Mikrosysteme im richtigen Licht betrachtet

Die Entwicklung und Produktion von Mikrosystemen ist auf eine präzise, zuverlässige und schnelle Messtechnik für die Charakterisierung und Qualitätsüberwachung der Bauelemente angewiesen. Mikrosensoren übernehmen in zunehmendem Maße sicherheitsrelevante Aufgaben, an die hinsichtlich Zuverlässigkeit und Funktionssicherheit hohe Anforderungen gestellt werden. Ein robustes Design und eine hohe Fertigungspräzision spielen dabei eine Schlüsselrolle. Für aktive Mikrobauelemente wie Aktuatoren oder Sensoren werden deshalb geeignete optische Messverfahren benötigt, einerseits, um die Oberflächentopografie mit einer hohen Auflösung zu bestimmen, und andererseits, um das dynamische Bewegungsverhalten präzise zu charakterisieren. Hierzu kommen bevorzugt Laser-Doppler-Vibrometer zum Einsatz, die sich unter anderem durch eine große Frequenzbandbreite und hohe Auflösung der Bewegungsamplitude auszeichnen. Selbst Schwingungsmessungen im hohen MHz- und bis in den GHz-Bereich hinein, wie sie für eine wachsende Anzahl von mikrotechnischen Anwendungen erforderlich sind, werden durch diese Messtechnik ermöglicht. Auch passive Komponenten wie mikrostrukturierte Funktionsoberflächen fordern immer kleinere Toleranzen. Berührungslose und schnelle Messverfahren sind hier besonders für statische Topografiemessungen unverzichtbar. Im Allgemeinen müssen dabei komplette und zum Teil auch größere Flächen mit kurzen Taktzeiten charakterisiert werden – eine besondere Herausforderung, die deutlich über die Aufnahme punktueller Messwerte hinausgeht. Bei hohen Anforderungen an die Auflösung haben sich für die Bestimmung von Flächentopografien interferometrische Methoden bewährt.

MEMS vollständig charakterisieren

Viele MEMS-Bauteile sind beweglich. Bewegungen aus der Bauelementebene heraus, sogenannte ›Outof-Plane‹-Bewegungen (OOP) sind charakteristisch beispielsweise für Drucksensoren oder elektrostatische Aktuatoren, wie sie in optischen Schaltern oder Mikrospiegelarrays Anwendung finden. Andere MEMS haben dagegen ihre bevorzugte Bewegungsrichtung in der Bauteilebene, also ›In-Plane‹ (IP). Typische Vertreter sind elektrostatische Kammantriebe sowie Schock- und Beschleunigungssensoren. Schließlich sind noch MEMS zu nennen, deren funktionale Bewegungen sich in allen drei Raumrichtungen abspielen, zum Beispiel gyroskopische Drehratensensoren. Out-of-Plane-Bewegungen werden bevorzugt mit dem Verfahren der Laservibrometrie charakterisiert. Laser-Doppler-Vibrometer messen das von vibrierenden Strukturen zurückgestreute Laserlicht und bestimmen berührungslos die Schwinggeschwindigkeit und den Schwingweg aus Frequenz und Phase des Streulichts. Spezielle Mikroskop-Optiken lassen den Messpunkt auf weniger als 1 μm schrumpfen und erlauben in Verbindung mit integrierten Piezo-Scannern die Schwingungsmessung an kompletten, mikroskopischen Oberflächen (Betriebsschwingformanalyse). In-Plane-Bewegungen lassen sich dagegen sehr gut mit Methoden der Bildverarbeitung wie der stroboskopischen Videomikroskopie erkennen. Bei In-Plane-Messungen werden die hochfrequenten Schwingungen mithilfe extrem kurzer Lichtblitze visuell ›eingefroren‹ und durch Standardkameratechnik erfasst. Die Kombination beider Messverfahren bildet ein umfassendes System für die Charakterisierung beliebiger Bewegungen der Bauelemente, mit der sich die mechanischen Resonanzen von Strukturen, die sich in allen drei Raumrichtungen bewegen, schnell finden und identifizieren lassen. Im Produktionsprozess von MEMS werden frühzeitige Tests auf Wafer-Level schon vor dem Vereinzeln der Chips angestrebt, um die Herstellkosten bei gleichzeitig hoher Ausbeute und Qualität niedrig zu halten. Dies wird durch das Zusammenspiel der optischen Messtechnik mit automatisierten MEMS-Probestationen möglich (Bild 1).

