-
Die
Erfindung betrifft eine Testeinrichtung für mikromechanische Bauelemente
nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
-
Mikromechanische
Bauelemente werden zunehmend als Sensoren, zum Beispiel Druck- und
Beschleunigungssensoren, Detektoren für Drehrate, Vibration und Neigung
und als Mikroaktoren, beispielsweise Laserscanner benötigt und
eingesetzt. Die spezifische Herstellungstechnologie auf der Grundlage
von Halbleiterprozessen, bei der bis zu mehr als 1.000 dieser Bauelemente
als Chips im Waferverband zeitlich parallel entstehen, ist die Grundlage
für eine
rationelle Fertigung. Test und Packaging der Sensor- oder Aktorchips
verursachen in den meisten Fällen
bis zu 60% der Gesamtkosten der fertigen Bauteile. Es ist deshalb
wichtig, nur Chips dem Packaging zuzuführen, deren Parameter der jeweiligen Spezifikation
entsprechen. Dazu ist eine effektive und sichere Testtechnologie
erforderlich. Im Gegensatz zum Test von elektronischen Bauelementen werden
beim Test von mikromechanischen Chips zusätzlich zu elektrischen Parametern
auch mechanische Funktionsparameter, Geometrie, Werkstoffparameter
und Oberflächeneigenschaften
geprüft.
-
Forschung
und Entwicklung im Zusammenhang mit mikromechanischen Bauelementen
erfordern die messtechnische Charakterisierung der Bauelemente auf
mehreren Entwicklungsetappen. Die bei der Vorausberechnung des Verhaltens
während der
Designphase eingesetzten Modelle bedürfen in der Regel einer messtechnischen
Validierung an fertigen Bauelemente, um betroffene Modellannahmen zu
begründen
oder eine Korrektur der Modelle zu ermöglichen. Dazu sind in der Regel
Geometrie- und Werkstoffparameter und Funktionsparameter der mikromechanischen
Bauelemente messtechnisch zu ermitteln. Die Prüfung der Herstellungstechnologie anhand
der entstandenen Geometrie mechanischer Komponenten der mikromechanischen
Bauelemente, wie zum Beispiel Membrandicken von Drucksensoren oder
Federbreiten bei Beschleunigungssensoren, gestattet Rückschlüsse auf
Parameter bei der Herstellung, zum Beispiel der ätztechnischen Strukturierung.
Die Prüfung
der applikationsrelevanten Eigenschaften der entwickelten Bauelemente
gestattet letztendlich Entscheidungen über den Erfolg der Entwicklung.
Aus diesen Gründen
besteht gegenwärtig ein
breites Spektrum von hochwertigen kommerziell angebotenen Messgeräten zum
Test von nahezu allen wichtigen Parametern an mikromechanischen Bauelementen,
die für
den Einsatz im Forschungs- und Entwicklungslabor bestimmt sind.
Darüber
hinaus wird in der Fachliteratur in Verbindung mit der Vorstellung
neuartiger Sensoren oder Aktoren über zahlreiche sehr spezifische
Messtechniken berichtet, die als typische Laboraufbauten zur Charakterisierung
der jeweiligen Bauelemente eingesetzt wurden. Diese Geräte und Einrichtungen
sind jedoch nur bedingt für
den Einsatz beim Test in einer Serienfertigung geeignet.
-
Beim
Test der mechanischen Funktion spielt ein Verfahren mit mechanischer
Anregung der beweglichen Komponenten mikromechanischer Bauelemente
bei gleichzeitiger Beobachtung, beispielsweise optischer Art, deren
mechanische Auslenkung oder der Schwinggeschwindigkeit eine dominierende Rolle.
