Charakterisierung Mikrosysteme

Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM

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Mit Hilfe von speziellen Prüftechniken, Simulationen des Einsatzverhaltens und mikrostrukturellen Analyseverfahren charakterisieren wir das Einsatzverhalten von Sensoren und Aktuatoren der Mikrosystemtechnik. Im Mittelpunkt stehen dabei mikromechanische Sensoren der Siliziumtechnologie (MEMS) sowie Gassensoren. Für prozessierte MEMS-Komponenten, Wafer und Chips und die zum Aufbau von komplexen Systemen eingesetzten Waferbondverfahren bewerten und modellieren wir Festigkeits- und Lebensdauereigenschaften. Zudem analysieren wir Ausfallursachen und entwickeln geeignete Prüfverfahren.

Leistungen

  • Experimentelle Bestimmung, bruchmechanische Bewertung und theoretische Beschreibung von Verformungs-, Festigkeits- und Lebensdauereigenschaften von Sensoren und Aktuatoren der Silizium-Mikromechanik auf Halbleiterebene
  • Messung und Parameteridentifikation an Si-Mikrosystemen für Entwicklung und Qualitätssicherung auf Waferlevel, Prüftechnikentwicklung und Fehleranalyse
  • Bewertung von Verbindungsqualität, Festigkeits- und Zuverlässigkeitseigenschaften von Waferbondtechnologien
  • Bewertung der Festigkeitseigenschaften dünner Halbleiterchips und Wafer in Korrelation zur Prozesschrittqualität und Einsatzverhalten
  • Ortsaufgelöste Eigenspannungsanalyse, Bewertung der Relaxation von strained Si-Komponenten
  • Fehleranalyse von Chipbrüchen in verkapselten Bauelementen durch Belastungen im Einsatz
  • Auslegungsunterstützung für IR-Sensoren der Gasanalytik
  • Mechanische Prüfung und Lebensdaueranalyse von belasteten Mikrobauteilen der Ultrapräzisionsfertigung, z.B. Mikrowerkzeugen, sowie mikro- und nanoskopischer Komponenten

Themen

Festigkeit, Lebensdauer und Qualität von Silizium-MEMS

Festigkeit, Lebensdauer und Qualität von Silizium-MEMS

Mikromechanische Si-Sensoren,  wie Druck-, Drehraten, Beschleunigungs- oder Durchflussmassensensoren sorgen im Automobil für die Insassensicherheit, unterstützen die Steuerung des Fahrverhaltens und tragen zu einem effizienten Motormanagement bei. Um die Festigkeits- und Lebensdauereigenschaften bei einsatzbedingten statischen und dynamischen Beanspruchungen abzusichern, werden miniaturisierte Prüfverfahren an einkristallinen Si-MEMS-Komponenten, wie Membranen, Mikrodüsen und Federaufhängungen, sowie an polykristallinen Balkenstrukturen der Oberflächenmikromechanik durchgeführt.  Die Ergebnisse können mit Resultaten von Finite Elemente-Modellierungen in Verbindung mit bruchmechanischen und festigkeitsstatistischen Versagenskriterien für die Vorhersage des Einsatzverhaltens verglichen werden. Zur Bewertung der MEMS-Fertigungsqualität auf Waferlevel stehen Parametertests mittels elektrostatischer mechanischer Schwingungsanregung und modaler optischer Verformungsanalyse in Verbindung mit FE-Modellen zur Verfügung. Die erhaltenen Ergebnisse werden mit Prozessparametern (Strukturierung, Qualität der Ätzschritte, Oberflächenschichten, Geometrieschwankungen) und der davon beeinflussten Mikrostruktur korreliert. Zusätzliche spezielle Prüfungen auf Bauelementelevel (z.B. Falltests, Innendruck) ermöglichen Aussagen zur erreichten Robustheit aufgebauter Sensoren unter simulierten Einsatzbedingungen.

