Browsing by Author "Paulasto-Kröckel, Mervi"

Filter results by typing the first few letters
Now showing 1 - 20 of 116
  • Achieving low-temperature wafer level bonding with Cu-Sn-In ternary at 150 °C
    (2023-01-01) Golim, Obert; Vuorinen, Vesa; Ross, Glenn; Wernicke, Tobias; Pawlak, Marta; Tiwary, Nikhilendu; Paulasto-Kröckel, Mervi
     Letter
    In this work, a low-temperature wafer-level bonding process at 150 °C was carried out on Si wafers containing 10 µm-sized microbumps based on the Cu-Sn-In ternary system. Thermodynamic study shows that addition of In enables low-melting temperature metals to reach liquid phase below In melting point (157 °C) and promotes rapid solidification of the intermetallic layer, which are beneficial for achieving low-temperature bonding. Microstructural observation shows high bonding quality with low amount of defect. SEM and TEM characterization concludes that a single-phase intermetallic formed in the bond and identified as Cu6(Sn,In)5 with a hexagonal lattice. Mechanical tensile test indicates that the bond has a mechanical tensile strength of 30 MPa, which are adequate for 3D heterogeneous integration.
  • Adhesion between liquid crystal polymer and silicone adhesive in sensor technology
    (2011) Tölö, Anssi
     School of Electrical Engineering | Master's thesis
    Tässä opinnäytetyössä tarkastellaan nestekidepolymeerin ja silikoniliiman välistä rajapintaa, joka on yleinen muun muassa antureissa. Kiihtyvyysanturin on toimittava luotettavasti käyttöympäristössään. Käytössä kiihtyvyysantureissa olevalla nestekidepolymeeri-silikoniliima -rajapinnalla on havaittu satunnaisia adheesio-ongelmia. Tämän opinnäytetyön tarkoituksena oli lisätä tietämystä nestekidepolymeerin ja silikoniliiman välisestä adheesiosta. Tavoitteena oli tutkia, mihin niiden välinen adheesio perustuu ja, kuinka sitä voidaan parantaa teollisuustuotannon tarkoituksiin soveltuvalla menetelmällä. Lisäksi tarkoituksena oli selvittää, millä menetelmällä nestekidepolymeerin ja silikoniliiman välistä liitoksen lujuutta voidaan mitata luotettavasti. Työn kirjallisessa osassa käsiteltiin adheesion perusteita. Lisäksi käsiteltiin kokeellisen osan kannalta merkittäviä liitoksen lujuuden tutkimusmenetelmiä ja pinnankäsittelymenetelmiä. Työn kokeellinen osa perustui nestekidepolymeerin plasmakäsittelyihin. Nestekidepolymeerin ja silikoniliiman välinen liitoksen lujuus määritettiin työntötestillä. Työntötesti mallinnettiin, jotta voitiin arvioida sen luotettavuutta. Nestekidepolymeerille tehtiin lisäksi kontaktikulmamittaus. Näin saatiin selville, kuinka plasmakäsittely oli vaikuttanut nestekidepolymeerin kostutusominaisuuksiin. Lopuksi pettänyttä liitosta tutkittiin mikroskoopeilla murtumatyypin selvittämiseksi. Kokeellisesta osasta saatujen tulosten perusteella valittiin paras plasmakäsittely. Liitoksen tartuntamekanismien paremman ymmärryksen avulla nestekidepolymeerin ja silikoniliiman välinen adheesion lujuus on nyt paremmin ennustettavissa.
