Effizient Entwickeln in der Mikro- und Nanotechnologie

MEMS direkt auf dem Wafer rationell messen

Um die Produktionskosten für MEMS bei gleichzeitig hoher Ausbeute und Qualität niedrig zu halten, bewährt sich immer mehr die Prüfung auf Wafer-Level bereits vor dem Vereinzeln der Chips. Standard dabei sind elektrische Testverfahren, bestimmte Aufgaben erfordern allerdings eine direkte, zumeist optische Messung der mechanischen Funktion.

Die Polytec Messtechnik können Sie hierfür problemlos in nahezu alle kommerziell erhältlichen Wafer-Prober integrieren. Die Kombination aus (halb-)automatischer Probe Station mit einem mikroskopbasierten Scanning-Laservibrometer wie dem Polytec Micro System Analyzer ermöglicht Ihnen eine rationelle und schnelle Messung des dynamischen Verhaltens von MEMS direkt auf dem Wafer. So erzielen Sie einen hohen Durchsatz und haben ein wichtiges Werkzeug, um den Produktionsprozess zu überwachen.

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Praxisbeispiel:

Time Domain Messung des Schaltverhaltens von RF-MEMS-Switches auf Waferebene

Verifizierung von MEMS-Prototypen zur Prozessoptimierung

Anders als bei reinen Halbleiter-Bauelementen erfordert die Entwicklung eines neuen Mikro-Elektromechanischen Systems (MEMS) immer auch einen neuen Fertigungsprozess. Zumindest müssen Prozessbausteine überarbeitet werden, da man für neuartige mikromechanische Komponenten heutzutage noch nicht auf Standards, wie sonst in der Halbleiterentwicklung üblich, zurückgreifen kann.

Damit ein primär von mechanischen Eigenschaften bestimmtes Bauelement korrekt funktioniert, ist neben dem Systemdesign auch ein optimiertes Prozessdesign wesentlich. Die Verifikation eines Prototypen erlaubt also nicht nur die Bestätigung des Designs, sondern auch des Herstellungsprozesses. Um unerwartetes mechanisches Verhalten und Modellabweichungen zu bestimmen, ist eine leistungsfähige optische Messtechnik wie die Laser-Vibrometrie unerlässlich.

Damit Sie zuverlässig modale Eigenschaften von MEMS wie Übertragungsfunktionen, Resonanzfrequenzen, Dämpfung und Schwingformen ermitteln, ist ein Laser-Vibrometer von Polytec aufgrund großer Frequenzbandbreite, hoher lateraler Auflösung und exzellenter Amplitudenauflösung das Mittel Ihrer Wahl. Ebenfalls wichtig für Bauteilentwicklung und Prozessoptimierung ist die topographische Analyse. Aus Oberflächendaten wie Stufenhöhen und anderen Abmessungen gewinnen Sie wertvolle Informationen über aktuelle Prozessparameter, um den Herstellungsprozess von MEMS-Bauteilen sicher zu steuern.

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Praxisbeispiel:

CMOS / MEMS-co-integrierter Mikro-Strömungssensor

Die Abb. (Copyright: Université catholique de Louvain, Belgien) zeigt eine mithilfe der Topographie-Einheit des MSA-500 Micro System Analyzer von Polytec durchgeführte topographische Charakterisierung eines CMOS/MEMS-co-integrierten Mikro-Strömungssensors, der als dreidimensionale Struktur mittels Silicon-on-Insulator-Technik (SOI) aufgebaut wurde.

Ultraschallwandler in Echtzeit charakterisieren

Mikrosystemtechnisch gefertigte Ultraschallwandler sind vielversprechende Transducer für medizinische Ultraschall-Anwendungen, man unterscheidet hierbei im wesentlichen sogenannte pMUTs und cMUTs (piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer, bzw. capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer).

