Engineering the properties and stability of PECVD silicon dioxide thin films for MEMS

Thumbnail Image

Files

master_Haapanen_Maisa_2025.pdf (7.48 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Chemical 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

2025-09-17

Department

Major/Subject

Functional Materials

Mcode

Degree programme

Master's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering

Language

en

Pages

116

Series

Abstract

Silicon dioxide (SiO2) thin films are extensively used in microelectromechanical systems (MEMS), both for structural purposes in the devices and as temporary layers during fabrication. The desired properties of the SiO2 thin film strongly depend on the purpose. This thesis was conducted for Murata Electronics Oy, and it sought for strategies to tailor the properties of silane- (SiH4) and tetraethyl orthosilicate- (TEOS) based plasma-enhanced chemical vapour deposited (PECVD) SiO2 thin films with PECVD process parameters and post-deposition treatments. Multivariate designs-of-experiment (DOE), constructed with statistical strategies, revealed the main parameters for tailoring the etch rate, residual stress, refractive index, surface roughness, thickness uniformity, and deposition rate. The results act as guidelines for designing SiO2 thin films for MEMS products and fabrication flows, and developing the PECVD process output to match the design. Comparison between SiH4- and TEOS-based films showed that slightly lower wet etch rates, minimum 2.1 times the etch rate of thermal oxide, were obtained with TEOS-based films, while minimum etch rates of SiH4-based films were 3.1 times the etch rate of thermal oxide. This indicates suitability of TEOS for structural parts in MEMS. As expected from previous literature, TEOS-based films showed approximately one order of magnitude lower surface roughnesses, Rq as low as 0.4 nm, than SiH4-based films. This favours TEOS for applications requiring smoothness, such as wafer level bonding, whereas SiH4-based films may be a better choice for structural parts in proximity to moving components, to prevent sticking. TEOS-based films showed linear correlations between the refractive index, wet etch rate, and residual stress of the films, making it possible to use refractive index as a fast monitor for film density. Changes in residual stresses over time showed that the stability in ambient clean-room conditions varied between the films. Thermal annealing at 1000 °C and a plasma treatment of TEOS-based films improved the stability of the films.

Piidioksidiohutkalvoja (SiO2) käytetään laajasti mikroelektromekaanisissa systeemeissä (MEMS) sekä rakenteellisiin tarkoituksiin että tilapäisiin kerroksiin valmistuksen aikana. SiO2-ohutkalvojen halutut ominaisuudet riippuvat merkittävästi niiden käyttötarkoituksesta. Tämä diplomityö tehtiin Murata Electronics Oy:lle, ja sen tarkoitus oli etsiä strategioita silaani- (SiH4) sekä tetraetyyliortosilikaatti- (TEOS) pohjaisten plasmatehostetulla kemiallisella kaasufaasipinnoituksella (PECVD, engl. plasma-enhanced chemical vapour deposition) kasvatettujen SiO2-ohutkalvojen ominaisuuksien säätämiseen PECVD-prosessiparametreillä sekä kasvatuksen jälkeisillä käsittelyillä. Tilastollisin menetelmin laaditut monimuuttujaiset koesuunnitelmat (DOE, engl. design-of-experiment) paljastivat tärkeimmät parametrit etsausnopeuden, kalvojännityksen, taitekertoimen, pinnankarheuden, kiekonsisäisen paksuuden tasaisuuden sekä kasvatusnopeuden säätämiseen. Tulokset antavat suuntaviivoja SiO2-ohutkalvojen suunnitteluun MEMS-tuotteisiin ja -valmistukseen sekä PECVD-prosessin kehittämiseen haluttuun ulostuloon. SiH4- ja TEOS-pohjaisten kalvojen vertailu osoitti, että TEOS-pohjaisilla kalvoilla saavutettiin 2,1-kertainen termisen oksidin etsausnopeus, mikä oli hieman alhaisempi kuin SiH4-pohjaisilla kalvoilla saavutettu 3,1-kertainen termisen oksidin etsausnopeus. Tämän vuoksi TEOS vaikuttaa sopivammalta rakenteellisiin MEMS-osiin. Aiempaa kirjallisuutta mukaillen TEOS-pohjaisilla kalvoilla saavutettiin noin kymmenen kertaa pienempi pinnankarheus, Rq alhaisimmillaan 0,4 nm, kuin SiH4-pohjaisilla kalvoilla. TEOS vaikuttaa paremmalta vaihtoehdolta sileyttä vaativiin käyttökohteisiin, kuten kiekkojen bondaukseen, kun taas SiH4-pohjaisten kalvojen karheus voisi estää liikkuvien rakenteellisten osien tarttumista ympäröiviin osiin. TEOS-pohjaisten kalvojen taitekertoimien, märkäetsausnopeuksien ja kalvojännitysten havaittiin korreloivan lineaarisesti keskenään, mikä mahdollistaa taitekertoimen mittauksen nopeana monitorina kalvon tiheyden seuraamiseen. Lisäksi kalvojännitysten muutoksista ajan yli havaittiin kalvojen stabiiliuden vaihtelevan puhdastilaolosuhteissa. Lämpökäsittely 1000 °C:ssa sekä TEOS-pohjaisten kalvojen plasmakäsittely paransi kalvojen stabiiliutta.

Description

Supervisor

Franssila, Sami

Thesis advisor

Svensk, Olli

Keywords

silicon dioxide, thin films, PECVD, MEMS, silane, TEOS

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202510228537

Collections

[dipl] Kemian tekniikan korkeakoulu / CHEM