Effizient Entwickeln in der Mikro- und Nanotechnologie
Um Mikrosysteme zu entwickeln und zu produzieren, ist eine präzise, zuverlässige und schnelle Messtechnik zur Charakterisierung und Qualitätsüberwachung der Bauelemente entscheidend. Das ist umso wichtiger, da Mikrosensoren verstärkt auch sicherheitsrelevante Aufgaben übernehmen – mit hohen Anforderungen an die Zuverlässigkeit und Funktionssicherheit. Robustes Design und hohe Fertigungspräzision spielen dabei eine Schlüsselrolle.
Aktive mikro-elektromechanische Bauelemente wie MEMS Aktuatoren oder Sensoren benötigen geeignete optische Messverfahren, da eine rein elektrische Charakterisierung nicht ausreicht.
Hierfür sind Micro-System-Analyzer von Polytec optimal, sie ermöglichen einerseits die Oberflächentopographie mit einer hohen Auflösung zu bestimmen und andererseits auch das dynamische Bewegungsverhalten präzise zu charakterisieren. Die dynamische Messung mittels Laser-Doppler-Vibrometrie zeichnet sich dabei durch eine große Frequenzbandbreite und hohe Auflösung der Bewegungsamplitude aus. Selbst Schwingungsmessungen im hohen MHz- und bis in den GHz-Bereich hinein, wie sie für immer mehr mikrotechnische Anwendungen erforderlich sind, ermöglicht Ihnen diese Messtechnik.
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Wafer-level
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Prototypentest
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cMUTs und pMUTs
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SAWs und BAWs
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FEM Validierung
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Mikromechanik
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MEMS Zuverlässigkeit
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Bio MEMS
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
Kanal 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.
Zugehörige Produkte
TopMap µ.Lab
Mit dem TopMap µ.Lab charakterisieren Sie Oberflächen von Mikrostrukturen mit sehr hoher lateraler Auflösung. Das optische Profilometer ermittelt berührungsfrei Kenngrößen wie Textur, Ebenheit, Welligkeit und Rauheit an feinen und sensiblen Strukturen. Die...
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.
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UHF-120 Ultra-High Frequency Vibrometer
Mit dem Ultra-High-Frequency Vibrometer analysieren Sie dank deutlich erweiterter Bandbreite Out-of-Plane Schwingungen bis zu 2,4 GHz.
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.
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UHF-120 Ultra-High Frequency Vibrometer
Mit dem Ultra-High-Frequency Vibrometer analysieren Sie dank deutlich erweiterter Bandbreite Out-of-Plane Schwingungen bis zu 2,4 GHz.
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.
Zugehörige Produkte
MSA-100-3D Micro System Analyzer
Der 3D Micro System Analyzer erfasst Schwingungskomponenten in allen 3 Raumrichtungen gleichzeitig. Das Messsystem ermöglicht damit hochaufgelöste 3D-Schwingungsanalysen mit Amplitudenauflösungen im sub-Pikometer Bereich sowohl für In-Plane als auch für...
UHF-120 Ultra-High Frequency Vibrometer
Mit dem Ultra-High-Frequency Vibrometer analysieren Sie dank deutlich erweiterter Bandbreite Out-of-Plane Schwingungen bis zu 2,4 GHz.
Mikromechanik umfassend und präzise analysieren
Die direkte Integration mikroskopisch kleiner mechanischer Funktionseinheiten mit Halbleiterelektronik auf Siliziumebene führte zu einer Vielzahl unterschiedlichster mikromechanischer Sensoren und Aktoren und zum Siegeszug der Mikrosystemtechnik.
Die Typenvielfalt und Einsatzbereiche sind enorm. Angefangen bei MEMS-Mikrofonen, -Beschleunigungs- und Drehratensensoren für tragbare elektronische Geräte. Des Weiteren Druck- und Inertial-Sensorik für Automotive- und Aerospace-Anwendungen, vielfältigste Mikrospiegel-Elemente zur Manipulation von Licht, Energy-Harvestern für autonome Systeme und Mikrowaagen für kleinste Stoffmengen. Und schließlich pMUT- und cMUT-Wandler, um Ultraschall in der Medizintechnik zu erzeugen sowie mikroakustische Elemente wie SAWs, die zunehmend als Filterelemente, aber auch in Lab-on-A-Chip-Anwendungen eingesetzt werden. Um derartige MEMS-Bausteine zu entwickeln, muss neben elektrischer Messtechnik auch die direkte mechanische Funktion, sprich die Bewegung kleinster Siliziumkomponenten, zuverlässig und genau gemessen werden.
Mit den mikroskopbasierten Einpunkt- oder Scanning-Vibrometern von Polytec erfassen Sie in 1D oder 3D die Auslenkungen im pm-Bereich, die Übertragungsfunktionen und Betriebsschwingformen mit hoher Frequenzbandbreite sowie die laterale Auflösung im µm- oder sub-µm Bereich. Mit dem MSA Micro System Analyzer können Sie optional auch noch die Topographie Ihres Microsystems erfassen.
Ein Beispiel aus der Praxis: Der MSA-100-3D Micro System Analyzer erlaubt flächenhafte 3D-Schwingungsmessung mit Wegauflösung im pm-Bereich für sowohl Out-of-plane (OOP) als auch In-plane (IP) Komponenten, hier an einem MEMS-Cantilever.
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Praxisbeispiel:
Der MSA-100-3D Micro System Analyzer erlaubt flächenhafte 3D-Schwingungsmessung mit Wegauflösung im pm-Bereich für sowohl Out-of-plane (OOP) als auch In-plane (IP) Komponenten, hier an einem MEMS-Cantilever
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MSA-100-3D Micro System Analyzer
Der 3D Micro System Analyzer erfasst Schwingungskomponenten in allen 3 Raumrichtungen gleichzeitig. Das Messsystem ermöglicht damit hochaufgelöste 3D-Schwingungsanalysen mit Amplitudenauflösungen im sub-Pikometer Bereich sowohl für In-Plane als auch für...
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.
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MSA-100-3D Micro System Analyzer
Der 3D Micro System Analyzer erfasst Schwingungskomponenten in allen 3 Raumrichtungen gleichzeitig. Das Messsystem ermöglicht damit hochaufgelöste 3D-Schwingungsanalysen mit Amplitudenauflösungen im sub-Pikometer Bereich sowohl für In-Plane als auch für...
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.
