency range of millimeter waves. Within this context, the Group of New Materials and Devices (GNMD) of the Laboratory of Microelectronics (LME) of the Polytechnic School of the University of São Paulo (EPUSP) has already manufactured RF MEMS which have had very promising results. However, to obtain better results, it is necessary the electromechanical optimization of these devices through the extraction of their mechanical properties. Thus, this work has the objective of developing a methodology for the extraction of the Young\'s modulus and residual stress in MEMS, through the simulation and fabrication of specific microstructures for this purpose. The techniques of nanoindentation, resonance frequency, radius of curvature and M-TEST were studied. The fabricated microstructures were cantilevers and bridges in aluminum and copper materials. Simulations were performed in the ANSYS software to predict the resonance frequencies and the pull-in voltages of the structures before they were fabricated. The Young\'s modulus of aluminum extracted through nanoindentation was 75,6 ± 4,1 GPa, the resonance frequency of copper extracted by the technique of the same name was 123 ± 12 GPa and the residual stress of copper was extracted through the technique of measuring the radius of curvature and was -199±105 MPa. The work is linked to the project Jovem Pesquisador from FAPESP (2011/18167-3)