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tm - Technisches Messen

Plattform für Methoden, Systeme und Anwendungen der Messtechnik

[TM - Technical Measurement: A Platform for Methods, Systems, and Applications of Measurement Technology
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Editor-in-Chief: Puente León, Fernando / Zagar, Bernhard


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2196-7113
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Volume 86, Issue 6

Issues

Topografiemessung an verkapselten mikroelektromechanischen Systemen mittels Kurzkohärenz-Interferometrie

Topography measurement on disguised microelectromechanical systems using short coherence interferometry

Johann Krauter / Jonas Stark / Prof. Dr. Wolfgang Osten
Published Online: 2019-03-09 | DOI: https://doi.org/10.1515/teme-2019-0018

Zusammenfassung

Mikroelektromechanische Systeme (MEMS) werden heute in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt. Zur Herstellung von MEMS werden üblicherweise fotolithografische Verfahren eingesetzt. Insbesondere bei sicherheitsrelevanten MEMS, wie z. B. Airbag- oder ESP-Sensoren, ist eine 100 % Inspektion erforderlich. Nach einer optischen Inspektion der MEMS-Strukturen werden diese durch das Bonden eines Silizium-Kappenwafers geschützt. Dieses Bonding oder das anschließende Packaging kann zu einer zusätzlichen Spannung im Waferstapel führen, die die MEMS-Funktion negativ beeinflussen kann. Im Falle eines fehlgeschlagenen elektronischen Tests kann das Problem nicht lokalisiert werden, da der Kappenwafer für die gängigen optischen Oberflächensensoren undurchsichtig ist. In dieser Publikation wird die Herausforderung der optischen Topografiemessung von verkapselten MEMS-Strukturen diskutiert. Dabei werden Defekte wie Verbiegung oder Festklemmen einzelner MEMS-Finger betrachtet. Für diese Messaufgabe wird ein kurzkohärentes Interferenzmikroskop implementiert. Die Wellenlänge liegt im Short-Wave Infrarot (SWIR), da Silizium im Infraroten transparent wird. Die interferometrische Oberflächenmessung der MEMS-Strukturen wird durch den Kappenwafer stark beeinflusst. Hierfür wurden Simulationen durchgeführt, die die systematischen Messabweichungen aufgrund der Kappe zeigen. Eine Möglichkeit zur Korrektur und Reduzierung der systematischen Abweichungen wird ebenfalls beschrieben.

Abstract

Micro-electro-mechanical systems (MEMS) are used today in a variety of applications. The production of MEMS is based on the principle of photolithography. Especially for safety relevant MEMS like airbag or ESP sensors an 100 % inspection is necessary. After optical inspection of the MEMS structures, these are protected by bonding of a silicon cap wafer. This bonding or subsequent packaging can cause additional stress in the wafer stack that interferes with the MEMS function. In the case of a failed electronic test, the problem cannot be localized because the cap wafer is opaque to common optical surface sensors. This publication discusses the challenge of optical topography measurement of hidden MEMS structures to detect defects such as bending or sticking of MEMS fingers. A short-coherent interference microscope is presented for this measurement task. The wavelength is in the shot wave infrared (SWIR) because silicon becomes transparent at higher wavelengths. The interferometric surface measurement of the MEMS structures is strongly influenced by the cap wafer. For this purpose, simulations have been carried out showing the systematic measurement deviations caused by the cap. A possible method for correcting and reducing of the systematic deviations is also described.

Schlagwörter: Optische Messtechnik; Weißlichtinterferometrie; MEMS; Silizium-Kappe; Dispersion; Aberrationen; Packaging

PACS: metrology 06.20.-f; interferometers; 07.60.Ly; Signal processing in optics; 42.79.Sz; 42.79.Ta

Keywords: Optical metrology; white-light interferometry; mems; silicon cap; dispersion; spherical aberration; packaging

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About the article

Johann Krauter

Johann Krauter (M. Sc.) war wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Technische Optik (ITO) der Universität Stuttgart. Hauptarbeitsgebiete: Optische Messtechnik, Technische Optik, Weißlichtinterferometrie, optische Kohärenztomografie.

Jonas Stark

Jonas Stark war Bachelorstudent im Studiengang Medizintechnik der Universität Stuttgart. Er schrieb seine Bachelorarbeit am Institut für Technische Optik in der Gruppe der 3D-Oberflächenmesstechnik.

Prof. Dr. Wolfgang Osten

Prof. Dr. Wolfgang Osten war Direktor des Instituts für Technische Optik (ITO) der Universität Stuttgart. Hauptarbeitsgebiete: kohärente Optik, optische Messtechnik, digitale Bildverarbeitung, optische Sensorik für Produktionsautomatisierung, 3D-Oberflächenmesstechnik sowie kombinative optische Messverfahren. Professor Dr. Wolfgang Osten befindet sich seit 01.10.2018 im Ruhestand.


Received: 2019-02-20

Accepted: 2019-02-21

Published Online: 2019-03-09

Published in Print: 2019-05-26


Funding Source: Bundesministerium für Bildung und Forschung

Award identifier / Grant number: 13N13565

Wir danken dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) für die finanzielle Unterstützung des Projektes IRIS (Förderkennzeichen: 13N13565).


Citation Information: tm - Technisches Messen, Volume 86, Issue 6, Pages 309–318, ISSN (Online) 2196-7113, ISSN (Print) 0171-8096, DOI: https://doi.org/10.1515/teme-2019-0018.

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