Eristekalvon valmistus ultranopeaan fotodiodiin

Abstract

Ultranopeilla fotodiodeilla on käyttöä lukuisissa sähkömagneettisen spektrin terahertsialueen (100 GHz – 10 THz) sovelluksissa, kuten tiedonsiirrossa ja spektroskopiassa ja kuvantamisessa. Näissä sovelluksissa fotodiodilta vaaditaan hyvin suurta toimintanopeutta, jota voi rajoittaa esimerkiksi laitteen rakenteesta johtuva kapasitanssi. Sen minimoimiseksi työn kohteena olevassa laitteessa käytetään bentsosyklobuteenipohjaisesta polymeerista (BCB) valmistettua eristekalvoa eristämään laitteen elektrodit toisistaan sähköisesti. Eristekalvo on kuitenkin joustava, mikä voi haitata kalvon päällä olevan liitoskohdan lankaliittämistä.

Tässä kandidaatintyössä tutustuttiin sähköeristeiden teoriaan ja erityisesti niiden dielektrisiin ominaisuuksiin. Teorian avulla motivoitiin BCB:n käyttöä fotodiodin eristemateriaalina. Työn kokeellisen osuuden tavoitteena oli kehittää valmistusprosessi eristekalvon päälle valmistettavalle kontaktille, joka kestää lankaliittämisen. Valmistusprosessin kehitystyö sisälsi fotodiodin anodikontaktia vastaavien rakenteiden valmistamista puhdastilassa ja valmistettujen näytteiden kestävyyden testaamista lankaliittämällä. Murtuneita liitoskohtia kuvattiin optisella mikroskoopilla ja erilaisia rakenteita vertailtiin tarkastelemalla, kuinka suuri osuus liitosyrityksistä onnistui.

Kehitystyössä havaitut keskeisimmät ongelmat olivat liitoskohdan metallirakenteen heikkous ja BCB:n ja sen päälle kasvatetun piidioksidiohutkalvon välinen heikko tarttuvuus. Metallirakennetta yritettiin vahvistaa paksulla titaanikerroksella, mikä ei osoittautunut toimivaksi ratkaisuksi kerroksen höyrystämisessä ilmenneiden ongelmien vuoksi. Lisäksi heikkoa tarttuvuutta yritettiin parantaa BCB:lle tehtävällä in situ -typpiplasmakäsittelyllä, mutta käsittelystä huolimatta tämä ongelma ei täysin ratkennut.

Työn tuloksena syntyi valmistusprosessi, jossa hyödynnettiin kemiallista nikkelöintiä noin 2 μm paksun metallivahvikekerroksen tekemiseen. Vahvikekerroksen sisältävät liitoskohdat osoittautuivat lankaliitostesteissä hyvin kestäviksi, ja niiden liitettävyys oli erittäin hyvä. Valmistusprosessin kehityksen ohella työssä optimoitiin lankaliitoslaitteen parametreja. Optimoiduilla parametreilla näytteille tehdyt lankaliitosmenetelmän toiset liitokset pysyivät paremmin kuin ensimmäiset liitokset.

Ultrafast photodiodes are useful in various applications of the terahertz region of the electromagnetic spectrum (100 GHz – 10 THz), including data transmission, spectroscopy, and imaging. These applications require photodiodes operating at an extremely high speed. The operating speed of a photodiode may be limited by a capacitance caused by the structure of the device. In this case, the capacitance is minimized by insulating the electrodes of the device with a polymer film based on benzocyclobutene (BCB). However, the elasticity of the film impedes the wire bonding on the contact pad on top of the film if the pad is not strong enough.

In this thesis, the theory related to electrical insulators, especially to their dielectric characteristics, was explored. The theory motivates the use of BCB as an insulating material. The goal of the experimental section was to develop a fabrication process for a contact pad which withstands wire bonding despite being on top of an elastic film. The development work included the fabrication of structures similar to the anode contact of the photodiode. The samples were fabricated in a cleanroom. The different pad structures were tested by wire bonding and compared by their successful bond yields. The fractured pads were imaged using an optical microscope to find targets of improvement.

The main problems discovered were the structural weakness of the metal pad and the poor adhesion between the BCB and silicon dioxide film on top of it. Attempts were made to reinforce the metal pad with a thick layer of titanium, but the attempts were suppressed by the problems occurred during the evaporation of titanium. Additionally, an in situ nitrogen plasma treatment on BCB was conducted to improve the adhesion to silicon dioxide. Despite this, the problem somewhat remained.

As an outcome of the work, a fabrication process utilizing electroless plating to deposit a 2 μm thick nickel reinforcement layer was developed. The reinforced pads were strong enough to withstand the wire bonding excellently. Moreover, the wire bonding parameters were adjusted to improve the bond yield. The first bond on the pad was observed to yield better sticking than the second on the pad.