  • Aerosolia tuottavan kalibrointiaseman suorituskyvyn tarkastelu ja optimointi
    (2017-08-28) Haverinen, Enni
     Sähkötekniikan korkeakoulu | Master's thesis
  • Aluminum Nitride to Silicon Direct Bonding for an Alternative Silicon-On-Insulator Platform
    (2021-08-18) Kaaos, Jani; Ross, Glenn; Paulasto-Kröckel, Mervi
     A1 Alkuperäisartikkeli tieteellisessä aikakauslehdessä
    The next generation of microelectromechanical systems (MEMS) requires new materials and platforms that can exploit the intrinsic properties of advanced materials and structures, such as materials with high thermal conductivity, broad optical transmission spectra, piezoelectric properties, and miniaturization potential. Therefore, we need to look beyond standard SiO2-based silicon-on-insulator (SOI) structures to realize ubiquitous MEMS. This work proposes using AlN as an alternative SOI structure due to several inherent material property advantages as well as functional advantages. This work presents the results of reactively sputtered AlN films on a Si handle wafer bonded with a mirror-polished Si device wafer. Wafer bonding was achieved by using hydrophilic wafer bonding processes, which was realized by appropriate polymerization of the prebonding surfaces. Plasma activation of the AlN surface included O2, Ar, SF6, SF6 + Ar, and/or SF6 + O2, which resulted in a change in the chemical and topography state of the surface. Changes in the AlN surface properties included enhanced hydrophilicity, reduced surface roughness, and low nanotopography, components essential for successful hydrophilic direct wafer bonding. Wafer bonding experiments were carried out using promising surface activation methods. The results showed a multilayered bonding interface of Si(Device)/SiO2/ALON/AlN/Si(Handle) with fluorine in the aluminum oxynitride layer from the proceeding AlN surface activation process. More notably, this work provided wafer bonding tensile strength results of the AlN alternative SOI structure that compares with the traditional SiO2 SOI counterpart, making AlN to Si direct bonding an attractive alternative SOI platform.
  • Amperometrisen välittäjäaineanturin karakterisointilaitteiston suunnittelu ja toteutus
    (2012) Kotiranta, Olli
     Master's thesis
    Tässä diplomityössä rakennettiin laitteisto, jolla kyetään määrittämään ja mittaamaan amperometrisen välittäjäaineanturin suorituskykyä kuvaavia parametreja. Työ on osa Aalto-yliopiston Sähkötekniikan korkeakoulun Elektroniikan laitoksen tutkimusprojektia, jonka yksi osa-alue on valmistaa aivostimulaatiossa käytettäviä implantoitavia välittäjäaineantureita. Toteutettu laitteisto on tarkoitettu näiden antureiden testaamiseen. Työn kirjallisessa osiossa esitellään sähkökemiallisten mittausten teoreettinen perusta sekä erityisesti sähkökemiallisten välittäjäaineanturien toimintaperiaate keskittyen glutamaattia havainnoiviin antureihin. Lisäksi osioon kuuluu katsaus virtausdynamiikkaan sekä hydrodynaamisiin sähkökemiallisiin mittauksiin. Kokeellisessa osiossa esitellään kirjallisuuskatsauksen pohjalta suunniteltu mittauslaitteisto sekä sen toimintakykymittausten tulokset. Toimintakyvyn määrittämiseen käytettiin apuna kaupallisia Sarissa Biomedicalin glutamaattiantureita. Mittauksissa havaittiin ongelmia kaupallisten antureiden luotettavuuden kanssa, ja mittaukset onnistuttiin suorittamaan vain yhdelle anturille viidestä, mikä heikentää mittauksista tehtävien johtopäätösten luotettavuutta merkittävästi. Laitteistolla kyettiin kuitenkin määrittämään mitatun anturin keskeisiä suoritusparametrejä kuten aikaresoluutio ja herkkyys. Lisäksi tulosten perusteella laitteisto kykeni nopeiden mittausten suorittamiseen.
