Entwicklung einer Strategie zur produktionsbegleitenden Messung in der Silizium- Mikromechanik auf der Basis von Teststrukturen - STRATEST
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Auf dem schnell wachsenden Mikrosystemmarkt nehmen Mikrosysteme (MEMS) mit beweglichen Elementen eine bedeutende Stellung ein. Die Funktionalität dieser Systeme hängt von verschiedenen Parametern ab. Einige Parameter sind direkt messbar, andere lassen sich nur indirekt charakterisieren. Die Messung mancher funktionsrelevanter Parameter (Dickenvariationen über den Wafer nach der Fertigung, kleiner mechanischer Stress) ist mit großen Schwierigkeiten verbunden. Die Anwendung allgemein bekannter Methoden zur Bestimmung dieser Parameter (optische, taktile usw.) stößt im Falle der Mikrosystemtechnik auf eine Reihe von Problemen. Das Hauptproblem ist die erhebliche Messzeit, die eine Anwendung der genannten Methoden innerhalb des Produktionszyklus unmöglich macht. Die Informationen über technologische Prozesstoleranzen und Materialeigenschaften sollen innerhalb der Prozesskette zerstörungsfrei für den ganzen Wafer ermittelt werden. Um den Prozessablauf nicht zu behindern, muss der Vorgang in wenigen Minuten oder sogar Sekunden durchgeführt werden. Die gewonnen Daten werden für die Überwachung des Fertigungsprozesses genutzt. In Rahmen des Projektes wurde eine neuartige Strategie entwickelt, die es erlaubt, für die genannte Klasse von Mikrosystemen die funktionsrelevanten Parameter und deren Schwankungen produktionsbegleitend auf Waferlevel zu ermitteln. Auf dieser Basis kann eine effektive Qualitätssicherung realisiert werden. Die Strategie basiert auf Messungen von speziellen Teststrukturen, die im Waferlayout neben den eigentlichen Originalstrukturen platziert sind. Die Teststrukturen sind um ein Vielfaches kleiner als reale MEMS-Strukturen. Die Vorteile bei der Verwendung von Teststrukturen liegen in der Zeitersparnis, da nur eine einmalige Entwicklung und Simulation der Teststrukturen erfolgen muss. Die entwickelten Teststrukturen entsprechen den folgenden Anforderungen: • Sie sind deutlich kleiner als aktuelle MEMS und haben eine hohe Sensitivität bezüglich der gesuchten Parameter • Messungen von Eigenfrequenzen auf Teststrukturen sind einfacher als bei den originalen MEMS, weil die Teststrukturen mehr leicht messbare Eigenmoden in dem für die Messungen zugänglichen Frequenzbereich aufweisen • Die Positionen der Teststrukturen auf den Wafern sind standardisiert, was den Messprozess vereinfacht und beschleunigt. Die Parameteridentifikation besteht im Wesentlichen aus drei Schritten. Im ersten Schritt wird die theoretische Antwort der Teststruktur durch numerische Modalanalyse ermittelt. Anschließend erfolgt die Messung der Antwort der realen Teststruktur. Daraufhin werden die theoretischen Daten mit den gemessenen in Verbindung gesetzt und die gesuchten Parameter ermittelt. Aus der Parameteridentifikation werden Mappen der gesuchten Parameter für den gesamten Wafer erzeugt. Daraus können die benötigten Informationen zur Prozesskontrolle gewonnen werden. Die entwickelte Messstrategie wurde hauptsächlich für die Bestimmung geometrischer Parameter und deren Variationen verwendet und überprüft. Die Regeln für Gestaltung und Design der Teststrukturen wurden erforscht. Teststrukturen dienen als frei skalierbare, übertragbare Normale für produktionsbegleitende Messungen auf Waferlevel. Nach der erfolgten Erprobung der Strategie auf geometrische Parameter kann zur Bestimmung von anderen funktionsrelevanten Parametern übergegangen werden, die grundsätzlich mit der direkten Messung nicht- oder nur äußerst kompliziert messbar sind. Solche Parameter können nur dann bestimmt werden, wenn die Geometrie von Teststrukturen genau bekannt ist. Andererseits kann die Geometrie nur dann exakt bestimmt werden, wenn der Beitrag anderer unbekannter Parameter vernachlässigbar ist. Zum Beispiel müssen bei der Bestimmung geometrischer Parameter mechanische Spannungen ausgeschlossen werden. Deshalb bedeutet die Entwicklung neuer Teststrukturen nicht nur den Entwurf einer neuen Struktur, sondern die Einbeziehung von weiteren funktionsrelevanten Parametern in den Charakterisierungsprozess. Beispiele für weitere, i. allg. nicht direkt messbare funktionsrelevante Parameter sind Materialeigenschaften wie Elastizitätsmodul und Schubmodul sowie Adhäsionsenergie oder intrinsischer Stress. Materialeigenschaften: Für einkristallines Silizium sind die Materialeigenschaften sehr präzise bekannt. Bei andere Materialen wie Polysilizium, Polymeren oder dünnen metallischen Funktionsschichten sind die funktionsrelevanten