KOH anisotropic silicon etching for MEMS accelerometer fabrication

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Chemical Technology | Doctoral thesis (monograph) | Defence date: 2014-06-06
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Date
2014
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
157
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 65/2014
Abstract
This dissertation is intended as a guidebook for processing crystalline silicon by anisotropic potassium hydroxide (KOH) wet etching. In low cost bulk micromachining of silicon for MEMS (Micro Electro Mechanical Systems), anisotropic wet etching of single crystalline silicon in aqueous KOH solutions is a technically important process. Anisotropic etching of silicon is used to create mechanical microstructures in silicon. Differences in etch rates between the different crystal planes are utilized in the process. The present dissertation explores six different aspects of silicon anisotropic etching using an accelerometer as a test device. The first part of the thesis concentrates on liquid phase phenomena, and the latter part with the interactions of the silicon crystal with the etching process. It is shown that etch rates and anisotropy are extremely sensitive to the process conditions and equipment, for example rotational flow in the etch bath is shown to be superior to laminar flow. It is also shown that the etch rate and the resulting surface quality are sensitive to very small changes in Pb concentrations in the range of 200 to 300 ppb. The effects of wafer oxygen levels have been studied from etching point of view and were found to have a marked effect especially on etching the (111) crystal plane. A novel method for eliminating the effects of grinding damage on etching has been introduced. Ultra Poligrind wafers were used as substrate material for MEMS accelerometer structures. These wafers eliminate the need for double side polished wafers and are expected to reduce the cost of starting material considerably. Taken together, the thesis provides an extensive set of guidelines for silicon anisotropic KOH etching. By careful optimization of both the etchant composition and equipment, and matching the design to wafer specifications, it is shown that a very high degree of control can be achieved by KOH wet etching. These guidelines will be useful for further MEMS and NEMS (Nano Electro Mechanical Systems) development in cases where critical structures are defined by KOH etching.

Tämä työ on tarkoitettu kaiken kattavaksi oppaaksi kiteisen piin anisotrooppiseen syövyttämiseen kaliumhydroksidilla eli KOH:lla. Piikiekkojen anisotrooppinen KOH-syövytys on edelleen teknisesti tärkeä prosessi, jolla valmistetaan halpoja mikroelektromekaanisia antureita ja systeemejä, joiden lyhenne on MEMS. Anisotrooppisella KOH-syövytyksellä valmistetaan MEMS-antureiden/-systeemien mekaaniset ja fysikaaliset rakenteet käyttämällä hyväksi piikiekon kidetasojen 100 ja 111 syöpymisnopeuseroja. Myös muiden kidetasojen syöpymisnopeuseroja voidaan hyödyntää. Tässä työssä esitellään kuusi eri ilmiötä, jotka vaikuttavat piin anisotrooppiseen syöpymiseen KOH-vesiliuoksessa.Kahdessa ensimmäisessä osoitetaan, että syöpymisnopeudet ja anisotropiat ovat erityisen herkkiä syövytysprosessin olosuhteille sekä laitekonfiguraatiolle. Esimerkiksi KOH-vesiliuoksen virtauksessa pyörteinen virtaus on parempi kuin laminaarinen virtaus. Kolmannessa ilmiössä osoitetaan, että piin syöpymisnopeus on erittäin herkkä hyvin pienille lyijypitoisuuksien vaihteluille KOH-vesiliuoksessa. Lyjypitoisuuden muutos 200 ppb:sta 300 ppb:aan pienentää kidetasojen 100 ja 110 syöpymisnopeutta yli 7%. Neljännessä ilmiössä tutkitaan anisotropian ja syövytystuloksen vaihtelua piikiekon sisältämän hapen funktiona. Tulokset osoittavat, että kidetason 111 syöpymisnopeus on erityisen herkkä piikiekon happitasolle, ja siksi myös syövytystulos ja anisotropia ovat erityisen herkkiä. Kahdessa viimeisessä ilmiössä tutkitaan hienohiottuja piikiekkoja. Näistä ensimmäisessä esitellään uusi menetelmä hiontavaurioiden poistamiseksi ja osoitetaan, että hienohiotun ja vauriopoistosyövytetyn piikiekon KOH-syövytystulos on vastaava tai parempi kuin kiillotetun piikiekon syövytystulos. Jälkimmäisessä esitellään molemmin puolin Ultra Poligrind- hiotuista piikiekoista prossesoidut MEMS-kiihtyvyysanturin seismiset massat ja jouset. Tulokset osoittavat, että kiillotettujen kiekkojen asemesta Ultra Poligrind- hiottuja kiekkoja voidaan käyttää lähtömateriaalina vaativille MEMS-rakenteille ja että nämä kiekot voidaan anodisesti bondata eli liittää ilmatiiviiksi. Kaikki tässä työssä esitellyt ilmiöt ja tutkimustulokset yhdessä antavat suuntaviivat mahdollisimman tasalaatuiselle piin anisotrooppiselle KOH-syövytysprosessille. Vain ottamalla huomioon kaikki syövytystulokseen vaikuttavat tekijät on mahdollista minimoida syövyttämällä tehtyjen MEMS-rakenteiden vaihtelu ja prosessoida nanoelektromekaanisia antureita/systeemejä (NEMS).
Description
Supervising professor
Franssila, Sami, Prof., Aalto University, Department of Materials Science and Engineering, Finland
Thesis advisor
Franssila, Sami, Prof., Aalto University, Department of Materials Science and Engineering, Finland
Keywords
potassium hydroxide, silicon, anisotropic etching, accelerometer, kaliumhydroksidi, pii, anisotrooppinen märkäsyövytys, MEMS, kiihtyvyysanturi
Other note
Citation