  • Antibacterial properties of nanostructured glass surfaces
    (2015-03-30) Kummala, Ruut
     Sähkötekniikan korkeakoulu | Master's thesis
  • Asiakasyhteydenottojen tehokas käsittely palveluliiketoiminnassa
    (2014-05-05) Vajavaara, Laura
     Sähkötekniikan korkeakoulu | Master's thesis
    Myynninjälkeisen liiketoiminnan tärkeys on kasvanut viimeisten vuosikymmenten aikana. Yritykselle on edullisempaa säilyttää nykyiset asiakkaat kuin hankkia uusia. Näin ollen palvelutason on oltava korkea ja asiakkaan kokema palvelutapahtuma miellyttävä. Viesti tulosyksikön nykyisiltä asiakkailta on ollut se, että liiketoimintaprosessien vasteajat sekä tuotteiden toimitusajat ovat liian pitkiä eivätkä he ole tyytyväisiä nykyiseen tilanteeseen. Tämä diplomityö koostuu kirjallisesta ja empiirisestä tutkimusosuudesta. Lisäksi kirjallinen osuus on jaettu palveluliiketoimminnan käsittelyyn sekä osuuteen, jossa esitellään empiirisessä tutkimuksessa käytetyt menetelmät. Tutkimuksen kohteena ollut tulosyksikkö vastaa kaikesta myynninjälkeisestä toiminnasta, joka liittyy kyseessä olevan tehtaan valmistamiin moottoreihin ja generaattoreihin. Toimintaan sisältyy varaosamyynti sekä muut prosessit, jotka esitellään kappaleessa 2. Diplomityö on lähinnä keskittynyt varaosamyynnin osuuteen. Diplomityön tavoitteena on löytää ne ongelmakohdat, joita parantamalla myös asiakaspalvelun taso paranee ja asiakastyytyväisyys lisääntyy. Ongelmakohtien löytämiseen käytettiin apuna tilastotietoa tuotannonohjausjärjestelmästä sekä sähköpostitietokannasta. Lisäksi tietokannasta löytyviä, tapauskohtaisia sähköposteja käytettiin tiedonlähteenä. Tulosyksikön työntekijöille suoritettiin kyselytutkimus asiakaspalveluun liittyvistä tekijöistä. Vaihtoehtoisten toimintatapojen löytämisen taustatukena toimivat neljä eri benchmark-haastattelua. Lisäksi tietolähteinä käytettiin koko yhtiön laajuista NPS-tutkimusta sekä varaosaprosessin arvovirtakuvausta. Eri empiiristen tutkimusmenetelmien avulla esiin nousi ongelmakohtia, joita parantamalla asiakaspalvelun tasoa on mahdollista nostaa ja toimintaa tehostaa. Osaan ongelmakohdista on jo puututtu ja tuloksia on nähtävissä.
  • Atomic layer deposition of AlN from AlCl3 using NH3 and Ar/NH3 plasma
    (2018-01) Rontu, Ville; Sippola, Perttu; Broas, Mikael; Ross, Glenn; Lipsanen, Harri; Paulasto-Kröckel, Mervi; Franssila, Sami
     A1 Alkuperäisartikkeli tieteellisessä aikakauslehdessä
    The atomic layer deposition (ALD) of AlN from AlCl3 was investigated using a thermal process with NH3 and a plasma-enhanced (PE)ALD process with Ar/NH3 plasma. The growth was limited in the thermal process by the low reactivity of NH3, and impractically long pulses were required to reach saturation. Despite the plasma activation, the growth per cycle in the PEALD process was lower than that in the thermal process (0.4A ° vs 0.7A ° ). However, the plasma process resulted in a lower concentration of impurities in the films compared to the thermal process. Both the thermal and plasma processes yielded crystalline films; however, the degree of crystallinity was higher in the plasma process. The films had a preferential orientation of the hexagonal AlN [002] direction normal to the silicon (100) wafer surface. With the plasma process, film stress control was possible and tensile, compressive, or zero stress films were obtained by simply adjusting the plasma time.
  • Atomic layer deposition of AlN using atomic layer annealing - Towards high-quality AlN on vertical sidewalls
    (2021-05-01) Österlund, Elmeri; Seppänen, Heli; Bespalova, Kristina; Miikkulainen, Ville; Paulasto-Kröckel, Mervi
     A1 Alkuperäisartikkeli tieteellisessä aikakauslehdessä
    Atomic layer deposition (ALD) of aluminum nitride (AlN) using in situ atomic layer annealing (ALA) is studied for microelectromechanical systems (MEMS). Effective piezoelectric in-plane actuation and sensing requires deposition of high crystal quality and (0002) oriented AlN on vertical sidewalls of MEMS structures. Previous studies have shown that the crystal quality of ALD AlN can be significantly improved using ALA but have not studied the conformal coverage or crystal quality on metal electrodes, which are required for piezoelectric MEMS devices. In this study, AlN thin films are deposited on Si, Al, Pt, and on vertical sidewalls etched into Si. The AlN microstructure and properties are studied using x-ray diffraction methods, transmission electron microscopy, and Fourier transform infrared spectroscopy. The conformal coverage is evaluated by measuring the film thickness on the vertical sidewalls. The effects of postdeposition annealing are studied as well. This study aims to enable effective piezoelectric actuation and sensing for MEMS sensors. The conformal coverage of the ALA ALD process is excellent and AlN has the best crystal quality and degree of orientation when deposited on Al. The as-deposited films contain oxygen impurities, which might be detrimental to the piezoelectric properties of AlN. Annealing at high temperatures reduced the number of impurities but did not improve the crystal quality.