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Bewertung von Waferbondverfahren

Bewertung von Waferbondverfahren

Ultraschallmikroskopie in Zusammenarbeit mit Geräteherstellern weiter entwickelt.Waferbondtechniken werden als Fügeverfahren sowohl für den Aufbau von Sensoren und Aktuatoren der Mikrosystemtechnik wie auch in der mikroelektronischen Systemintegration (System in Package) eingesetzt. Die Bewertung der Verbindungsqualität und -zuverlässigkeit in Korrelation zu Prozessbedingungen, die Charakterisierung  der Festigkeitseigenschaften  und die Modellierung der Lebensdauer wafergebondeter Bauelemente stellt einen Schwerpunkt in der Arbeit des Leistungsbereiches dar. Erfahrungen liegen dabei vor Direktbondverfahren bei unterschiedlichen Vorbehandlungen, für anodische Bondverfahren, sowie für die hermetische Verkapselung von MEMS mittels Glas Fritt- (Seal glass-) Bonden. Aktuelle Untersuchungen umfassen darüber hinaus leitfähige metallische Chip- und Waferkontaktierungen durch eutektisches Bonden sowie durch reaktive Nanoschichtsysteme. Für diese Technologien werden auch die zur Qualitätsbewertung benötigten mechanischen Prüfverfahren (beispielsweise Mikro-Chevron-Test) und zerstörungsfreien Analyseverfahren  (wie Ultraschallmikroskopie) in Zusammenarbeit mit Geräteherstellern weiter entwickelt.

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Thermische und thermomechanische Auslegung von IR-Gassensoren

Thermische und thermomechanische Auslegung von IR-Gassensoren

Für die Analyse der Zusammensetzung von Gasen und Flüssigkeiten können Messverfahren auf Grundlage der IR-Absorptionsspektroskopie eingesetzt werden. Auf Basis der Si-Technologie lassen sich die dafür benötigten modulierbaren IR-Emitter direkt in ein kompaktes Mikrosystems integrieren. Die in Folge der benötigten hohen Emittertemperaturen von über 700 °C erfordern jedoch eine sorgfältig abgestimmte Auslegung, um  eine effiziente und zuverlässige Funktion zu gewährleisten. Mit Hilfe von Finite Elemente-Simulationen wird das thermische Verhalten sowie die auftretenden thermomechanischen Beanspruchungen der Emitter bewertet. In Zusammenarbeit mit dem Systementwickler können daraus Vorschläge für ein optimiertes Design hinsichtlich Funktionalität und Zuverlässigkeit abgeleitet werden. Zusätzlich werden mikrostrukturelle Diagnostikverfahren eingesetzt, um die Entwicklung geeigneter Prozessschritte für ein zuverlässiges langzeitstabiles Einsatzverhalten des Leitbahnsystems zu unterstützen.

Simulation und Auslegung eines Infrarot-Strahler auf Basis der Silizium-Mikrosystemtechnik. (PDF)

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Festigkeit, Prozessqualität und Einsatzverhalten dünner Halbleiterkomponenten

Festigkeit, Prozessqualität und Einsatzverhalten dünner Halbleiterkomponenten

Für integrierte Sensoren, für die vertikale Multichip-Systemintegration in der Mikroelektronik oder für Anwendungen mit eingebetteten RFID-ICs werden Halbleiter-Chips mit Dicken in der Größenordnung von 100 µm und darunter eingesetzt. Im Leistungsbereich werden die Festigkeitseigenschaften dünner Wafer und Chips unter Berücksichtigung der nichtlinearen Verformungseigenschaften und des Einflusses der  Herstellungstechnologie experimentell bewertet und theoretisch modelliert. Dadurch kann die Prozessschrittqualität beim Abdünnen, beim Oberflächenfinish und beim Vereinzeln  mit Hilfe einer qualifizierten Bruchspannungsanalyse, gegebenenfalls unterstützt durch mikrostrukturelle Analytik, zuverlässig und geometrieunabhängig bewertet werden. Die Ergebnisse ermöglichen es darüber hinaus,  das Bruchrisiko für Halbleiter in verkapselten Bauelementen als Folge der Einsatzbeanspruchungen zu beschreiben und damit bei der Entwicklung zu berücksichtigen.

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Hochortsaufgelöste Eigenspannungsanalyse

Hochortsaufgelöste Eigenspannungsanalyse

Mit Hilfe von Elektronenstrahlbeugungsverfahren (beispielsweise EBSD), der ortsaufgelösten Ramanspektroskopie sowie optischen Verformungsanalysen werden Eigenspannungszustände in Si-Komponenten experimentell erfasst und in Kopplung mit FE-Modellierungen und neu entwickelten  EBSD-Auswertealgorithmen bewertet. Neben der Festigkeitsanalyse und der Aufklärung von Defektbildungen in MEMS-Bauelementen steht dabei auch die Charakterisierung ultradünner verspannter Halbleiterschichten (strained Silicon) der CMOS-Technologie im Mittelpunkt, die für leistungsfähige Schaltkreise aktueller Technologiegenerationen eingesetzt werden.  Für diese Komponenten  wird der Spannungszustand durch Finite Elemente-Modelle beschrieben. Die Ergebnisse dienen der Validierung  experimenteller Eigenspannungsmessungen in Submikrometer-Dimensionen. Sie erlauben es darüber hinaus, die durch die erforderliche Nanostrukturierung technologiebedingt auftretenden Relaxationseffekte als Funktion von Geometrie und Prozess vorherzusagen.