Enthalten die zu untersuchenden Bauelemente bereits Wandler zur
elektrischen Detektion der mechanischen Reaktion, wie beispielsweise
Piezowiderstände
oder Kondensatoranordnungen als Plattenpaare oder ineinandergreifende
Kämme,
werden diese zur Detektion der Bewegung durch elektrische Messungen
genutzt, wobei eine Separation der Wandlereigenschaften vom Messergebnis
unter Umständen
nicht ausreichend möglich
ist. Zur direkten Beobachtung der mechanischen Auslenkung werden alternativ
laseroptische Fokusmessverfahren, Interferometer und seltener Triangulationsverfahren
eingesetzt. Die Nutzung von Laser-Doppler-Vibrometern zur Schwingungsmessung
ist weit verbreitet, da dieses Verfahren wenig sensitiv bezüglich Einkopplung
von Störungen
ist. Die genannte Technik ist gut geeignet, in manuelle oder automatische
Waferprober integriert zu werden. Wenn die zu testenden Bauelemente
bereits interne Wandler zur Krafterzeugung enthalten, wie beispielsweise
kapazitive oder piezoelektrische Wandler, erfolgt die mechanische
Anregung oft durch Anlegen geeigneter Spannungssignale über Probe-Tipps
der Waferprober. Alle mikromechanischen Bauelemente, die einen optischen
Zugang zu deren beweglichen Komponen ten besitzen, zum Beispiel Laserscanner,
wie in
US 6 633 426
B2 beschrieben, sind bei interner Anregung extern mittels
Schwingungsmesstechnik beobachtbar.
-
Oft
werden jedoch Bauelemente getestet, die generell keine krafterzeugenden
internen Wandler enthalten, wie beispielsweise piezoresistive Sensoren
oder es sollen Wafer gestestet werden, deren Herstellungsprozess
noch nicht bis zur Fertigstellung der Wandler fortgeschritten ist.
Das ist beispielsweise bei zahlreichen Ausführungsformen von kapazitiven Beschleunigungssensoren
oder elektrostatischen Aktoren, die durch Bulkmikromechanik-Technologie und
Waferbonden gefertigt werden, der Fall. Die Anregungskraft muss
extern eingebracht werden. Gegenwärtig werden dabei Beschleunigungskräfte durch
Vibrationen der Waferauflage der Prober, durch den hydrostatischen
Druck eines Luftstrahls einer Düse,
die unmittelbar über
dem jeweilig zu testenden Chip angeordnet wird, durch Erwärmung (
DE 199 09 777 C2 ),
durch unmittelbare Berührung
(
DE 197 03 271 A1 )
oder durch akustische Wellen eingesetzt. Zahlreiche andere Möglichkeiten,
zum Beispiel durch lokale Erwärmung
mittels Laser oder Wirbelströme
eines magnetischen Wechselfeldes, sind möglich.
-
Die
genannten Verfahren zur mechanischen Anregung zeigen jeweils starke
Beschränkungen
hinsichtlich des Frequenzbereichs. Eine über die Oberfläche nahezu
konstante Beschleunigung ist im Falle von vibrierenden Waferauflagen,
die beispielsweise piezoelektrisch oder elektrodynamische Wandler
angetrieben werden, besonders bei Frequenzen größer als 10 kHz aufgrund der
Masseträgheit
und der nicht perfekten Steifigkeit der Waferauflage technisch schwierig
zu erreichen. Eine statische Anregung ist damit ebenfalls nicht möglich. Das
Verfahren mit Nutzung des Luftstrahls einer Düse bietet die Möglichkeit einer
statischen Anregung, wobei jedoch bei Frequenzen größer als
10 Hz nur wenig Signalintensität zu
erwarten ist. Akustisch anregende Systeme sind im Frequenzbereich
oft auf den Hörfrequenzbereich beschränkt.
-
Aufgrund
der Signale aus der Beobachtung der mechanischen Auslenkung und
der Anregung werden durch Verfahren der Signalanalyse Frequenzgänge gewonnen.