Bewegungen im GHz-Bereich messen

Während viele MEMS im niedrigen MHz-Bereich arbeiten und mit klassischen Laser-Doppler-Vibrometern hervorragend vermessen werden können, finden auch ultrahochfrequente Mikrosysteme mit Schwingfrequenzen bis in den GHz-Bereich verstärkt Einsatz in technischen Anwendungen. Im ›UHF-120‹-Ultrahochfrequenz-Vibrometer wurde bei Polytec ein neues, innovatives Konzept umgesetzt, mit dem seit Kurzem Schwingungen bis 1,2 GHz mit Schwingungsamplituden im pm-Bereich vollflächig vermessen werden können (Bild 2). Die Vorteile bei der Entwicklung von hochfrequenten Mikrosystemen liegen auf der Hand: Das reale dynamische Verhalten eines Bauteils kann direkt beobachtet und mit Computermodellen abgeglichen werden. Für den hohen Kundennutzen wurde das innovative Produkt auf der Hannover Messe 2011 mit dem begehrten Industriepreis ausgezeichnet.

Optische Topografiemessung

Wenn neben den dynamischen mechanischen Eigenschaften eines Bauelements auch die statische Topografie für seine Funktion wesentlich ist, kommt als zusätzliches Messverfahren die Weißlicht-Interferometrie zum Einsatz, die bei Polytec in den selben optischen Grundaufbau integriert werden kann. Am Beispiel von MEMS-Bauteilen, die auf einem Chip elektronische und mechanische Funktionen vereinen, wird der Vorteil eines integrierten Messsystems für die statische und dynamische Charakterisierung besonders deutlich. Bei der Weißlicht-Interferometrie wird ein Lichtstrahl aufgeteilt und die zu bestimmende Oberfläche mit einer hochgenauen Referenzoberfläche verglichen (Bild 3). Ein Teil des Lichts fällt auf die Referenzfläche und wird von dort reflektiert, der andere Teil fällt auf die zu untersuchende Oberfläche und wird ebenfalls von dort reflektiert. Beide reflektierten Strahlen werden auf einem Kamerasensor überlagert. Aus den Interferenzsignalen der Kamerapixel wird beim Durchfahren des Interferometers die Topografie bestimmt. In der vertikalen Z-Richtung kann ein Weißlicht-Interferometer stufige und raue Oberflächenprofile  in Nanometer- oder Subnanometerauflösung bestimmen und ist so für Messungen an beliebigen Oberflächen und Topografien einsetzbar. Die laterale Auflösung ist durch die Beugungsbegrenzung bestimmt und unabhängig von der vertikalen Auflösung. Wie vom Mikroskop bekannt, ist die laterale Auflösung umso höher, je kleiner die Bildfeldfläche ist. Dementsprechend bieten sich für hohe laterale Auflösungen von wenigen Mikrometern Mikroskopsysteme an, bei denen das Interferometer in das Objektiv integriert ist. Derartige Systeme wie das ›TopMap μ.Lab‹ von Polytec haben sich bei Messungen von mikrostrukturierten Funktionsoberflächen sowie bei Mikrosensoren, -aktuatoren und anderen MEMS-Bauteilen bewährt (Bild 4).

Großflächige Topografiemessung

Großflächige optische Messungen sind trotz eines geringen lateralen Auflösungsvermögens dann sinnvoll, wenn schnell Ebenheiten, Welligkeiten, Form oder auch Parallelitäten von zwei Flächen bestimmt werden sollen, zum Beispiel in der linienintegrierten Qualitätskontrolle. Durch einen großen Arbeitsbereich und eine abschattungsfreie Optik können mit einem telezentrischen, großflächig messenden Weißlicht-Interferometer zum Beispiel zwei Flächen mit einem Höhenabstand von bis zu 70 mm zueinander untersucht werden. Dank des parallelen telezentrischen Strahlengangs lassen sich auch Flächen in tiefen Bohrungen einfach vermessen, die mit anderen Messverfahren kaum zugänglich sind. Aus dem kompletten 3D-Profil können die jeweils gewünschten Oberflächenparameter bestimmt werden. Das gemessene Oberflächenprofil kann auch mit vorhandenen CAD-Daten verglichen werden, um Abweichungen vom Soll-Profil mit wenigen Mausklicks festzustellen (Bild 5).

Topografische und dynamische Charakterisierung

Optische Messverfahren sind unverzichtbare Werkzeuge für die effiziente Entwicklung und fertigungsintegrierte Qualitätskontrolle von Mikrosystemen. Sie ermöglichen sowohl die schnelle und großflächige Bestimmung der Bauteiltopografie als auch eine präzise dynamische Charakterisierung. Innovative Messgeräte integrieren verschiedene optische Messverfahren in einem Messsystem, das es ermöglicht, Mikrosysteme ganzheitlich ›im richtigen Licht zu betrachten‹.

AUTOREN
Dipl.-Ing., MBE ELMAR UHLITZSCH ist
Produktmanager Vibrometer im Bereich
Strategisches Produktmarketing bei Polytec in Waldbronn;
e.uhlitzsch@polytec.de

Dr. HEINRICH STEGER ist Leiter
Strategisches Produktmarketing im
Geschäftsbereich Optische Messsysteme
im selben Unternehmen;
h.steger@polytec.de

HERSTELLER
Polytec GmbH
76337 Waldbronn
Tel. +49 7243 604-0
Fax +49 7243 69944
www.polytec.de/microsystems