Xenon difluoride etching of sacrificial layers for fabrication of microelectromechanical devices
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
Department
Major/Subject
Mcode
ELEC3035
Degree programme
Language
en
Pages
8+61
Series
Abstract
Mechanical elements in microelectromechanical system (MEMS) structures require releasing in order to function correctly. Thus sacrificial layers must be etched away. Traditionally the etching of these sacrificial layers has been done with wet etching. However, this typically causes stiction related problems. One way to try to avoid stiction is to replace the use of liquids with dry vapor-based etch technologies. Xenon difluoride (XeF2) is a fluorine-based dry vapor etch that provides isotropic etching for e.g. silicon (Si). The purpose of this thesis is to present the characterization of the XeF2 etch process with various different materials typically used in MEMS. Firstly, the etch rates for the materials are determined. The results show that poly-Si and molybdenum (Mo) are reactive materials, Tungsten (W) is a conditionally reactive material, SiO2 and Si3N4 are low attack materials, Al2O3 and AlN are non-reactive materials. Secondly, the performed under etching tests provide a vertical etch rate of 3.8 - 4.9 µm / min for poly-Si sacrificial layers under photoresist mask and SiO2 hard mask. The achieved etch rates are high enough that successful etching of polysilicon sacrificial layers can be obtained. The final test in this thesis presents results obtained from a simplified self-supporting device structure. A successful release demonstrating the vast potential of XeF2 etching in microfabrication is obtained with a lateral etch rate of ~ 15 µm / min. The vertical and lateral etching tests presented in this thesis, both with the test and device structures, provide important information about the behavior of XeF2 in different etching environments. Based on the results it is possible to determine processes that are compatible with XeF2 etching. Furthermore, the results presented here provide valuable help in determining the suitable etching parameters for the processes. Thus the data collected for this thesis is a useful reference when considering the implementation of XeF2 etching.Mikroelektromekaanisten systeemien (MEMS) mekaaniset komponentit tarvitsevat komponentin valmistusvaiheessa mekaanisten osien vapauttamisen toimiakseen oikein. Vapautus on mahdollista toteuttaa syövyttämällä uhrautuvia kerroksia. Perinteisesti uhrautuvat kerrokset on syövytetty pois märkäsyövytyksen avulla. Märkäsyövytys aiheuttaa kuitenkin yleensä ongelman, jossa vapautetut elementit ja puhdas substraatti pääsevät kosketuksiin toistensa kanssa ja näin ollen tarttuvat toisiinsa. Pintojen tartuttua toisiinsa on niitä mahdotonta enää irrottaa. Hyvä tapa välttää tämä ongelma on vaihtaa märkäsyövytys kaasufaasi-syövytykseen. Ksenondifluoridi (XeF2) on fluoripohjainen kaasufaasi-syövytin, jonka avulla pitäisi pystyä syövyttämään isotrooppisesti esimerkiksi piitä (Si). Tämän diplomityön tarkoituksena on karakterisoida ksenondifluoridi-syövytysprosessi erilaisten syövytystestien avulla. Työn ensimmäisessä vaiheessa määritettiin tyypillisesti MEMS-rakenteissa käytettävien materiaalien syöpymisnopeuksia. Tulokset osoittavat, että poly-Si ja molybdeeni (Mo) ovat XeF2 kaasulle reagoivia materiaaleja, Volframi (W) tietyissä olosuhteissa reagoiva, SiO2 ja Si3N4 reagoivat rajoitetusti, kun taas Al2O3 ja AlN ovat materiaaleja, jotka eivät reagoi XeF2 kaasulle lainkaan. Työn toisessa vaiheessa suoritetut alle-syöpymiskokeet osoittivat, että pystysuora syöpymisnopeus resistin tai oksidimaskin alla oleville uhrautuville poly-Si kerroksille on 3.8 - 4.9 µm / min. Nämä tulokset todistavat, että uhrautuvia poly-Si kerroksia voidaan etsata XeF2 kaasulla onnistuneesti. Työn viimeisessä vaiheessa suoritettiin kattavia syövytyskokeita yksinkertaistetulle itsekantavalle rakenteelle. Edellä mainittu rakenne vapautettiin onnistuneesti ja lateraaliseksi syöpymisnopeudeksi mitattiin ~ 15 µm / min. Nämä tulokset osoittavat XeF2 syövytyksen valtavan potentiaalin. Työssä suoritetuista syöpymisnopeustesteistä, alle-syöpymistesteistä, sekä yksinkertaistetulle itsekantavalle rakenteelle tehdyistä syövytyskokeista saatiin erittäin tärkeää tietoa XeF2 käyttäytymisestä erilaisissa tilanteissa. Tässä työssä esitettyjen tulosten perusteella on mahdollista määrittää ne prosessit, jotka ovat yhteensopivia XeF2 syövytyksen kanssa. Tästä johtuen työhön kerätty data toimii hyödyllisenä vertailuaineistona sovellettaessa XeF2 syövytystä.Description
Supervisor
Savin, HeleThesis advisor
Pensala, TuomasSaarilahti, Jaakko