Controlled modification of aluminum thin film surface roughness

Abstract

In this research controlled modification of aluminum thin film surface roughness is examined. Aluminum is used as an electrode layer in a capacitive accelerometer element at Murata Electronics Oy. In the element layered bump structures are utilized to prevent stiction between element mass and Al electrode layer taking place upon contact. Stiction, however, occurs in element testing, where masses are deliberately driven to contact with bump surfaces. To further decrease the risk of stiction, bump surface roughness needs to be increased.

In this research ways to affect Al layer surface properties and means to increase Al surface roughness with available process equipment are evaluated. Also, surface roughness analysis methods are developed and examined. Alternatives for the current post-anneal process are tested. Additionally, suitability of using SiO2 covered monitor wafers to simulate Murata Electronics production wafer roughness behavior is evaluated.

Al electrode layer base roughness Rq value is found to increase 1500 % compared to baseline reference by increasing deposition temperature. Deposition temperature is also found to produce significant changes to Al layer morphology and to create features well over 20 nm. Number of hillocks higher than 20 nm is found to increase between 50 % and 150 % by increasing Al film thickness, altering deposition temperature or by modifying chemical wet cleaning recipe. Number of hillocks higher than 20 nm is found to decrease 60 % to 70 % by increasing deposition power or by shortening post-anneal duration. Two AFM based roughness analyzing methods are developed and found to be well-suited for hillock analysis. In-situ vacuum post-annealing is found to produce no hillocks. Sputter IR heating unit is found to be unsuitable alternative post-anneal process. SiO2 monitor wafer behavior is found to be non-analogous with non-linear offset in hillock densities and sizes compared to production wafers.

Tässä työssä tutkitaan alumiiniohutkalvojen pinnankarheuden hallittua muokkaamista. Murata Electronics Oy:llä alumiinia käytetään elektrodimateriaalina kapasitiivisissa MEMS-kiihtyvyysantureissa. Kiihtyvyysantureiden elementtien pinnoilla on monikerroksisia kyhmyrakenteita, jotka estävät kiihtyvyysanturin massan ja elektrodipintojen tarraamista toisiinsa. Tarraamisesta kuitenkin esiintyy elementtien testausvaiheessa, kun massat ajetaan kontaktiin kyhmyrakenteiden kanssa, ja ne tarraavat kyhmyrakenteiden pintoihin. Kyhmyrakenteiden pinnankarheutta on lisättävä tarraamisesta johtuvan saantohukan vähentämiseksi.

Tässä työssä tutkitaan keinoja vaikuttaa alumiinielektrodikerroksen pinnan ominaisuuksiin, sekä tapoja lisätä alumiinikerroksen pinnankarheutta käytössä olevilla tuotantolaitteilla. Lisäksi pinnankarheusmittausmenetelmiä kehitetään, ja näiden menetelmien toimivuutta arvioidaan. Myös vaihtoehtoja nykyiselle prosessille testataan. Lisäksi tutkitaan SiO2 monitorisubstraattien soveltuvuutta tuotantosubstraattien karheuskäyttäytymisen simulointiin.

Alumiinielektrodikerroksen pohjakarheuden Rq-arvo kasvoi 1500 % referenssiin verrattuna kasvattamalla kalvonkasvatuslämpötilaa. Kasvatuslämpötila vaikutti myös merkittävästi alumiinikerroksen morfologiaan. Yli 20 nm korkeita muodostumia syntyi 330 – 400 Celsiusasteen kalvonkasvatuslämpötiloilla. Yli 20 nm korkeiden kumparemuodostumien määrä lisääntyi 50 – 150 % lisäämällä alumiiniohutkalvon kerrospaksuutta, muuntamalla kalvonkasvatuslämpötilaa tai muokkaamalla kemiallisen pesun reseptiä. Yli 20 nm korkeiden kumparemuodostumien määrä laski 60 – 70 % nostamalla kalvonkasvatustehoa tai lyhentämällä lämpökäsittelyn pituutta. Kaksi AFManalyysiin perustuvaa analyysimetodia kehitettiin ja ne soveltuivat hyvin tämän työn vaatimaan pinnankarheustutkimukseen. Alumiinin tyhjiölämpökäsittely ei tuottanut lainkaan kumparemuodostumia. Lisäksi sputterin lämmitysasema todettiin soveltumattomaksi vaihtoehtoiseen prosessiin. SiO2 päällysteisten monitorisubstraattien karheuskäyttäytymisen todettiin olevan epälineaarista, eikä suoraan verrannollista tuotantosubstraattien karheuskäyttäytymisen kanssa.