Learning Centre

KOH anisotropic silicon etching for MEMS accelerometer fabrication

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.advisor Franssila, Sami, Prof., Aalto University, Department of Materials Science and Engineering, Finland
dc.contributor.author Kilpinen, Petteri
dc.date.accessioned 2014-08-06T09:00:13Z
dc.date.available 2014-08-06T09:00:13Z
dc.date.issued 2014
dc.identifier.isbn 978-952-60-5680-7 (electronic)
dc.identifier.isbn 978-952-60-5679-1 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4942 (electronic)
dc.identifier.issn 1799-4934 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4934 (ISSN-L)
dc.identifier.uri https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/13750
dc.description.abstract This dissertation is intended as a guidebook for processing crystalline silicon by anisotropic potassium hydroxide (KOH) wet etching. In low cost bulk micromachining of silicon for MEMS (Micro Electro Mechanical Systems), anisotropic wet etching of single crystalline silicon in aqueous KOH solutions is a technically important process. Anisotropic etching of silicon is used to create mechanical microstructures in silicon. Differences in etch rates between the different crystal planes are utilized in the process. The present dissertation explores six different aspects of silicon anisotropic etching using an accelerometer as a test device. The first part of the thesis concentrates on liquid phase phenomena, and the latter part with the interactions of the silicon crystal with the etching process. It is shown that etch rates and anisotropy are extremely sensitive to the process conditions and equipment, for example rotational flow in the etch bath is shown to be superior to laminar flow. It is also shown that the etch rate and the resulting surface quality are sensitive to very small changes in Pb concentrations in the range of 200 to 300 ppb. The effects of wafer oxygen levels have been studied from etching point of view and were found to have a marked effect especially on etching the (111) crystal plane. A novel method for eliminating the effects of grinding damage on etching has been introduced. Ultra Poligrind wafers were used as substrate material for MEMS accelerometer structures. These wafers eliminate the need for double side polished wafers and are expected to reduce the cost of starting material considerably. Taken together, the thesis provides an extensive set of guidelines for silicon anisotropic KOH etching. By careful optimization of both the etchant composition and equipment, and matching the design to wafer specifications, it is shown that a very high degree of control can be achieved by KOH wet etching. These guidelines will be useful for further MEMS and NEMS (Nano Electro Mechanical Systems) development in cases where critical structures are defined by KOH etching. en
dc.description.abstract Tämä työ on tarkoitettu kaiken kattavaksi oppaaksi kiteisen piin anisotrooppiseen syövyttämiseen kaliumhydroksidilla eli KOH:lla. Piikiekkojen anisotrooppinen KOH-syövytys on edelleen teknisesti tärkeä prosessi, jolla valmistetaan halpoja mikroelektromekaanisia antureita ja systeemejä, joiden lyhenne on MEMS. Anisotrooppisella KOH-syövytyksellä valmistetaan MEMS-antureiden/-systeemien mekaaniset ja fysikaaliset rakenteet käyttämällä hyväksi piikiekon kidetasojen 100 ja 111 syöpymisnopeuseroja. Myös muiden kidetasojen syöpymisnopeuseroja voidaan hyödyntää. Tässä työssä esitellään kuusi eri ilmiötä, jotka vaikuttavat piin anisotrooppiseen syöpymiseen KOH-vesiliuoksessa.Kahdessa ensimmäisessä osoitetaan, että