 Im Vergleich zu konventionellen Elementen besitzen cMUTs einzigartige Eigenschaften. Dank der Biegeschwingform der Membran verringert sich die mechanische Impedanz der Wandler und verbessert auch den Energietransfer an das Umgebungsmedium. Außerdem ermöglicht die Mikrofabrikation, cMUTs durch Halbleitertechnik kostengünstig in Serie zu fertigen. Außerdem kann so der Halbleiterschaltkreis auf demselben Chip direkt integriert werden, um einfach auch großformatige 1D- oder kompliziertere 2D-Array-Konfigurationen aufzubauen.

Um neuartige Ultraschallwandler zu charakterisieren, werden oftmals kombinierte Verfahren eingesetzt. Finite-Elemente-Simulationen prognostizieren das Verhalten des Transducers, auch unter Berücksichtigung des umgebenden Mediums. Protoypen neuer Wandler können Sie dann mit mikroskopbasierten Laservibrometern wie dem MSA Micro System Analyzer von Polytec vermessen, um das Übertragungsverhalten der Schallwandler-Oberfläche direkt zu ermitteln. Sie werden hierbei die große Frequenzbandbreite und Echtzeitfähigkeit schätzen lernen, mit denen Sie insbesondere transiente Vorgänge zuverlässig und genau messen. 

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Praxisbeispiel:

Messung von cMUTs

Das imec in Belgien hat mit dem Polytec MSA ein singuläres cMUT charakterisiert und auf Basis der Ergebnisse mittels der Rayleigh-Integral-Methode das räumliche Druckfeld im Übertragungsmedium bestimmt. Anschließend wurden die Ergebnisse mit unabhängigen Hydrophon-Messungen bestätigt.

SAWs berührungslos charakterisieren

Als elektronische Bauelemente, die durch akustische Oberflächenwellen funktionieren, gehören Surface Acoustic Wave-Filter (SAW) zu den mechanischen Filtern. Sie sind aus Hochfrequenzanwendungen wie dem Mobilfunk heutzutage nicht mehr wegzudenken. Die mikroakustischen Eigenschaften der SAW-Oberfläche zu optimieren, ist einer der zentralen Aufgaben bei der Entwicklung neuer SAW-Bauelemente.

Oberflächenwellen zu messen und grafisch darzustellen stellt wegen der hohen Frequenzen, der kleinen akustischen Weglängen sowie der kleinen Schwingungsamplituden besondere Anforderungen an die Messtechnik. Eine der wenigen verfügbaren Lösungen für die Schwingungsmessung an solchen Systemen ist der Einsatz eines Laservibrometers.

Die Laser-Doppler-Vibrometer von Polytec erlauben Ihnen dabei die berührungslose Charakterisierung über alle Frequenzen und auch bei breitbandiger Anregung. Die Schwingformen werden dabei eindrucksvoll visualisiert. Auch Transienten und Relaxationsverhalten können Sie untersuchen. Wichtige Ergebnisse sind dabei Eigenschaften wie die Filtercharakteristik und Leistungsverluste (Leakage).

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Praxisbeispiel:

Neben dem Einsatz als elektronische Filter spielen SAWs auch eine wichtige Rolle in mikrofluidischen Anwendungen. SAWs werden hierbei zur gezielten Tröpfchenmanipulation von Biomaterialien eingesetzt. Bei der Entwicklung derartiger Lab-on-a-Chip-Bauelemente wird die Untersuchung der Oberflächendynamik wegen der berührungslosen optischen Messung, der Frequenzbandbreite und der hohen Auflösung mit Hochfrequenz-Vibrometern wie dem Polytec UHF-120 durchgeführt.

Modelle einfach und effizient validieren

Die Entwicklung von MEMS-Bauelementen ist ohne Computersimulation kaum denkbar. FE-Simulationsmodelle werden durch Vergleiche mit experimentell ermittelten Daten getestet und verfeinert. Berührungslose optische Messverfahren sind unersetzlich, um die mechanischen Eigenschaften höchstpräzise zu charakterisieren.

Die Laser-Doppler-Vibrometer von Polytec, kombiniert mit Wafer Probe Stations, erweisen sich dafür als die optimale Technik. So können Sie unkompliziert und schnell die mechanische Bewegung der Strukturen innerhalb von MEMS-Bauelementen optisch erkennen und das modellierte Verhalten mit den Messdaten korrelieren.

