The impact of various chemical-mechanical processing of MEMS substrate on metal pad quality

Thumbnail Image

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Kemian tekniikan korkeakoulu | Master's thesis

Authors

Date

2022-10-18

Department

Major/Subject

Chemical and Process Engineering

Mcode

CHEM3043

Degree programme

Master's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering

Language

en

Pages

77+3

Series

Abstract

This paper discusses the promotion of Ohmic contact and MEMS pad metallization quality by various typical mechanical and chemical surface modification processes. These methods include mostly grinding and CMP-polishing. All the test samples were also etched in HF/HCl solution afterwards. For example, different grinding wheels and polishing slurry compositions were introduced. Main goal of the study was to study grinding-induced subsurface damage effect on the electrical performance for MEMS gyroscope sensor elements. Secondary goal was to produce improved planarity on the glass areas of the glass-silicon composite sample surfaces. Reason for this was to study if processing affects the adhesion in later pad metallization process. The main outputs of the study were electrical performance on the metal-semiconductor interfaces and surface roughness of the processed samples. The electrical performance was studied by comparing the distribution of the series resistance values. Comparison was done between the test wafers and reference wafer processed at MFI. In addition, average series resistance values were measured. Promising processing suggestions were found as some of the processed test samples showed decrease in average RS values. Surface roughness was examined separately for silicon and glass areas of the surface of the MEMS sensor element. Arithmetic mean roughness and maximum peak-to-valley roughness were measured by confocal microscope across the wafer. Wafer surfaces were also examined by optical and SEM microscopy to observe the topography and structure. Improved values as low as 0.02 µm for mean surface roughness of glass were observed by certain processing. Low surface roughness areas were distributed more on the wafer edges.

Tässä työssä tutkittiin erilaisten mekaaniskemiallisten MEMS-anturien valmistusprosessien vaikutusta näytteiden sähköisiin ominaisuuksiin. Tavoitteena oli luoda olosuhteet ohmisten kontaktien muodostumiselle metalli-puolijohde rajapinnalle. Työssä pääasiassa optimoidut prosessit näytteiden hionta ja CMP-kiillotus toteutettiin erilaisin hiontalaikkojen ja kiillotusaineiden avulla. Kaikki kiekot myös syövytettiin HF/HCl liuoksessa. Päähypoteesi oli, että pii-lasi- komposiittikiekkojen hiontaprosessin aiheuttama hiontavaurio vaikuttaa MEMS anturin sähköisiin ominaisuuksiin. Tavoitteena oli myös tasaisempien lasipintojen luominen erilaisilla prosessoinneilla, jotta pinnankarheuden vaikutusta adheesioon myöhemmässä kontaktimetallointivaiheessa voitiin tutkia. Työn päävasteina toimivat eri tavalla prosessoitujen näytteiden sähköiset ominaisuudet metalli-puolijohde rajapinnalla sekä toisaalta lasi-pii- kiekkojen pinnankarheudet. Sähköistä suorituskykyä tutkittiin anturielementtien sarjavastusjakaumia kiekkokohtaisesti. Mitattuja sarjavastusjakamia vertailtiin työssä optimoitujen prosessien sekä MFI:llä prosessoidun referenssinäytteen välillä. Myös näytekohtaiset keskimääräiset sarjavastusarvot mitattiin. Lupaavia prosessiehdotuksia tulevaisuuteen muodostui, sillä osa näytteistä saavutti alhaisempia vastusarvoja kuin referenssinäyte. Pinnankarheutta tutkittiin erikseen kiekkojen pii- ja lasipinnoilla. Keskimääräinen pinnankarheus sekä suurin topografinen pinnankarheus mitattiin läpi kiekon kaikilta näytteiltä konfokaalimikroskoopilla. Näytekiekkojen pintojen topografiaa ja rakennetta tutkittiin myös optisen sekä SEM mikroskopian avulla. Referenssikiekkoa alhaisempia lasin pinnakarheusarvoja saavutettiin tietyillä prosessoinneilla.

Description

Supervisor

Franssila, Sami

Thesis advisor

Oksanen, Jussi

Keywords

ohmic contact, subsurface damage, grinding, metal-semiconductor interface, surface roughness, MEMS technology

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202210236135

Collections

[dipl] Kemian tekniikan korkeakoulu / CHEM