Elemental analysis of anodically bonded borosilicate glass in MEMS
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Chemical Engineering |
Master's thesis
Authors
Date
Department
Major/Subject
Mcode
Language
en
Pages
86
Series
Abstract
The trend towards smaller dimensions and increasing complexity in MEMS components presents significant challenges for their characterisation. These challenges are particularly pronounced when studying the effects of wafer bonding techniques, such as anodic bonding, on patterned MEMS structures, where analysis areas are inherently limited. In anodic bonding, ions migrate under an applied electric field, typically within an alkali-containing glass matrix. The sensitivity of glass to ion beam damage and the mobility of ions under energetic particle bombardment further complicate the characterisation of silicon-glass bonds. This thesis evaluated the suitability of available characterisation techniques for studying bonding-induced ion migration in Si-glass bonds. Techniques examined include energy-dispersive spectroscopy (EDS) in scanning electron microscope (SEM), dynamic secondary ion mass spectrometry (SIMS), and time-of-flight SIMS (ToF-SIMS). Alternative methods were also discussed, and their challenges and suitability for this study assessed. Two test samples were analysed at two locations to evaluate the performance of the techniques. The results highlighted challenges in characterising ion migration and assessed the reliability of findings through comparison with previous studies of anodic bonding in Si-glass systems. Among the techniques considered, ToF-SIMS demonstrated the highest sensitivity, the lowest measurement error, and the ability to detect alkali ions at low concentrations. This thesis emphasised the need for developing more suitable techniques to analyse low ion concentrations in small glass areas (less than 100 μm), as encountered in patterned MEMS components with Si-glass anodic bonds.MEMS-komponenttien jatkuva kehitys kohti pienempiä mittasuhteita ja monimutkaisempia rakenteita tuo haasteita niiden karakterisoinnille. Haasteet korostuvat erityisesti, kun tutkitaan kiekkojen liitosmenetelmien, kuten anodisen bondauksen, vaikutusta kuvioituihin MEMS-komponentteihin, joissa analysoitavat alueet ovat rajallisia. Anodisessa bondauksessa ionit kulkeutuvat sähkökentän vaikutuksesta, tyypillisesti alkali-ioneja sisältävässä lasimatriisissa. Sekä lasin herkkyys ionisuihkun aiheuttamalle vaurioitumiselle että ionien liikkuminen suurienergisen ionipommituksen aikana tekevät pii-lasi-liitoksen tutkimisesta entistä monimutkaisempaa. Tässä työssä arvioitiin saatavilla olevien karakterisointimenetelmien soveltuvuutta anodisen bondauksen aiheuttaman ionien kulkeutumisen tutkimiseen pii-lasi-liitännässä. Tutkittuihin menetelmiin kuuluivat energiadispersiivinen spektroskopia (EDS) pyyhkäisyelektronimikroskoopissa (SEM), dynaaminen sekundäärinen ionimassaspektrometria (SIMS) sekä lentoaikaerotteinen SIMS (ToF-SIMS). Lisäksi esiteltiin vaihtoehtoisia menetelmiä sekä arvioitiin niiden haasteita ja soveltuvuutta tutkimuksen tarpeisiin. Menetelmien suorituskykyä arvioitiin tutkimalla kahta testinäytettä kahdesta eri kohdasta. Tulokset korostivat ionien kulkeutumisen karakterisoinnin haasteita ja arvioivat mittaustulosten luotettavuutta vertaamalla niitä aiempiin tutkimuksiin anodisesta bondauksesta pii-lasi-systeemeissä. Tutkituista menetelmistä ToF-SIMS osoitti korkeimman herkkyyden, pienimmän mittausvirheen sekä kyvyn havaita alkali-ioneja alhaisissa konsentraatioissa. Työ korostaa tarvetta kehittää entistä sopivampia menetelmiä, jotta voidaan tutkia alhaisia ionikonsentraatioita pieniltä lasialueilta (alle 100 μm), kuten kuvioiduissa MEMS-komponenteissa, joissa on anodisesti bondattu pii-lasi-sidos.Description
Supervisor
Franssila, SamiThesis advisor
Torri, AnniKivijärvi, Antti