Die breitbandige Messung, verbunden mit der exzellenten Amplitudenauflösung der Polytec Vibrometer, ermöglicht Ihnen einfach und effizient die Übertragungsfunktionen für die Modellvalidierung zu bestimmen.

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Praxisbeispiel:

Modellvalidierung eines Mikrospiegelarrays.

Die Abb. zeigt den Vergleich der FEM Modellrechnung mit der Vibrometermessung an einem MEMS Mikrospiegelarray.

MEMS auf Zuverlässigkeit und Lebensdauer testen

MEMS-Sensoren und Aktoren sind zentrale Funktionselemente in vielen Geräten und Systemen und übernehmen immer öfter auch sicherheitsrelevante Funktionen. Diese müssen zuverlässig, über die gesamte Lebensdauer des Systems und unter herausfordernden Einsatzbedingungen gewährleistet sein. Dazu wird ein MEMS-Bauteil bei mechanischer Anregung, Strahlungs-, Temperatur- und Luftfeuchtigkeitseinflüssen sowie Druckbelastung durch Umweltsimulation und beschleunigtes Altern in Vakuum- bzw. Klimakammern verifiziert. Gegenüber herkömmlichen Halbleiterbauelementen verfügen MEMS über bewegliche, mikromechanische Komponenten als zentrales Funktionselement. Das dynamische, mechanische Systemverhalten messen zu können, ist daher eine wichtige Aufgabe bei Zuverlässigkeits- und Lebensdauertests.

Der Micro System Analyzer von Polytec bietet Ihnen hierfür sämtliche relevanten Messmodi. Das hochspezialisierte Gerät verfügt auch über Spezialobjektive mit genügend großem Arbeitsabstand, um sowohl das statische als auch dynamische Bauteilverhalten von außerhalb der Testkammer zu messen.

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Praxisbeispiel:

Schwingungsmessungen an MEMS in Vakuumkammer. Der Einfluss des Umgebungsdruck auf die dynamischen Eigenschaften eines MEMS-Bausteins wird mit dem Polytec MSA in Verbindung mit einer Vakuumkammer gemessen, bzw. in Kombination mit einer Vakuum-Probestation für Messungen auf Waferebene.

Charakterisierung von MEMS für Biologie und Medizin

Die Mikrosystemtechnik ist eine wichtige Grundlagen- und Querschnittstechnologie für medizinische und biologische Anwendungen unterschiedlichster Art. Die Bandbreite reicht von Lab-on-a-Chip-Anwendungen mit hochfrequenten Oberflächenwellen für medizinische Schnelldiagnostik über MEMS-Mikrofone für den Einsatz in Hörgeräten bis hin zu mikrosystemtechnisch gefertigten Ultraschallwandlern für die medizinische Bildgebung.

Setzen Sie dabei auf die berührungslose, mikroskopbasierte optische Messtechnik von Polytec um Oberflächentopografie und dynamische Eigenschaften medizinischer MEMS-Sensoren und -Aktoren zu bestimmen. Darüber hinaus wird die mikroskopbasierte Schwingungsmessung beim bionisch inspirierten „Technologietransfer“ von natürlichen in technische Systeme eingesetzt, z. B. um die Biomechanik der Hörfunktion von Insekten zu messen.

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Praxisbeispiel:

Mikromechanisch gefertigte Ultraschallwandler (pMUTs und cMUTs) verbessern die Möglichkeiten medizinscher 3D-Echtzeit-Bildgebung (Sonografie) in Anwendungen wie IVUS (Intravaskulärer Ultraschall) und der Echokardiographie.

Um die Mikromechanik dieser Wandlerelemente zu charakterisieren, muss bei hohen Frequenzen (~10 MHz) und mit hoher räumlicher Auflösung (<1 μm) gemessen werden. Die vielfältigen Möglichkeiten des Micro System Analyzer von Polytec liefern höchst präzise und berührungslos diese Informationen für die Entwicklung von pMUTs und cMUTs.