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Informationen

Lehre:

Wintersemester 2008/2009: Einführung in die Mikrosystemtechnik - Prof. Dr. Matthias Petzold, Hochschule Merseburg

Sommersemester 2009: Auslegung und Zuverlässigkeit von Mikrosystemen - Prof. Dr. Matthias Petzold, Hochschule Merseburg

Publikationen

Gesamtliste der Publikationen seit 2008 (PDF)

  • Boettge, B.; Braeuer, J.; Wiemer, M.; Petzold, M.; Bagdahn, J.; Gessner, T., Fabrication and characterization of reactive nanoscale multilayer systems for low-temperature bonding in microsystem technology, Journal of Micromechanics and Microengineering 20/6 (2010) 8
  • Boettge, B.; Petzold, M.; Wiemer, M.; Bagdahn, J., Status of low temperature wafer bonding using reactive multilayer films, in Proc. of 2nd International IEEE Workshop on Low Temperature Bonding for 3D Integration; The University of Tokyo, Hongo, Japan (2010)
  • Korvink, J. Wollenstein, J.; Peter, C.; Kurzinger, A.; Naumann, F.; Ebert, M.; Lamprecht, F., Micromachined mid-infrared emitter for fast transient temperature operation for optical gas sensing systems, IEEE Sensors Journal 10 (2010) 353-362
  • Moutanabbir, O.; Reiche, M.; Hähnel, A.; Erfurth, W.; Motohashi, M.; Tarun, A.; Hayazawa, N.; Kawata, S.; Naumann, F.; Petzold, M., Strain stability in nanoscale patterned strained silicon-on-insulator, The Electrochemical Society 33/6 (2010) 511-522
  • Moutanabbir, O.; Reiche, M.; Hahnel, A.; Erfurth, W.; Motohashi, M.; Tarun, A.; Kawata, N. S.; Naumann, F.; Petzold, M.; Holt, M.; Maser, J., Strain stability in nanoscale patterned strained silicon-on-insulator, in Proc. of 218th Meeting of the Electrochemical Society Symposia; ESC, Pennington, New Jersey, USA (2010) 1-5
  • Naumann, F.; Moutanabbir, O.; Reiche, M.; Schriever, C.; Schilling, J.; Petzold, M., Numerical investigations of the strain behavior in nanoscale patterned strained silicon structures, in Proc. of 11th Int. Conf. on Thermal, Mechanical and Multiphysics Simulation and Experiments in Micro-Electronics and Micro-Systems, EuroSimE 2010; VDE Verlag GmbH, Berlin-Offenbach (2010) 1-5
  • Naumann, F.; Schriever, C.; Bohley, C.; Schilling, J.; Petzold, M.,Numerische Analyse der Spannungsrelaxation nanostrukturierter siliziumbasierter optischer Wellenleiter zur Erzeugung nichtlinearer optischer Effekte, in GMM-Fachbericht Band 63, VDE Verlag GmbH, Berlin (2010) 93-96
  • Noetzold, K; Dresbach, C; Graf, J; Boettge, B., Temperature dependent fracture toughness of glass frit bonding layers, Microsystem Technologies-Micro- and Nanosystems-Information Storage and Processing Systems 16 (2010) 1243-1249

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  • Brand, S., Signal analysis for the estimation of mechanical parameters of viable cells using GHz-acoustic microscopy, in Proc. of IEEE International Ultrasonics Symposium; Micro Digital Publishing, St. Louis, USA (2009) 2248-2251
  • Moutanabbir, O.; Reiche, M.; Erfurth, W.; Naumann, F.; Petzold, M.; Gösele, U., The complex evolution of strain during nanoscale patterning of 60 nm thick strained silicon layer directly on insulator, Applied Physics Letters, 94 (2009) 243113 Volltext auf Fraunhofer Publica