Parameter wie Dichte oder Elastizitätsmodul unbekannt und stark von Prozessparametern abhängig. Zum Beispiel schwankt der Elastizitätsmodul für TiN-Schichten technologieabhängig von 120 bis 600 GPa. Adhäsionsenergie: Bei der Fertigung von Mikrosystemen mit geringer Federsteifigkeit (Gyroskope, Beschleunigungssensoren usw.) werden häufig Sticking-Effekte beobachtet. Unter „Sticking” versteht man das Anhaften beweglicher mechanischer Komponenten an feststehenden Formelementen wie Anschlägen zur Bewegungsbegrenzung oder an Elektroden zur kapazitiven Auswertung. Das Haften der Struktur tritt bei horizontaler Bewegung und bei vertikaler Verkippung auf. Stress: Der Standardprozess der Mikrosystemsproduktion beinhaltet mehrere Bond- und Schichtabscheidungsschritte, die mechanischen Stress in das Mikrosystem eintragen können. Veränderung der Stresssituation könnte mittels Teststrukturen charakterisiert werden. Die Messstrategie kann für verschiedene Technologien unmittelbar im Produktionszyklus angewendet und hinsichtlich Kalibrierung, Übertragbarkeit der Messergebnisse und Eignung als produktionsbegleitende Messtechnik überprüft werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Advanced Technique for MEMS Manufacturing Monitoring based on Test-Structures. 10th CIRP Conference on Computer Aided Tolerancing Specification and Verification for Assemblies, Erlangen (Germany), 2007 Mar 21-23, Proceedings, p. 30
Shaporin, A.V.; Hanf M.; Dötzel, W.
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Determination of Dimensional Parameters in MEMS Components by Vibration Analyses. IMAC - XXV, Florida (USA), 2007 Feb 05, Proceedings
Kurth, S.; Mehner, J.; Shaporin, A.V.; Michael, S.; Ebert, M.; Dötzel, W.
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MEMS Characterization Technique Based on Special Designed Test-Structures. Mikrosystemtechnik Kongress, Dresden (Germany), 2007 Okt 15-17, Proceedings, pp. 873-876
Shaporin, A.; Forke, R.; Dötzel, W.; Mehner, J.
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Test-Structure based MEMS Characterization Technique. Smart Systems Integration, Paris (France), 2007 Mar 27-28, Proceedings, pp. 625-627
Shaporin, A.V.; Hanf M.; Forke, R.; Mehner, J.; Gessner, T.; Dötzel, W.
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Test-Structures for MEMS reliability analysis. MikroNanoReliability 2007, Berlin (Germany), 2007 Sep 2-5, Proceedings, Vol. 6, p. 227
Shaporin, A.; Dötzel, W.; Mehner, J.
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Vollautomatisierter Test von Mikrosystemen auf dem Wafer. Mikrosystemtechnik Kongress, Dresden (Germany), 2007 Okt 15-17, Proceedings, pp. 75-78
Giessmann, S.; Geissler, H.; Werner, F.-M.; Kurth, S.; Michael, S.; Rembe, C.; Klattenhoff, J.; Armbruster, B.; Shaporin, A.
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Zerstörungsfreie Geometrieparameterbestimmung an einem Beschleunigungssensorarray. MikroSystemTechnik Kongress, Dresden (Germany), 2007 Oct 15-17, Proceedings, pp. 885-888
Dienel, M.; Dötzel, W.; Mehner, J.
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Erfassung von Standardgeometrieelementen im Mikrometerbereich. tm Technisches Messen, (2008), pp. 327-338
Fleischer, J.; Buchholz, I.; Peters, J.; Viering, B.; Goch, G.; Patzelt, S.; Tausendfreund, A.; Mehner, J.; Dötzel, W.; Shaporin, A.; Neuschaefer-Rube, U.; Hilpert, U.; Simon, S.; Tutsch, R.; Herbst, C.; Weckenmann, A.; Hoffmann, J.; Krämer, P.
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Test-Structures for Wafer Level Microsystems Characterization. Smart Systems Integration, Barcelona (Spain), 2008 Apr 9-11, Proceedings, pp. 528-531
Shaporin, A.; Forke, R.; Schmiedel, R.; Dötzel, W.
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Novel Method for Parameter Identification and Characterization of Mechanical Stress for Microsystems. Smart Systems Integration, Brussels (Belgium), 2009 Mar 10-11, Proceedings, pp. 520-523
Shaporin, A.V.; Mehner, J.; Schmiedel, R.; Billep, D.; Sommer, J.-P.; Bauer, W.
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Novel test structures for characterization of microsystems parameters at wafer level. SPIE - Photonics West, San Jose/California (USA), 2009 Jan 25-29, Proceedings, SPIE Vol. 7206
Shaporin, A.V.; Streit, P.; Specht, H.; Mehner, J.; Dötzel, W.
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Time efficient test method for dimensional parameter determination based on resonant mode detection. Smart Systems Integration, Brussels (Belgium), 2009 Mar 10-11, Proceedings, pp. 488-491
Meinig, M.; Kurth, S.; Gessner, T.; Shaporin, A.V.; Giessmann, S.