Aus der Amplitude bei sehr niedrigen Frequenzen weit unterhalb der
ersten Resonanzfrequenz kann auf die statischen Eigenschaften geschlossen
werden. Die Resonanzfrequenzen und Dämpfungen geben Aufschluss über die
dynamischen Eigenschaften, wie beispielsweise die Empfindlichkeit
von Beschleunigungssensoren, die Arbeitsfrequenz von Laserscannern
oder Drehratesensoren. Weiterhin ist durch numerische Auswertung der
Resonanzfrequenzen und geeignete Simulation durch theoretische Modellierung
die Möglichkeit
gegeben, Rückschlüsse auf
geometrische Parameter der mechanischen Komponenten oder Materialeigenschaften
zu ziehen. Dazu müssen
mindestens so viele Resonanzfrequenzen messtechnisch ermittelt werden,
wie Parameter gesucht sind. Mechanische Resonanzfrequenzen bis in
einen Bereich zwischen 50 kHz und teilweise mehr als 1 MHz müssen dabei erfasst
werden. Das erfordert hinsichtlich mechanischer Anregung eine Frequenzbandbreite
von bis zu mehr als 1 MHz. Die oben beschriebenen Verfahren sind
dazu nicht geeignet.
-
Die
Druckschriften
US 6567715
B1 und
US 6633426
B2 beschreiben jeweils eine Anordnung zur elektrostatischen
Anregung zum Test von mikromechanischen Bauteilen, wobei die Elektrode
zur Erzeugung des Feldes ein Bestandteil des zu testenden Bauteils
ist. Das schränkt
die Anwendbarkeit dieser Lösung
ein und schließt
Bauteile und Wafer mit Halbfabrikaten von einem Tests aus, bei denen
eine solche zusätzliche
Elektrode nicht oder noch nicht vorhanden ist.
-
Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Testeinrichtung
für mikromechanische Bauelemente
zu schaffen, mit der eine externe mechanische Anregung mechanisch
beweglicher Komponenten mikromechanischer Bauelemente mit großer Frequenzbandbreite,
vorzugsweise zwischen 0 Hz und 1 MHz erzielt wird, wobei die Eigenschaften der
zu testenden Bauelemente durch die Anregung nicht oder vernachlässigbar
wenig beeinflusst werden sollen und wobei ein Test auch für große Stückzahlen
möglich
sein soll.
-
Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs in Verbindung mit den
Merkmalen des Oberbegriffs gelöst.
-
Durch
die in den Unteransprüchen
angegebenen Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen möglich.
-
Dadurch,
dass die Testeinrichtung Mittel zur Erzeugung eines elektrostatischen
Feldes aufweist, dem das bewegliche Teil des mikromechanischen Bauelementes
ausgesetzt ist, d. h., das sich in den Bereich des mechanisch beweglichen
Teils des zu testenden Bauelementes ausbreitet, wird jeweils eine elektrostatische
Kraft F verursacht, die das bewegliche Teil auslenkt bzw. bei Aufbringen
eines in seiner Stärke
wechselnden elektrostatischen Feldes in Schwingung versetzt.
-
Die
Testeinrichtung ermöglicht
somit die direkte mechanische Anregung von beweglichen Teilen oder
Kompo nenten mikromechanischer Bauelemente, ohne dass ein darin befindlicher
interner Wandler benötigt
wird. Die Anregung erfolgt gezielt, so dass beispielsweise bei einem
Wafer-Level-Test, bei dem eine Vielzahl von mikromechanischen Bauelementen
auf einem Wafer angeordnet sind, nur die beweglichen Komponenten
des jeweilig getesteten Chips angeregt wird. Dabei befindet sich
der Wafer bzw. das zu testende Chip in Ruhe und unterliegt keiner
Vibration, so dass bei einer möglicherweise gleichzeitigen
elektrischen Kontaktierung des Chips keine Reibung zwischen den
Probetipps und den Kontaktflächen
des Chips auftreten, die diese beschädigen könnten.
-
Die
Mittel zur Erzeugung eines vorteilhafterweise in seiner Stärke wechselnden
elektrostatischen Feldes weisen eine oder mehrere auf ein Elektrodensubstrat
aufgebrachte Elektroden auf, die in einen vorgegebenen Abstand zu
dem beweglichen Teil angeordnet sind, wobei zwischen einer Elektrode und
dem mikromechanischen Bauteil bzw. zwischen zwei Elektroden oder
jeweils mehreren Elektroden eine Anregungsspannung zu Erzeugung
elektrostatischen Feldes und damit der Auslenkung bzw. der Schwingungen
des beweglichen Teils angelegt ist. Die gezielte Anordnung der mindestens
einen Elektrode in Bezug auf das bewegliche Teil des mikromechanischen
Bauelementes gestattet in besonders fokussierter Weise die Aufbringung
des elektrischen Feldes, so dass der Test eines gewünschten
Bauelementes, selbst wenn dieses im Waferverband ist, möglich ist.
