Optimization of evaporated contact metallizations in microelecrtomechanical systems

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Ask about the availability of the thesis by sending email to the Aalto University Learning Centre oppimiskeskus@aalto.fi
Date
2016-09-13
Department
Major/Subject
Materiaalien prosessointi
Mcode
MT3002
Degree programme
MTE - Materiaalitekniikan koulutusohjelma
Language
en
Pages
79
Series
Abstract
The purpose of this study was to optimize the Ti-Pt-Au contact metallization Murata Electronics Oy is using in some of its accelerometers as outer contact pad structure. Platinum is expensive and its manufacturing is environmentally unfriendly, which encourages optimization of its usage. The goal of this study is to reduce the platinum thickness to gain financial and environmental benefits while retaining or even improving the high reliability and performance of the accelerometer. In the theoretical part, an explanation of the benefits and issues of the currently used metallization are given. The effects of layer modification are also discussed and possible diffusion mechanisms are presented. An extensive study of the thin film evaporation process was conducted to determine contact metallization quality affecting factors. Sustainability of the whole evaporation process was discussed and further elaborated by explaining the environmentally unfriendliness of platinum through its manufacturing process. An extensive study on wire bonding is presented to provide a better understanding for the tests in the experimental part and knowledge about quality affecting factors. In the experimental part, elements with varying contact metallization layer thicknesses were evaporated and annealed. Based on results after annealing, two test metallizations were chosen for subsequent tests. The first test metallization comprises of a 125nm layer of titanium, 125nm layer of platinum and a 125nm gold layer. The second layer comprises of 225nm Ti, 75nm Pt and 125nm Au. These were wire bonded and exposed to different stress and lifetime tests for determining the long term reliability of the new pad structures. The quality of wire bonds were tested with wire pull and ball shear tests. Additionally, visual inspections and resistance measurements were conducted. The test metallizations showed no negative properties compared to the currently used metal stack with 125nm Ti, 225nm Pt and 125nm Au. The test samples had negligible differences in shear force values and slightly better resistance values than the reference. The sample with 225nm titanium, 75nm platinum and 125nm gold was chosen as the best candidate as a new contact metallization. This structure would enable substantial financial savings through reduction in material costs, while still retaining the high reliability. Additionally, this could slightly increase performance due to the lower resistance values.

Tutkielman tavoite oli optimoida Ti-Pt-Au kontaktimetallointi, jota Murata Electronics Oy käyttää osassa kiihtyvyysantureissaan. Platina on kallista ja sen valmistaminen rasittaa ympäristöä, joka motivoi sen käytön optimointiin. Tämän työn tavoite on vähentää platinan kerrospaksuutta taloudellisten ja ympäristöllisten hyötyjen saavuttamiseksi, tinkimättä kiihtyvyysanturin korkeasta luotettavuudesta ja suorituskyvystä. Teoreettisessa osuudessa tämän hetkisen metalloinnin edut ja haittapuolet käydään läpi. Metalloinnin kerrosten muuttamisen vaikutukset on tutkittu ja mahdolliset diffuusiomekanismit on esitetty. Laajamittainen tutkimus ohutkalvon höyrystämisprosessista tehtiin kartoittamaan kontaktimetalloinnin laatuun vaikuttavat tekijät. Koko höyrystysprosessin kestävyyttä on tarkasteltu ja selvennetty yksityiskohtaisemmin käymällä läpi platinan valmistuksen haitat ympäristölle. Lisäksi teoreettiseen osuuteen kuuluu kattava tutkimus lankaliittämisestä, mikä antaa perustelut kokeellisen osuuden kokeille sekä tietoa laatuun vaikuttavista tekijöistä. Kokeellisessa osuudessa elementtejä erinäisin kontaktimetallointien kerrospaksuuksilla höyrystettiin ja hehkutettiin. Hehkutuksen jälkeisten tulosten perusteella, kaksi koemetallointia valittiin seuraaviin kokeisiin. Ensimmäinen koemetallointi koostui 125nm titaanikerroksesta, 125nm platinakerroksesta ja 125nm kultakerroksesta. Toinen koemetallointi koostui 225nm titaanikerroksesta, 75nm platinakerroksesta ja 125nm kultakerroksesta. Nämä lankaliitettiin ja altistettiin erilaisille stressi ja elinikä testeille uuden metalloinnin pitkäkestoisen luotettavuuden määrittämiseksi. Lankaliitosten laatu tutkittiin langanveto- ja pallontyöntökokeilla. Lisäksi, koemateriaalille tehtiin visuaalisia tarkastuksia sekä resistanssimittauksia. Koemetalloinnit eivät osoittaneet huonompia ominaisuuksia nykyiseen metallointiin verrattuna (125nm Ti, 225nm Pt ja 125nm Au). Näytteillä oli merkityksettömän pienet erot leikkausvoimissa ja hieman paremmat resistanssiarvot kuin referenssillä. Näyte, jossa on 225nm Ti, 75nm Pt ja 125nm Au valittiin parhaaksi vaihtoehdoksi uudelle kontaktimetalloinnille. Tämä rakenne mahdollistaisi huomattavat taloudelliset säästöt pienentyneiden materiaalikustannusten takia, säilyttäen korkean luotettavuuden. Lisäksi, rakenne voisi hieman parantaa suorituskykyä pienempien resistanssiarvojen ansiosta.
Description
Supervisor
Koskinen, Jari
Thesis advisor
Halonen, Elina
Keywords
thin film, diffusion, evaporation, MEMS, accelerometer, wire bonding
Other note
Citation