Gold thin film fabrication and resistivity characterization
Sinkkonen, Atte (2023)
Sinkkonen, Atte
2023
Bioteknologian ja biolääketieteen tekniikan kandidaattiohjelma - Bachelor's Programme in Biotechnology and Biomedical Engineering
Lääketieteen ja terveysteknologian tiedekunta - Faculty of Medicine and Health Technology
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2023-08-10
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202306296992
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202306296992
Tiivistelmä
Films or sheets of liquid or solid material that can be almost considered two-dimensional, as their thickness is so small compared to their width and length, are called thin films. They are usually on a substrate due to their size and fabrication methods. In microelectrode arrays (MEAs), thin films made of metals are usually used as conductors to measure the electrical activity of cell cultures. These thin films can be electrically and topographically characterized for quality assurance (QA) purposes, as well as for the purpose of comparing and picking suitable materials.
In this thesis, MEAs with gold (Au) thin films as conductors were fabricated and characterized. Two extra structures were designed to the MEA for the purpose of electrical characterization of sheet resistance and electrical resistivity of the Au thin films. A square structure was designed to be used for methods following the van der Pauw (vdP) method, and a linear structure was de-signed to be used for linear four-point probe (4PP). Topographical characterization of the designed structures with a contact profilometer was also conducted for both QA purposes and for the determination of the reliability of the metallization step in the fabrication process.
The results from the characterizations were promising. The electrical characterization results showed that the designed structures could be used in QA of MEA production. Especially the vdP method measurements on the square structures could lessen the need for large-scale topography measurements of the fabricated MEAs to obtain values for electrical characteristics.
The topographical characterization showed that the process of the MEA fabrication has a flaw in the step of deposition of metal onto the MEA substrate. The dome used for the metallization is not coated in metal uniformly, as it was shown that the placement, especially the distance from the center of the dome, affects the thickness of the fabricated thin film. Nestemäisestä tai kiinteästä materiaalista tehtyjä levyjä, kalvoja tai filmejä, jotka voidaan luokitella lähes kaksiulotteisiksi, koska niiden paksuus on hyvin pieni verrattuna leveyteensä ja pituuteensa, kutsutaan ohutfilmeiksi. Ne tuotetaan yleensä substraatin tai alustan päälle koon ja valmistusmenetelmien vuoksi. Mikroelektrodimatriisit (eng. microelectrode arrays, MEAs) käyttävät yleensä metallisia ohutfilmejä johtimina soluviljelmien sähköisen aktiivisuuden mittaamiseen. Näitä ohutfilmejä voidaan sähköisesti ja topografisesti karakterisoida laadunvarmistustarkoituksessa sekä vertailua ja sopivien materiaalien valintaa varten.
Tässä kandidaatintyössä valmistettiin ja karakterisoitiin MEA-laitteita, joissa oli kultaa (Au) johtimina ohutfilmien muodossa. Kaksi ylimääräistä rakennetta suunniteltiin MEA-laitteisiin kultaohutfilmien neliöresistanssin (eng. sheet resistance) ja sähköisen resistiivisyyden karakterisointiin. Neliörakenne suunniteltiin käytettäväksi van der Pauw (vdP) -menetelmän mukaisiin mittauksiin, ja lineaarinen rakenne suunniteltiin käytettäväksi lineaariseen nelipistemitteus (eng. four-point probe, 4PP) -menetelmään. Suunniteltujen rakenteiden topografinen karakterisointi kontaktiprofilometrillä suoritettiin myös laadunvarmistustarkoituksiin sekä metallisointivaiheen luotettavuuden määrittämiseksi valmistusprosessissa.
Karakterisointitulokset olivat lupaavia. Sähköiset karakterisointitulokset osoittivat, että suunniteltuja rakenteita voidaan käyttää MEA-tuotannon laadunvarmistuksessa. Erityisesti neliörakenteiden vdP-menetelmällä tehdyt mittaukset voisivat vähentää tarvetta suurimittakaavaisille topografiamittauksille valmistettujen MEA-laitteiden sähköisten ominaisuuksien arvojen saamiseksi.
Topografinen karakterisointi osoitti, että MEA-laitteiden valmistusprosessissa on vika metallin höyrystysvaiheessa. Metallointiin käytetty kupolimainen pidike, jossa näytteet ovat metallointivaiheessa, ei takaa tasaisesta ohutfilmiä. Työssä osoitettiin, että sijainti, erityisesti etäisyys kupolimaisen pidikkeen keskipisteestä, vaikuttaa valmistetun ohutkalvon paksuuteen.
In this thesis, MEAs with gold (Au) thin films as conductors were fabricated and characterized. Two extra structures were designed to the MEA for the purpose of electrical characterization of sheet resistance and electrical resistivity of the Au thin films. A square structure was designed to be used for methods following the van der Pauw (vdP) method, and a linear structure was de-signed to be used for linear four-point probe (4PP). Topographical characterization of the designed structures with a contact profilometer was also conducted for both QA purposes and for the determination of the reliability of the metallization step in the fabrication process.
The results from the characterizations were promising. The electrical characterization results showed that the designed structures could be used in QA of MEA production. Especially the vdP method measurements on the square structures could lessen the need for large-scale topography measurements of the fabricated MEAs to obtain values for electrical characteristics.
The topographical characterization showed that the process of the MEA fabrication has a flaw in the step of deposition of metal onto the MEA substrate. The dome used for the metallization is not coated in metal uniformly, as it was shown that the placement, especially the distance from the center of the dome, affects the thickness of the fabricated thin film.
Tässä kandidaatintyössä valmistettiin ja karakterisoitiin MEA-laitteita, joissa oli kultaa (Au) johtimina ohutfilmien muodossa. Kaksi ylimääräistä rakennetta suunniteltiin MEA-laitteisiin kultaohutfilmien neliöresistanssin (eng. sheet resistance) ja sähköisen resistiivisyyden karakterisointiin. Neliörakenne suunniteltiin käytettäväksi van der Pauw (vdP) -menetelmän mukaisiin mittauksiin, ja lineaarinen rakenne suunniteltiin käytettäväksi lineaariseen nelipistemitteus (eng. four-point probe, 4PP) -menetelmään. Suunniteltujen rakenteiden topografinen karakterisointi kontaktiprofilometrillä suoritettiin myös laadunvarmistustarkoituksiin sekä metallisointivaiheen luotettavuuden määrittämiseksi valmistusprosessissa.
Karakterisointitulokset olivat lupaavia. Sähköiset karakterisointitulokset osoittivat, että suunniteltuja rakenteita voidaan käyttää MEA-tuotannon laadunvarmistuksessa. Erityisesti neliörakenteiden vdP-menetelmällä tehdyt mittaukset voisivat vähentää tarvetta suurimittakaavaisille topografiamittauksille valmistettujen MEA-laitteiden sähköisten ominaisuuksien arvojen saamiseksi.
Topografinen karakterisointi osoitti, että MEA-laitteiden valmistusprosessissa on vika metallin höyrystysvaiheessa. Metallointiin käytetty kupolimainen pidike, jossa näytteet ovat metallointivaiheessa, ei takaa tasaisesta ohutfilmiä. Työssä osoitettiin, että sijainti, erityisesti etäisyys kupolimaisen pidikkeen keskipisteestä, vaikuttaa valmistetun ohutkalvon paksuuteen.
Kokoelmat
- Kandidaatintutkielmat [8709]