-
Bei
Einsatz mehrerer Elektroden, zwischen denen die Anregungsspannung
angelegt wird, spielt die elektrische Leitfähigkeit des Materials, aus
dem das bewegliche Teil des mikromechanischen Bauelementes be steht,
eine untergeordnete Rolle. Metallische Leiter, Halbleiter und Isolatoren
mit einer Dielektrizitätszahl εrel > 1 vergrößern bei
entsprechender mechanischer Bewegung die Kapazität zwischen den Elektroden und
folglich entsteht eine elektrostatisch verursachte Kraft F.
-
Vorteilhaft
ist, dass abhängig
von der Gestaltung der Elektroden und von der angelegten Anregungsspannung
das mikromechanische Bauteil mit einer Vielzahl von Schwingmoden
mit ausreichend großer
Kraft beaufschlagt werden kann.
-
Die
mechanische Anregung mit großer
Frequenzbandbreite kann in einfacher Weise durch Aufbringen der
Anregungsspannung mit einer Frequenz oder einem Frequenzbereich
beispielsweise im Bereich zwischen 0 MHz und 1 MHz durchgeführt werden.
-
In
einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel
sind die eine oder mehreren Elektroden aus einem optischen transparenten
Material hergestellt und auf einem transparenten Elektrodensubstrat
angeordnet. Auf dieser Weise kann die Schwingungsanregung optisch
beobachtet werden, beispielsweise durch einen Laser-Doppler-Vibrometer, oder
ein Mikroskop.
-
Ein
vorteilhaftes Ausführungsbeispiel
sieht vor, dass die Anregungsspannung als breitbandige Wechselspannung
mit überlagerter
Gleichspannung ausgebildet ist, wobei die Gleichspannung größer als die
Amplitude der Wechselspannung ist. Dadurch kann die Beziehung zwischen
Anregungsspannung und elektrostatischer Kraft weitgehend linearisiert werden.
-
Besonders
vorteilhaft ist, dass die Elektrode bzw. das Elektrodensystem in
einem Wafer-Prober integriert ist, wobei es anstelle eines Probe-Tip
flexibel positionierbar angebracht wird oder Bestandteil einer Probe-Card
ist. Ein Probe-Card-Adapter und Aufnahmeplatten bilden dabei gleichzeitig
eine in ihrer Höhe
verstellbare Haltevorrichtung für
das Elektrodensystem.
-
Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert. Es
zeigen:
-
1 eine
schematische Darstellung eines Teils der Testvorrichtung nach der
Erfindung,
-
2 eine
Aufsicht auf eine Elektrodenstruktur nach einer möglichen
Ausführungsform
und
-
3 eine
schematische Darstellung der Testeinrichtung als Bestandteil eines
Waferprobers.
-
Die
in 1 dargestellte Anordnung zur elektrostatischen
Anregung, die Bestandteil der erfindungsgemäßen Testeinrichtung ist, weist
eine auf ein Substrat 12, vorzugsweise aus einem optische
transparenten Material, wie Glas, aufgebrachte erste Elektrode 1 und
eine ebenfalls auf das Substrat aufgebrachte zweite Elektrode 2 auf,
die mit Abstand zu einem mikromechanischen Bauteil 3 angeordnet
sind. Die Elektroden 1 und 2 können beispielsweise wie in 2 ausgebildet
sein, d. h., die erste Elektrode 1 ist kreisförmig oder
punktförmig
und mit einem Leiterbahnabschnitt für den Anschluss an einer Spannungsversorgung
verbunden und die zweite Elektrode 2 umgibt ringförmig die
erste Elektrode 1 und weist gleichfalls einen Leiterbahnabschnitt
für den Spannungsanschluss
auf. Beide Elektroden sind auf das Substrat 12 aufgebracht.