  • Automated Stability Monitoring of Calibration and Testing Equipment
    (2018-10-08) Tikka, Juho
     Sähkötekniikan korkeakoulu | Master's thesis
    New safety systems are being constantly developed for automotive use. MEMS sen- sors used in these applications must be thoroughly tested and accurately calibrated since system failure can cause hazardous situations. Testing units have to be able to detect all defective and nonconforming sensors. From industrial point of view, it is also important that conforming sensors are not misinterpreted as nonconforming because of measurement uncertainty. Mea- surement uncertainty can be evaluated by means of measurement system analysis and stability monitoring. In this thesis, suitability of statistical process control for monitoring MEMS accelerometer and gyroscope testing equipment stability is studied. This thesis aims at automating stability monitoring and researching especially electrical contact stability and special features of PAT testing and testing unit levelness, i.e., how well the turning axes are aligned. First, relevant literature is reviewed. Operation principle and testing methods for MEMS sensors, and statistical process control tools are presented. Then, analysis tools and results are presented. Study was performed using available data produced by current Murata Finland monitoring tools. Analysis methods applied to data were linear regression and analysis of means. It was found that stability of electrical contacting can not be reliably monitored using currently used measurements. Testing unit levelness, on the other hand, was found to be suitable for statistical process control. Furthermore, it was found that situations in which PAT failures accumulate to certain testplaces could not be predicted.
  • Automation of wire bond destructive testing
    (2021-06-14) Riento, Lauri
     Sähkötekniikan korkeakoulu | Master's thesis
  • Biocompatible and Long-Term Encapsulation of Implantable Electronics
    (2014-10-20) Valmari, Betti
     Sähkötekniikan korkeakoulu | Master's thesis
  • Biomechanical design of an intramedullary device for distraction osteogenesis
    (2010) Ritvanen, Antti
     School of Electrical Engineering | Master's thesis
    Alaraajojen pitkien putkiluiden venytyshoidossa käytettävien ulkoisten laitteiden ongelmia on pyritty vähentämään täysin implantoitavien venytysluudutuslaitteiden avulla. Pidennettävien luuydinnaulojen luotettavuus ei toistaiseksi ole hyväksyttävällä tasolla. Diplomityötä edeltäneessä tutkimuksessa näitä ongelmia on pyritty vähentämään kehittämällä magnetostriktiiviseen voimanlähteeseen perustuva venytysluudutuslaite. Työn tavoitteena on selvittää pidennettävän luuydinnaulan biomekaaniset vaatimukset ja etsiä sellaiset tekniset ratkaisut, joiden avulla aiemmassa tutkimuksessa kehitettyä pidennysmekanismia hyödyntäen vaatimukset täytetään. Biomekaanisen suorituskyvyn kannalta tärkeän naulan rakenteellisen jäykkyyden arvosta ei vallitse yksimielisyyttä. Riittävä suorituskyky arvioitiin saavutettavan arvolla 100 - 200 Nm2. Naulan rakenteellinen jäykkyys sekä väsymis- ja myötölujuudet ovat yhteydessä toisiinsa jäyhyysmomentin ja materiaalin mekaanisten ominaisuuksien kautta. Venytysluudutuksessa tehtävä murtuma on biomekaanisesti erittäin haastava ja luutumisaika huomattavasti traumaperäistä murtumaa pidempi. Tämä asettaa naulan lujuudelle suuret vaatimukset. Siksi mekaanista lujuutta tulee maksimoida rakenteellisen jäykkyyden ja anatomian sallimissa rajoissa. Naulan myötöön vaadittavan momentin tulee olla vähintään 100 Nm. Naulan tulee tarjota pidennysmekanismille bioyhteensopiva ja - stabiili sekä mekaanisesti suojaava kotelointi: Naula suunniteltiin nykyisiä luuydinnauloja jäykemmäksi ja mekaanisesti