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.