Optimization of infrared alignment on Cavity-Silicon-on-Insulator wafers
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science |
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
2024-12-18
Department
Major/Subject
Materials Physics and Quantum Technology
Mcode
Degree programme
Master's Programme in Engineering Physics
Language
en
Pages
58
Series
Abstract
This thesis investigates the accuracy of infrared overlay (OVL) using a 1x step-and-repeat exposure system on two challenging wafer configurations. Infrared light can be used to take images through a silicon wafer, enabling the alignment with respect to patterns on the other side of the wafer, or buried into the wafer. The alignment process is crucial for fabricating complex 3D structures common for microelectromechanical systems (MEMS). The smallest structure sizes in MEMS production are typically 2 𝜇m, and an alignment accuracy of 1 𝜇m is generally suitable. This thesis investigates the impact of various parameters on OVL accuracy through two experiments. In the first experiment, labelled as A, alignment marks were patterned on the backside of a 500 𝜇m thick handle wafer. The studied parameters in this experiment included etching depth, pattern shape, and pattern recognition parameters (fine granularity limit and elasticity). In the second experiment, labelled as B, the patterns were produced on a 100 nm thick buried oxide layer. In this experiment the studied parameters were pattern shape, pattern recognition parameters, and camera illumination settings (brightness, contrast, and illumination). The experiments were divided in two steps: screening to identify optimal settings and validation to test repeatability using the settings identified in the screening step. Parameter combinations achieving overlay accuracy below 0.3 𝜇m was identified for both wafer configurations. The largest contributors on the overlay accuracy in experiment A was identified to be alignment mark shape and etching depth, and camera brightness and elasticity in experiment B.Tässä diplomityössä tutkittiin kahden erilaisen piikiekkorakenteen infrapunakohdistuksen tarkkuutta. Kohdistus on oleellinen vaihe mikroelektromekaanisten systeemien (MEMS) valmistuksessa, missä päällekkäiset rakenteet ovat yleisiä. Kohdistukseen käytetään erityisiä kohdistusmerkkejä, jotka tässä työssä syövytettiin haudattuun oksidiin ja piikiekokiekon taustapintaan. Kohdistus tehtiin piin läpi infrapunavalolla, jolle pii on läpinäkyvä. Pienimpien rakenteiden viivanleveys MEMS valmistuksessa on tyypillisesti 2 𝜇m, ja 1 𝜇m kohdistustarkkuus on yleensä riittävä. Tässä työssä tehtiin kaksi koesarjaa. Ensimmäisessä koesarjassa kohdistusmerkit syövytettiin 500 𝜇m paksun alustakiekon taustapinnalle, ja kohdistus tehtiin piikiekon läpi. Tutkimusparametreina olivat kohdistusmerkin muoto, syövytyssyvyys, sekä kuviontunnistusohjelmiston parametrit hienojakoisuuden suurin arvo (fine granularity limit) ja elastisuus (elasticity). Toisessa koesarjassa puolestaan kuviot syövytettiin 100 nm paksuun haudattuun oksidikerrokseen, ja kohdistus tehtiin oksidin päällä olevan 5 𝜇m paksun piikerroksen läpi. Tässä kokeessa tutkimusparametreina olivat kohdistusmerkin muoto, kuviontunnistusohjelmiston parametrit, sekä kameran valaistusparametrit (kirkkaus, kontrasti ja valaistus). Kokeet koostuivat kahdesta vaiheesta. Ensimmäisessä vaiheessa tutkittiin kaikkien parametrien vaikutusta kohdistustarkkuuteen ja tulosten pohjalta valittiin optimaalisimmat parametrit kokeiden seuraavaan vaiheeseen. Toisen vaiheen tavoite oli varmistaa kohdistustarkkuuden toistettavuus parhailla parametriyhdistelmillä. Molemmissa koesarjoissa löydettiin parametriyhdistelmä, jolla saavutettiin alle 0.3 𝜇m kohdistustarkkuus. Kohdistusmerkin muodolla oli molemmissa koesarjoissa suurin vaikutus kohdistustarkkuuteen kaikista parametreista. Lisäksi syövytyssyvyydellä oli suuri merkitys taustapintakohdistuksen tarkkuuteen. Kokeessa, jossa kohdistettiin oksidikerroksen kuvioihin, myös kirkkaudella ja elastisuudella oli suuri merkitys kohdistustarkkuuteen.Description
Supervisor
Sand, AndreaThesis advisor
Tamminen, AnttiHolmberg, Heikki
Keywords
microfabrication, silicon wafer, lithography, infrared alignment, pattern recognition, microelectromechanical system