Optimization of anodic bonding process parameters

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Helsinki University of Technology | Diplomityö
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Date
2009
Major/Subject
Metalli- ja materiaalioppi
Mcode
Mak-45
Degree programme
Language
fi
Pages
ix + 87 s. + liitt. 4
Series
Abstract
Present study discusses one of the key processes in silicon micro machine fabrication; anodic bonding of silicon and glass. The purpose of the thesis is determining the effects of bonding parameters in three outputs: 1) bonding strength, 2) quality of the bond and 3) changes in sensor's electrical properties. Results benefit the company in cost-savings, for example from shorter throughput times. The process parameters affecting the quality of silicon-glass anodic bonding are temperature, voltage, pressure, time and atmosphere. In this thesis I studied the effects of following parameters: temperature, voltage, compression and time. In order to get maximum amount of information with minimum number of test wafers, I used a statistical design of experiment software, Minitab. Most of the results and discussion of results are expressed using this program. In the theory part, the theories behind anodic bonding are discussed, different process parameters are examined and, in addition, optional process methods are proposed. Theory part also contains a brief introduction to other wafer bonding techniques. Methods for obtaining information on bond strength and quality are explained. In experimental part of this study, surface roughnesses are measured in order to evaluate the bond ability of wafers. Bond strength of test wafers were measured with tensile tests and effects of process parameters were determined from that. Statistically significant conclusions using results from tensile test could not be made. This was due to the fact that the standard deviations within tests were too large. Quality of anodic bonding was measured using scanning acoustic microscope (SAM). Positive and statistically significant changes in this output were caused by two process parameters: temperature and voltage. In the last output, electrical properties of sensors, temperature was found statistically important. When considering the optimal set of parameters, this study proposes the usage of the present values of temperature and voltage but introduce shorter bonding time. Shorter time is beneficial because: 1) practically no change in bond quality or bond strength was found and 2) the use of shorter bonding time could mean substantial abbreviation of anodic bonding lead-time, somewhat 11 per cent shorter lead-times are possible to achieve.

Työssä tutkittiin mikrosysteemien valmistuksessa olennaisena osana olevaa prosessivaihetta eli anodista bondausta. Työn tarkoituksena oli selvittää anodisen bondauksen prosessiparametrien vaikutukset liittämislaatuun, liittämislujuuteen sekä anturin sähköisiin ominaisuuksiin. Työn tavoitteena oli löytää kombinaatio parametreista, joka optimoisi tutkitut vastemuuttujat ja lisäksi toisi merkittäviä etuja yritykselle, esimerkiksi prosessiajan lyhenemisen kautta. Pii-ja lasikiekkojen anodisessa bondauksessa käytettyjä prosessiparametreja ovat lämpötila, liittämisjännite, puristus, liittämisaika sekä liittämisatmosfääri. Työssä tutkitut parametrit olivat lämpötila, jännite, puristus sekä aika. Työssä käytettiin tilastollista koesuunnittelua, jolloin saatiin enemmän tietoa valituista parametreista pienemmällä määrällä testieriä. Pääosa tulosten tarkastelusta esitettiin tilastollisen koesuunnitteluohjelman avulla. Työn teoriaosassa tutkittiin anodisen bondauksen teoriaa, esitettiin eri prosessiparametrit, mainittiin mahdollisia vaihtoehtoisia prosessointitapoja sekä kerrottiin anodisessa bondauksessa käytetyistä rakenteista. Teoriaosassa tehtiin myös lyhyt katsaus muihin liittämistekniikoihin, joita käytetään mikrosysteemien valmistuksessa. Lisäksi teoriaosuudessa kerrottiin liittämislaadun ja -lujuuden määrittämiseen käytetyistä menetelmistä sekä laitteista. Liitosten laadun ja lujuuden tutkimisessa käytetyt laitteistot voidaan jakaa näytteen rikkoviin ja näytettä rikkomattomiin laitteisiin. Kokeellisessa osassa mitattiin kiekkojen pinnankarheudet liittämisen onnistumisen arvioimiseksi. Anodisen bondauksen prosessiparametrien vaikutukset liittämislujuuteen selvitettiin vetotestien avulla. Vetolujuuksien hajonnat olivat suuria, jonka takia vetolujuuden arvoista ei voitu johtaa tilastollisesti merkittäviä johtopäätöksiä. Liittämislaatua tutkittiin akustisen mikroskoopin (SAM) avulla. Liittämislaatuun vaikuttivat positiivisesti ja tilastollisesti merkittävästi lämpötila sekä liittämisjännite. Anturin sähköisiin ominaisuuksiin vaikutti tilastollisesti merkittävästi vain lämpötila. Nykyisillä liittämisjännitteen sekä lämpötilan arvoilla, jotka ovat 475 °C ja 50 volttia, saavutettiin parhaat tulokset tutkimuksen kohteina olleisiin vastemuuttujiin. Liittämisajan lyhentämistä suositellaan optimaalisen parametrikombinaation valinnassa, sillä lyhyemmillä liitosajoilla saavutettiin käytännössä samat liittämislaadun sekä -lujuuden arvot. Lyhentämällä liitosaikaa voidaan saavuttaa jopa 11 %:a lyhyempi anodisen bondauksen prosessivaiheen läpimenoaika.
Description
Supervisor
Hannula, Simo-Pekka
Thesis advisor
Haimi, Eero
Pohjanen, Joose
Keywords
silicon wafer, anodinen bondaus, anodic bonding, pii
Other note
Citation