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  • Boettge, B.; Dresbach, C.; Graff, A.; Petzold, M.;Bagdahn, J., Mechanical Characterization and Micro Structure Diagnostics of Glass Frit Bonded Interfaces, PRiME 2008, Symposium: E11 - Semi-conductor Wafer Bonding 10: Science, Technology, and Applications, Honolulu, October 12 - Oc-tober 17, 2008; ECS Transactions 16, (8) (2008) 441-48
  • Boroch, R.; Müller-Fiedler, R.; Bagdahn, J.; Gumbsch, P., High cycle fatique and strengthening in polycrystalline silicon, Scripta Materiala, 59 (2008), 936-940
  • Moutanabbir, O.; Christiansen, S.; Senz, S.; Scholz, R.; Petzold, M.;Gösele, U., III-V and III-Nitride engineered heterostructures: wafer bonding, ion slicing and more, Symposium: PRiME 2008, E11 - Semiconductor Wafer Bonding 10: Science, Technology, and Applications, Honolulu, October 12 - October 17, 2008, ECS Transactions 16, (8) (2008) 251-262
  • Muster F.; Füting M.; Theumer T.; Schauer K.; Petzold M., Untersuchung der Biegebruchfestigkeit beschichteter Hartmetall-Mikrofräser, GMM Workshop Technologien und Werkstoffe der Mikro- und Nanosystemtechnik, 7.-8.5. 2007, Karlsruhe, GMM-Fachbericht Nr. 53, S. 233-236
  • Petzold, M.; Dresbach, C.; Ebert, M., Bagdahn, J., Wiemer, M.; Glien, K.; Graf, J.; Müller-Fiedler, R.; Höfer, H., Fracture Mechanical Life-time investigation of glass-frit bonded MEMS sensors, Proc. ITHERM 2006 San Diego CA, 1343-1348
  • Reiche, M.; Moutanabbir, O.; Himcinschi, C.; Christiansen, S.; Erfurth, W.; Gösele, U.; Mantl, S.; Buca, D.; Zhao, Q.T.; Loo, R.; Nguyen, D.; Muster, F.; Petzold, M., Strained Silicon on Wafer Level by Wafer Bonding: Materials Processing, Strain Measurements and Strain Relaxation, PRiME 2008, Symposium: E11 - Semiconductor Wafer Bonding 10: Science, Technology, and Applications, Honolulu, October 12 - October 17, 2008, ECS Transactions 16, (8) 311-320 (2008)
  • Tapily, K.; Baumgart, H.; Gu, D.; Elmustafa, A.; Krause, M.;Petzold, M., Effect of Wafer Bonding and Layer splitting on Nanomechanical Properties of standard and strained SOI Films, Poster, PRiME 2008, Symposium: E11 - Semiconductor Wafer Bonding 10: Science, Technology, and Ap-plications, Honolulu, October 12 - October 17, 2008, ECS Transactions 16, (8) (2008) 337-345
  • Theuss, H.; Koller, A.; Kröninger, W.; Schoenfelder, S.; Petzold, M., Assessment of a Lasersingulation Process for Si-Wafers with Metallized Back Side and Small Die Size, Proc. of 58th Electronic Compo-nents & Technology Conference (ECTC), Lake Buena Vista, Florida 2008
  • Voigt, F.; Krohs, F.; Gerbach, R., The flexural torsional vibration mode- a resonance of a chip canti-lever, Intern. Conf. on Nanoscience and Technology, Zitat
  • Allen, R.A.; Marshall, J.; Baylies, W., Read, D, Delrio, F, Turner, K. T., Bernasch, M., Bagdahn, J. A standard method for measuring wafer bond strength for MEMS applications, Zitat
  • Sari, F.; Wiemer, M.; Bernasch, M.; Bagdahn, J., Laser transmission bonding of silicon-to-glass for wafer level packaging and microsystems, Zitat
  • Schönfelder, S.; Bohne, A.; Bagdahn, J., Mechanical strength of mono- and multicrystalline wafers, Proc. 18th workshop on Crystalline Silicon Solar Cells and Modules, (2008) 187-190
  • Hildenbrand, J.; Kürzinger, A.; Moretton, E.; Peter, C.; Naumann, F.; Ebert, M.; Wöllenstein, J.; Korvink, J., Micromachined MID-infrared emitter for fast transient temperature operation for optical gas sensing systems, IEEE Sensors 2008, 7 th Int Conf. on Sensors, Lecce Italy, 297-300,Volltext auf Fraunhofer Publica

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