Optische Qualitätsprüfungen für verkapselte MEMS während der Fertigung bis dato nicht möglich

Mikroelektromechanische Systeme (MEMS) sind Innovationstreiber für zahlreiche neue Anwendungen und generieren weltweit Milliardenumsätze. Sie vereinen in einem einzigen Bauelement mikromechanische Sensoren und Aktoren sowie Steuerungselektronik auf einer Fläche von nur wenigen Quadratmillimetern. Im Automobil sorgen sie als Sensoren in Airbags und ESP für Sicherheit und machen als Lage- und Beschleunigungssensoren, Mikrofone, Hochfrequenzfilter, Drucksensoren und in der Kamerafokussierung das Smartphone erst smart.

Mikromechanische Strukturen lassen sich wie Mikroelektronik-Chips in Silizium fertigen, werden aber in der Regel bereits auf Wafer-Ebene vor diversen Einflüssen durch eine Verkapselung geschützt. Die so eingeschlossenen MEMS-Strukturen können allerdings während der Produktion bisher nicht unter den realen Bedingungen der Verkapselung mit gängigen Prüfmethoden optisch untersucht werden. Die unter Vakuum oder Schutzgaseinschluss vorgenommene Verkapselung auf Wafer-Ebene kann aber zu Verspannungen im Material und damit zu Fehlern führen. Das frühzeitige Erkennen, Verstehen und schnelle Korrigieren von Abweichungen beim Fertigungsprozess auf Wafer-Ebene stellt einen wichtigen Wettbewerbsvorteil für die MEMS-Hersteller dar. Schließlich fallen ab der Zerteilung des Wafers in einzelne Mikrosysteme über die Aufbau- und Verbindungstechnik bis hin zum verkaufsfertigen System im Package bis zu 95% der Herstellkosten an.

Neue Messtechnik der Partner inspiziert MEMS durch die Verkapselung hindurch

Im Projekt „IRIS“ wurden daher von einem Konsortium aus MEMS- und Messgeräteherstellern sowie Forschungsinstituten Lösungen erarbeitet, mit denen verkapselte siliziumbasierte MEMS mit einer neuartigen Infrarotmesstechnik in der Fertigung optisch auf Wafer-Ebene analysiert werden können. Dank der vom Partner Polytec GmbH entwickelten Messtechnik lassen sich MEMS-Strukturen nun auch unter der Verkapselung und damit nach einem fehleranfälligen Prozessschritt analysieren. Eine optische Untersuchung wird durch die für die Messungen verwendete Infrarotstrahlung zwischen 1100 nm und 1700 nm Wellenlänge ermöglicht, bei der das Silizium transparent ist. Zudem hat die Polytec GmbH erstmals Laser-Doppler-Vibrometrie zur Schwingungsmessung mit optischer Laserpulsanregung in gekapselten Mikrosystemen ermöglicht.

Vibrometer sind für Qualitätsprüfungen von MEMS seit Jahren etabliert, allerdings bislang nur für freiliegende Strukturen. Mit den Vibrometern werden Frequenzen und Amplituden mechanischer Schwingungen mit einem Laser bestimmt, der auf die zu messende Oberfläche fokussiert wird. Materialeigenschaften, Verhalten und damit die Qualität von MEMS-Strukturen werden untersucht, indem sie in Schwingung versetzt und die dadurch verursachten, für jede MEMS-Struktur charakteristischen Frequenzen in ausgesendeten und reflektierten Laserstrahlen anhand des Doppler-Effekts analysiert werden.

Mit den neuentwickelten Messverfahren lassen sich nun Sensoreigenschaften verkapselter MEMS vibrometrisch in kurzer Zeit erfassen und damit deren Charakterisierung vornehmen.

IMMS entwickelte Verfahren für Messungen auf Wafer-Ebene und Bestimmung des Kavitätsinnendrucks von MEMS

Das IMMS hat mit dieser neuen Messtechnik neue Methoden zur dynamischen Schwingungsanregung verkapselter MEMS-Strukturen auf Wafer-Ebene untersucht, die für die zur Prozesskontrolle durchzuführende vibrometrische Messung notwendig ist. Das IMMS hat indirekte Messverfahren erarbeitet, um im Wafer-Verbund den Druck innerhalb der Verkapselung, den Kavitätsinnendruck, und damit ein für Hersteller wesentliches Qualitätskriterium und darüber hinaus die Materialspannung bestimmen und automatisch analysieren zu können. Das IMMS hat zudem Messabläufe für das In-Line-Prozessmonitoring entwickelt und ein Postprocessing-Tool implementiert, womit mehrere Sensoren im Wafer-Verbund sowie als vereinzelte Dies vermessen werden können.