-
Das
mikromechanische Bauteil 3 ist im vorliegenden Fall Bestandteil
eines Wafers 14, das eine Vielzahl von mikromechanischen
Bauteilen im Waferverband umfasst. Das Wafer befindet sich auf einer Waferauflage 15 und
ist dort durch Blue Foil, Vakuumansaugung oder durch die Schwerkraft
fixiert. Im vorliegenden Fall ist die Waferauflage 15 mit
Ausnehmungen 16 versehen, die unterhalb des beweglichen Teils
bzw. Komponente 6 des mikromechanischen Bauelementes 3 angeordnet
ist.
-
Das
aus der ersten inneren Elektrode 1 und dem äußeren Elektrodenring
als zweite Elektrode 2 bestehende Elektrodensystem 9 ist
in geringem Abstand zu der anzuregenden mechanisch beweglichen Komponente 6 des
mikromechanischen Bauelementes 3 platziert und wird an
eine hier nicht näher dargestellte
Spannungsversorgung angeschlossen, die eine Anregungsspannung liefert.
Diese Anregungsspannung weist eine Frequenzbandbreite etwa zwischen
0 Hz bis 1 MHz auf, wobei höhere
Frequenzen nicht ausgeschlossen sind, und ist in diesem Bereich
einstellbar. Durch Anlegen der elektrischen Spannung zwischen der
Elektrode 1 und dem mikromechanischen Bauelement 3 bzw.
zwischen den Elektroden 1 und 2, wenn mehrere
zum Einsatz kommen, entsteht ein elektrostatisches Feld wechselnder Stärke, das
hier mit 5 bezeichnet ist und sich in den Bereich der mechanisch
beweglichen Komponente 6 des zu testenden Bauelementes
ausbreitet. Dieses Feld verursacht eine elektrostatische Kraft F,
die durch den Pfeil 7 bezeichnet ist und so gerichtet ist, dass
sich die Kapazität
zwischen der ersten Elektrode 1 und dem mechanisch beweglichen
Teil 6 bzw. die Kapazität
zwischen den Elektroden 1 und 2 durch eine von
dieser Kraft F 7 verursachten Bewegung vergrößert.
-
Für den Testvorgang
werden Verfahren angewandt, bei denen die Frequenz durchgestimmt wird
(Sweep-Verfahren), aber auch Verfahren, bei denen mit einem zeitlich
konstanten Frequenzgemisch gearbeitet wird (z. B. random noise).
Für die Auswertung
der erfassten Schwingungen wird beispielsweise eine Spektral- Analyse verwendet.
-
Wie
weiter unten beschrieben wird, wird die Auslenkung bzw. Schwingung
des beweglichen Teils 6 optisch beobachtet, wobei, wie
schon erwähnt,
die Elektrode 1 bzw. das Elektrodensystem 9 aus
einem optisch transparenten Material, wie beispielsweise Indium-Zinn-Oxid (ITO) auf transparentem
Elektrodensubstrat 12 hergestellt ist. In einer anderen
Ausführungsform
ist es jedoch auch möglich,
dass Elektrode 1 oder das Elektrodensystem 9 nur
einen Teil der mechanisch beweglichen Komponente 6 des
mikromechanischen Teils überdecken,
so dass der nicht überdeckte
Teil optisch zugänglich
ist.
-
In 3 ist
schematisch eine Testeinrichtung dargestellt, die Bestandteil eines
Waferprobers 4 ist. Dabei kann die Elektrode 1 bzw.
das Elektrodensystem 9 anstelle eines Probe-Tips vorgesehen sein
oder Bestandteil einer Probe-Card 11 sein.
-
Die
Probe-Card 11 bildet zusammen mit dem Elektrodensubstrat 12 und
dem Elektrodensystem 9 einen Elektrodenkopf 19,
wobei das Elektrodensystem 9 an dessen Unterseite so befestigt
ist, dass das Elektrodensubstrat 12 mechanisch stabil gehaltert wird
und mechanische Schwingungen des Elektrodensubstrats 12 weitgehend
unterdrückt
werden. Der Elektrodenkopf 19 wird über einen Probe-Card-Adapter 18 und
damit verbundenen Aufnahmeplatten 17 gehalten. Die Aufnahmeplatten 17 und
damit der Probe-Card-Adapter 18 und der Elektrodenkopf 19 sind
in Bezug auf das mikromechanische Bauelement 3 einstellbar,
wobei beispielsweise im Elektrodenkopf 19 eine laseroptische
Abstandsdetektion auf Basis der Triangulationsmesstechnik integriert
sein kann. Der Abstand zwischen dem Elektrodensystem 9 und
dem Bauelement 3 wird beispielsweise auf 100 μm eingestellt.