kestävämmäksi suorituskyvyn parantamiseksi. Naula edellyttää osittaisvarausta luutumiseen saakka. Naula suunniteltiin sallimaan pidennysmekanismin mahdo1lisin-man luotettava toiminta ja korrodoivan kudosympäristön vaikutus huomioitiin suunnittelussa ja materiaalivalinnoissa. Teleskooppirakenne ei aiheuttanut merkittävää korroosioriskiä. Nykyisen pidennysmekanismin kanssa naula muodostuu kuitenkin liian pitkäksi. Kliinisen käyttökelpoisuuden saavuttaminen edellyttää mekanismin dimensioiden pienentämisen lisäksi luotettavan tiivistyksen kehittämistä sekä turvallisuuden parantamista implantin hajoamistilanteessa.
  • Blistering mechanisms of atomic-layer-deposited AlN and Al2O3 films
    (2017-10-02) Broas, Mikael; Jiang, Hua; Graff, Andreas; Sajavaara, Timo; Vuorinen, Vesa; Paulasto-Kröckel, Mervi
     A1 Alkuperäisartikkeli tieteellisessä aikakauslehdessä
    Blistering of protective, structural, and functional coatings is a reliability risk pestering films ranging from elemental to ceramic ones. The driving force behind blistering comes from either excess hydrogen at the film-substrate interface or stress-driven buckling. Contrary to the stress-driven mechanism, the hydrogen-initiated one is poorly understood. Recently, it was shown that in the bulk Al-Al2O3 system, the blistering is preceded by the formation of nano-sized cavities on the substrate. The stress-and hydrogen-driven mechanisms in atomic-layer-deposited (ALD) films are explored here. We clarify issues in the hydrogen-related mechanism via high-resolution microscopy and show that at least two distinct mechanisms can cause blistering in ALD films. Published by AIP Publishing.
  • Calculation of Phase Diagrams and First-Principles Study of Germanium Impacts on Phosphorus Distribution in Czochralski Silicon
    (2021-08) Dong, Hongqun; Tao, Xiaoma; Paulasto-Kröckel, Mervi
     A1 Alkuperäisartikkeli tieteellisessä aikakauslehdessä
    Phosphorus (P) is one of the most widely used donor dopants for fabricating a low-resistivity silicon (Si) substrate. However, its volatile nature and the relatively small equilibrium segregation coefficient in Si at the melting temperature of Si impede the efficient and effective growth of low-resistivity Czochralski (CZ) Si single crystal. The primary objective of this work is to theoretically perceive the influence of germanium co-doping on the heavily P-doped Si crystal by means of CALculation of PHase Diagrams (CALPHAD) approaches and density functional theory (DFT) calculations. Phase equilibria at the Si-rich corner of the Si-Ge-P system has been thermodynamically extrapolated based on robust thermodynamic descriptions of involved binary systems, where Si-P and Ge-P have been re-assessed in this work. Phase diagram calculation results indicate that at a given P concentration (e.g. 0.33 at.% P) Ge co-doping lowers the solidification temperature of the Si(Ge, P) alloys, as well as the relevant equilibrium segregation coefficients of P in the doped Si. DFT calculations simulated the formation of (i) monovacancy in Si as well as (ii) solutions of Si(P) and Si(Ge) with one dopant substitutionally inserted in 64- and 216-atom Si cubic supercells. Binding energies were calculated and compared for Ge-Ge, Ge-P and P-P bonds positioning at the first nearest-neighbors (1NN) to the third nearest-neighbors (3NN). P-P bonds have the largest bonding energy from 1NN to 3NN configurations. The climbing image nudged elastic band method (CL-NEB) was utilized to calculate the energy barriers of P 1NN jump in the 64-atom Si cubic supercell with/without a neighboring Ge atom. With Ge present, a higher energy barrier for P 1NN jump was obtained than that without involving Ge. This indicates that Ge can impede the P diffusion in Si matrix.