syöpymisnopeudet ja anisotropiat ovat erityisen herkkiä syövytysprosessin olosuhteille sekä laitekonfiguraatiolle. Esimerkiksi KOH-vesiliuoksen virtauksessa pyörteinen virtaus on parempi kuin laminaarinen virtaus. Kolmannessa ilmiössä osoitetaan, että piin syöpymisnopeus on erittäin herkkä hyvin pienille lyijypitoisuuksien vaihteluille KOH-vesiliuoksessa. Lyjypitoisuuden muutos 200 ppb:sta 300 ppb:aan pienentää kidetasojen 100 ja 110 syöpymisnopeutta yli 7%. Neljännessä ilmiössä tutkitaan anisotropian ja syövytystuloksen vaihtelua piikiekon sisältämän hapen funktiona. Tulokset osoittavat, että kidetason 111 syöpymisnopeus on erityisen herkkä piikiekon happitasolle, ja siksi myös syövytystulos ja anisotropia ovat erityisen herkkiä. Kahdessa viimeisessä ilmiössä tutkitaan hienohiottuja piikiekkoja. Näistä ensimmäisessä esitellään uusi menetelmä hiontavaurioiden poistamiseksi ja osoitetaan, että hienohiotun ja vauriopoistosyövytetyn piikiekon KOH-syövytystulos on vastaava tai parempi kuin kiillotetun piikiekon syövytystulos. Jälkimmäisessä esitellään molemmin puolin Ultra Poligrind- hiotuista piikiekoista prossesoidut MEMS-kiihtyvyysanturin seismiset massat ja jouset. Tulokset osoittavat, että kiillotettujen kiekkojen asemesta Ultra Poligrind- hiottuja kiekkoja voidaan käyttää lähtömateriaalina vaativille MEMS-rakenteille ja että nämä kiekot voidaan anodisesti bondata eli liittää ilmatiiviiksi. Kaikki tässä työssä esitellyt ilmiöt ja tutkimustulokset yhdessä antavat suuntaviivat mahdollisimman tasalaatuiselle piin anisotrooppiselle KOH-syövytysprosessille. Vain ottamalla huomioon kaikki syövytystulokseen vaikuttavat tekijät on mahdollista minimoida syövyttämällä tehtyjen MEMS-rakenteiden vaihtelu ja prosessoida nanoelektromekaanisia antureita/systeemejä (NEMS). fi
dc.format.extent 157
dc.format.mimetype application/pdf en
dc.language.iso en en
dc.publisher Aalto University en
dc.publisher Aalto-yliopisto fi
dc.relation.ispartofseries Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS en
dc.relation.ispartofseries 65/2014
dc.subject.other Materials science en
dc.title KOH anisotropic silicon etching for MEMS accelerometer fabrication en
dc.title KOH anisotrooppinen piin syövytys MEMS kiihtyvyysantureiden valmistuksessa fi
dc.type G4 Monografiaväitöskirja fi
dc.contributor.school Kemian tekniikan korkeakoulu fi
dc.contributor.school School of Chemical Technology en
dc.contributor.department Materiaalitekniikan laitos fi
dc.contributor.department Department of Materials Science and Engineering en
dc.subject.keyword potassium hydroxide en
dc.subject.keyword silicon en
dc.subject.keyword anisotropic etching en
dc.subject.keyword accelerometer en
dc.subject.keyword kaliumhydroksidi fi
dc.subject.keyword pii fi
dc.subject.keyword anisotrooppinen märkäsyövytys fi
dc.subject.keyword MEMS fi
dc.subject.keyword kiihtyvyysanturi fi
dc.identifier.urn URN:ISBN:978-952-60-5680-7
dc.type.dcmitype text en
dc.type.ontasot Doctoral dissertation (monograph) en
dc.type.ontasot Väitöskirja (monografia) fi
dc.contributor.supervisor Franssila, Sami, Prof., Aalto University, Department of Materials Science and Engineering, Finland
dc.opn Seidel, Helmut, Professor, Saarland University, Germany
dc.date.dateaccepted 2014-04-16
dc.rev Lang, Walter, Prof., Bremen University, Germany
dc.rev Sato, Kazuo, Prof., Aichi Institute of Technology, Japan
dc.date.defence 2014-06-06
local.aalto.digifolder Aalto_64622
local.aalto.digiauth ask


Files in this item

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Search archive


Advanced Search

article-iconSubmit a publication

Browse