Prediction of deep reactive ion etch profile variations in MEMS devices

Thumbnail Image

Files

master_Harju_Joona_2025.pdf (10.19 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Electrical Engineering | 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

2025-11-21

Department

Major/Subject

Electronic and Digital Systems

Mcode

Degree programme

Master's Programme in Automation and Electrical Engineering
Automaation ja sähkötekniikan maisteriohjelma
Magisterprogrammet i automation och elektroteknik

Language

en

Pages

57

Series

Abstract

As MEMS performance increasingly depends on precise structural accuracy, deviations in etched profiles such as sidewall non-uniformity pose critical challenges to device reliability and yield. Traditional process development relies on iterative fabrication and testing, which is costly and time-consuming. This thesis developed a fast data-driven model for predicting deep reactive ion etch (DRIE) profile variations in microelectromechanical systems (MEMS) by incorporating geometric context and wafer-scale effects. The model integrates cross-sectional measurements of fabricated MEMS devices with open-area metrics that describe the geometric context at local and medium ranges. These metrics characterise the etched area for discretised points on the profile, while the wafer-scale effects are captured using measurements from three wafer locations, edge, middle, and centre. The measurements and open-area metrics form predictive surface models describing DRIE-induced profile deviations. The surface models are implemented as a deformation function that modifies a 3D mesh of MEMS element, efficiently representing sidewall deviations. The deformed mesh is used in a modal analysis simulation to assess the impact on device performance. The simulations with combined and independent open area metrics show differences in profile shape and width between the etch profiles for all three locations, resulting in natural frequency shifts in the modal analysis. A corrective design experiment was performed to compensate for the profile deviations resulting in natural frequencies aligning closer to the ideal. The developed model enables fast and effective prediction and assessment of DRIE outcomes and their effects on MEMS device performance, supporting more efficient MEMS design optimisation.

MEMS-laitteiden suorituskyky riippuu yhä enemmän rakenteellisesta tarkkuudesta, joten sen poikkeamat, kuten sivuseinien epätasainen etsaus, muodostavat merkittäviä haasteita laitteiden luotettavuudelle ja tuotolle. Perinteinen prosessikehitys perustuu toistuvaan valmistukseen ja testaukseen, mikä on kallista ja aikaa vievää. Tässä diplomityössä kehitettiin nopea tietopohjainen malli syvä reaktiivisen ionietsauksen (DRIE) profiilivaihteluiden ennustamiseksi mikroelektromekaanisissa järjestelmissä (MEMS) ottamalla huomioon geometrinen konteksti ja piikiekko-tason vaikutukset. Malli integroi valmistettujen MEMS-laitteiden poikkileikkausmittaukset avoimen alueen mittareihin, jotka kuvaavat geometrista kontekstia paikallisesti ja keskipitkällä tasolla. Nämä mittarit kuvaavat etsatun pinta-alan etsaus profiilille, kun taas piikiekkotason vaikutukset mitataan kolmesta kohdasta piikoekkoa: reunasta, keskeltä, ja niiden välistä. Mittaukset ja avoimen pinta-alan mittarit muodostavat ennustavia pintamalleja, jotka kuvaavat DRIE:n aiheuttamia profiilin poikkeamia. Pintamallit ovat toteutettu deformaatiofunktiona, joka muokkaa MEMS-elementistä mallinnettua 3D-verkkoa ja kuvaa tehokkaasti sivuseinien poikkeamia. Muodostunutta verkkoa käytetään moodianalyysimulaatiossa laitteen suorituskykyyn kohdistuvien vaikutusten arvioimiseksi. Yhdistetyllä ja itsenäisillä pinta-ala mittareilla tehdyt simulaatiot osoittavat eroja profiilin muodossa ja leveydessä kaikkien kolmen piikiekko-kohdan etsausprofiilien välillä, johtaen MEMS-elementin luonnollisien taajuuksien muutoksiin moodianalyysissä. Korjaava suunnittelukoe suoritettiin profiilin poikkeamien kompensoimiseksi, johtaen luonnollisten taajuuksien lähentymistä ihanteelliseen. Kehitetty malli mahdollistaa nopean ja tehokkaan ennustamisen ja arvioinnin DRIE:n lopputuloksille ja niiden vaikutukselle MEMS-laitteen suorituskyvylle, tukien tehokkaampaa MEMS suunnittelua ja optimointia.

Description

Supervisor

Tiwary, Nikhilendu

Thesis advisor

Haukilahti, Tony

Keywords

MEMS, Deep Reactive Ion Etching (DRIE), profile prediction, data-driven modelling, wafer variation, mesh deformation

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202512159233

Collections

[dipl] Sähkötekniikan korkeakoulu / ELEC