  • Cell guidance by micropatterned surfaces
    (2008) Kaivosoja, Emilia
     Helsinki University of Technology | Master's thesis
  • Characterization of AlScN-Based Multilayer Systems for Piezoelectric Micromachined Ultrasound Transducer (pMUT) Fabrication
    (2021-04) Bespalova, Kristina; österlund, Elmeri; Ross, Glenn; Paulasto-Kröckel, Mervi; Sebastian, Abhilash Thanniyil; Karuthedath, Cyril Baby; Mertin, Stefan; Pensala, Tuomas
     A1 Alkuperäisartikkeli tieteellisessä aikakauslehdessä
    Scandium-alloyed aluminum nitride (AlScN) is a potential material for micro-electromechanical systems because of its unique advantages, such as strong piezoelectric effect and high thermal stability. However, issues related to its stability and interaction with other materials in multilayer systems require investigation. The formation of new phases at the interface between piezomaterial and electrode material can lead to the device failure. In this study, multilayer structures Si substrate/AlN/Ti-Mo/Al0.8 Sc0.2N/top electrode (TE) were studied after annealing at a wide range of temperatures and durations. Four different TE materials (i.e. Al, AlSi (1%), Mo/Al, and Mo) were examined to determine the most reliable electrode material for the structure. The phase stability, interfacial quality, and piezoelectric response of the multilayer systems after thermal annealing were investigated. The structure with Mo TE layer was stable after annealing at 800 °C for 300 h and at 1000 °C for 100 h. None of the structures formed any new phases at the interface between the electrode layer and AlScN. The transverse piezoelectric coefficient (e31,f) was determined for Al0.8Sc0.2N before and after annealing. The absolute value of the e31,f was -1.39 C/m² for as-deposited structure and -1.67 C/m² for the same structure annealed for 300 h at 800 °C. [2020-0361]
  • Characterization of the bioelectrode and neural tissue interface in vitro
    (2011) Wahlström, Erik
     School of Electrical Engineering | Master's thesis
    Keskushermoston stimulointia on käytetty jo pitkään kliinisenä hoitona esimerkiksi Parkinsonin tautiin liittyvän vapinan sekä kroonisen kivun lievittämiseksi. Aivojen syvien tyvitumakkeiden stimulointi eli DBS-hoito on yleisesti sovellettu menetelmä, joka toimii esimerkkinä tässä bioelektrodeja käsittelevässä työssä, ja jonka vaikutusmekanismiin tutustutaan hieman tarkemmin. Tämän työn tarkoitus on tehdä selvitys neurostimulaatioon käytettävien bioelektrodien tutkimuksesta sekä elektrodien sähkökemiallisista tutkimusmenetelmistä. Keskushermoston stimulaatio on vakiinnuttanut paikkansa hoitomenetelmänä, mutta laajasta tutkimuksesta huolimatta stimulaation vaikutuksia solutasolla tai korkeammalla neurologisella tasolla ei tunneta tarkkaan. Elektrodien varauksensiirtoon liittyvä sähkökemiallinen tutkimus on perustavaa tasoa stimulaation vaikutuksia selvittävien tutkimuksien muodostamassa kokonaisuudessa. Kirjallisuusosassa tutkimuksen nykytilan ja menetelmien esittely pohjustetaan yksityiskohtaisella kartoituksella elektrodin ja kudoksen välisen varauksensiirron ominaisuuksista, rajapinnan sähköisistä ominaisuuksista sekä hermokudoksen ja sähköisen stimulaation vuorovaikutuksista solutasolla. Laboratoriossa suoritettavassa in vitro tutkimuksessa määritellään sähkökemiallisilla menetelmillä elektrodien sähköisiä ominaisuuksia. Syklisellä voltammetrialla pystytään tutkimaan elektrodin kykyä vastaanottaa varausta sekä varauksensiirtoreaktioiden käänteistä luonnetta. Kokeellisessa osassa suoritettiin mittauksia syklisellä voltammetrialla platinairidium~seoksesta valmistetulla elektrodilla kudosnestettä mallintavassa fosfaatti-puskuroidussa fysiologisessa suolaliuoksessa. Tarkoituksena oli tutustua monimuotoiseen mittausmenetelmään sekä arvioida platina-iridiumista valmistetun elektrodin sähköisiä ominaisuuksia ja verrata niitä kirjallisuuteen.