-
Zur
Beobachtung der Auslenkung bzw. der Schwingung des mikromechanischen
Bauteils 3 ist im Waferprober 4 ein nicht dargestelltes
Mikroskop integriert und ein Laser-Doppler-Interferometer 13 vorgesehen.
Das Elektrodensystem 9 ist mit einem Verstärker 8 über eine
Zuleitung 10 zur Beaufschlagung der Elektroden 1 und 2 mit
elektrischen Ansteuersignalen verbunden.
-
Zum
Testen wird durch das im Waferprober 4 integrierte Mikroskop
und das Laser-Doppler-Interferometer 13 dessen Lage in
Bezug auf das mikromechanische Bauelement 3 justiert, wobei
die Fläche des
mikromechanischen Bauelementes 3 unterhalb des Elektrodensystems 9 aufgrund
der Ausführung des
Elektrodensubstrats 12 aus Glas und der Elektroden 1 und 2 aus
ITO optisch zugänglich
ist. Zwischen den Elektroden 1 und 2 des Elektrodensystems 9 und zwischen
dem Elektrodensystem 9 und dem mikromechanischen Bauelement 3 bildet
sich bei Anlegen des elektrischen Ansteuersignals das elektrostatische
Feld 5, das zu der elektrostatischen Kraft F 7 auf
die bewegliche Komponente 6 des mikromechanischen Bauteils 3 führt. Die
dadurch ausgelösten Schwingungen
der beweglichen Komponente 6 werden durch das Interferometer 13 detektiert
und anschließend über beispielsweise
eine Fourieranalyse ausgewertet.
-
Da
eine direkte mechanischen Anregung der mechanisch beweglichen Komponente 6 erfolgt
und die Kraft F 7 gleichzeitig mit dem elektrostatischen Feld 5 wirkt,
wird die Frequenzbandbreite der Erregung hauptsächlich durch den Verstärker 8,
dessen Innenwiderstand und der elektrischen Kapazität des Elektrodensystems 9 bzw.
deren Zuleitung 10 bestimmt. Die Anregungsspannung, die
von dem Verstärker 8 aufgebracht
wird, beträgt
je nach Abstand zwischen Elektrodensystem 9 und mikromechanischen
Bauteil 3 bis zu mehreren 100 Volt. Um die Kapazität der Zuleitung 10 so
gering wie möglich
zu halten, wird der Verstärker 8 räumlich nahe
dem Elektrodensystem 9 angeordnet. Zur Linearisierung der
Beziehung zwischen Anregungsspannung und elektrostatischer Kraft 7 – die elektrostatische
Kraft ist proportional zum Quadrat der Spannungsdifferenz – und zur
Verringerung des Einflusses der Oberwellen ist es erforderlich,
der verwendeten, oft breitbandigen Wechselspannung eine Gleichspannung
zu überlagern,
die die Amplitude der Wechselspannung übersteigt.
-
Üblicherweise
wird für
einen Festvorgang die Anregung der beweglichen Komponente des mikromechanischen
Bauelementes 3 über
ein in seiner Stärke
wechselndes elektrostatisches Feld durchgeführt.
-
Es
kann aber auch die statische Reaktion, d. h. die statische Auslenkung
mit einer Anregung von 0 Hz getestet werden. Dabei müssen teilweise
längere Messzeiten
in Kauf genommen werden, da die statische Reaktion oft viel weniger
stark und somit vom Rauschen und anderen Störungen überdeckt ist. Sie kann aber
auch beispielsweise bei Integration eines Weißlichtinterferometers in ein
Laser-Doppler-Vibrometer detektiert werden.