Anturielementtikiekon keskityksen monitorointimenetelmä PERIE-laitteistossa

Abstract

Insinöörityö tehtiin Murata Electronics Oy:lle, joka valmistaa piipohjaisia mikromekaanisia antureita (MEMS). Anturissa oleva elementti valmistetaan piikiekolle, jolle mahtuu tuhansia elementtejä. Työn tavoitteena oli luoda monitorointimenetelmä anturielementtikiekon keskityksen seurantaan PERIE (Plasma Enhanced Reactive Ion Etch) -laitteistossa. Laitteistoa käytetään ohutkalvojen syövyttämiseen piikiekoilta plasman avulla.

Työssä luotiin prosessoitava monitorointikiekko ja etsausohjelma PERIE:lle sekä luotettava mittausmenetelmä ja tulosten esittämisjärjestelmä kiekon keskityksen havainnollistamiseksi. Kiekon keskitystä hallinnoidaan PERIE:n robottikäsivarren avulla, jonka liikkeitä on mahdollista muuttaa kahdessa suunnassa: rotate (x-suunta) ja extend (y-suunta). Monitorointimenetelmässä valmis monitorointikiekko, johon on kasvatettu tarvittavat ohutkalvot, etsataan PERIE:llä erityisellä, menetelmää varten luodulla ohjelmalla, jolloin tulokseksi saadaan kiekon reunaa kiertävä reunajäämä. Jäämän korostamiseksi kiekko etsataan vielä puskuroidulla fluorivedyllä, minkä jälkeen selvästi erottuvan reunajäämän leveyttä mitataan kiekon reunalta neljästä pisteestä mikroskoopin ja siihen liitetyn näyttötyökalun avulla. Reunajäämän leveys mitataan kiekon suorareunalta, vasemmalta reunalta, suorareunan vastakkaiselta reunalta ja oikealta reunalta. Jos kiekko on ollut keskellä etsausalustaa, on näkyvän reunajäämän leveys kaikissa mittapisteissä sama. Kiekon keskitys on näin ollen mahdollista selvittää reunajäämien leveyksien perusteella vähentämällä vastakkaisten mittapisteiden reunajäämien leveydet toisistaan. Muodostuneet luvut, joista toinen edustaa keskitystä x-suunnassa (vasen ja oikea reuna) ja toinen y-suunnassa (suorareuna ja sen vastakkainen reuna) asetetaan x-y-koordinaatistoon. Keskitystulokseksi saadaan näin ollen yksi piste koordinaatistossa. Mitä kauempana piste on origosta, sitä kauempana kiekon keskitys on toivotusta tilasta. Kun keskitys tiedetään, on kiekkoa hallinnoivan käsivarren liikeasetuksia mahdollista muuttaa toivottuun suuntaan ja hallitusti, koska keskityksen voi aina tarkistaa menetelmän avulla mahdollisten muutosten jälkeen.

Työ rajattiin kattamaan vain menetelmän kehittäminen eikä sen käyttöönottoa otettu mukaan. Työn teoriaosuus käsittelee anturielementtivalmistuksen alkuvaiheiden prosesseja eli ohutkalvojen kasvatusta, ohutkalvojen kuviointia litografisin menetelmin ja ohutkalvojen ja piin syövytystä. Teoriaosuudessa käsitellään myös laatua ja tilastollista prosessin valvontaa.

This thesis was commissioned by Murata Electronics Oy a company that manufactures silicon-based micro electro mechanical systems (MEMS). The sensing elements in MEMS sensors are constructed on silicon wafers that fit thousands of elements. The purpose of this thesis was to create a monitoring method for wafer centering in PERIE (Plasma Enhanced Reactive Ion Etch) plasma etcher. PERIE is used for etching thin films on silicon wafers using plasma.

The monitoring method was created by determining the right monitoring wafer and etching program for PERIE and creating a reliable method for measuring and demonstrating the wafer centering. The wafer centering in PERIE is controlled by PERIE’s automatic robot arm and the movements of the arm can be changed in two dimensions: rotate (x-dimension) and extend (y-dimension). In the monitoring method a monitoring wafer with necessary thin films is etched in PERIE with a special program created for this method producing a uniform edge residue on the wafer. To highlight the edge residue the wafer is then etched with buffered hydrogen fluoride after which the width of the clearly visible edge residue is measured from the wafer’s edge in four points with a microscope and a screen tool attached to it. The width of the edge residue is measured from the flat edge, the left edge, the edge opposite of the flat edge and the right edge. If the wafer has been in the middle of the etching chuck, the width of the edge residue is the same in all measuring points. The wafer centering is therefore possible to determine by subtracting the measured width values of the opposite measuring points. Then the two values formed where the other represents the centering in x-dimension (left and right edge) and the other in y-dimension (flat and the opposite edge) are set in x-y-coordinate. The centering result of the wafer is therefore a point in a coordinate. The further the point is from the origin the further the centering of the wafer is from the desired state. When the wafer centering is known it is possible to change the settings of the robot arm to the desired state in a controlled manner because the wafer centering is always possible to check after any changes in the robot arm settings are made.

This thesis was outlined to creating the monitoring method and the implementation of the method was ruled out. The theoretical part deals with the main front end processes in sensor element manufacturing which are thin film deposition, thin film pattering with lithography process and etching the thin films and silicon. The theoretical part also deals with quality and statistical process control.