  • Chemical stability of alumina fabricated by atomic layer deposition
    (2017-01-31) Kanninen, Olli
     Kemian tekniikan korkeakoulu | Master's thesis
    Alumina films formed with atomic layer deposition (ALD) can be utilized in silicon on insulator (SOI) wafers exploited as substrates for advanced microelectromechanical systems (MEMS) applications. Both SOI wafer manufacturing processes and the actual operational environment of MEMS, such as those of medical micro device applications, can expose the ALD alumina coatings to a variety of wet chemistries. As these solutions may deteriorate the coatings and hence either contaminate processing tools in manufacturing or decrease the biocompatibility, it is necessary to prevent dissolution of the films in wet chemistries. The goal of this thesis was to study the effect of microstructural characteristics of ALD alumina contributing to a low solubility in neutral, basic, and acidic wet chemistries, and to further understand the etching mechanisms. ALD alumina films were formed with four different precursor combinations and the stability of the films was enhanced by annealing. Various etching experiments were performed on as-deposited and annealed ALD alumina films. The films were characterized and chemical analysis was carried out for the basic and acidic etchants used in the etching experiments. Crystallization of as-deposited amorphous alumina into gamma-Al2O3 transition phase during annealing significantly increased the chemical stability of ALD alumina. Annealing at the temperature of 1000 C for 1 hour resulted in an improved crystallinity of gamma-Al2O3 and in an excellent chemical stability. According to the characterizations and chemical analysis such high stability ALD alumina films could potentially be used in SOI manufacturing as the amount of contamination would be diminishing in wafer cleaning solutions.
  • Chemically Stable Atomic-Layer-Deposited Al2O3 Films for Processability
    (2017-07-31) Broas, Mikael; Kanninen, Olli; Vuorinen, Vesa; Tilli, Markku; Paulasto-Kröckel, Mervi
     A1 Alkuperäisartikkeli tieteellisessä aikakauslehdessä
    Atomic-layer-deposited alumina (ALD Al2O3) can be utilized for passivation, structural, and functional purposes in electronics. In all cases, the deposited film is usually expected to maintain chemical stability over the lifetime of the device or during processing. However, as-deposited ALD Al2O3 is typically amorphous with poor resistance to chemical attack by aggressive solutions employed in electronics manufacturing. Therefore, such films may not be suitable for further processing as solvent treatments could weaken the protective barrier properties of the film or dissolved material could contaminate the solvent baths, which can cause cross-contamination of a production line used to manufacture different products. On the contrary, heat-treated, crystalline ALD Al2O3 has shown resistance to deterioration in solutions, such as standard clean (SC) 1 and 2. In this study, ALD Al2O3 was deposited from four different precursor combinations and subsequently annealed either at 600, 800, or 1000 °C for 1 h. Crystalline Al2O3 was achieved after the 800 and 1000 °C heat treatments. The crystalline films showed apparent stability in SC-1 and HF solutions. However, ellipsometry and electron microscopy showed that a prolonged exposure (60 min) to SC-1 and HF had induced a decrease in the refractive index and nanocracks in the films annealed at 800 °C. The degradation mechanism of the unstable crystalline film and the microstructure of the film, fully stable in SC-1 and with minor reaction with HF, were studied with transmission electron microscopy. Although both crystallized films had the same alumina transition phase, the film annealed at 800 °C in N2, with a less developed microstructure such as embedded amorphous regions and an uneven interfacial reaction layer, deteriorates at the amorphous regions and at the substrate-film interface. On the contrary, the stable film annealed at 1000 °C in N2 had considerably less embedded amorphous regions and a uniform Al-O-Si interfacial layer.