Dynamic parameter identification techniques and test structures for microsystems characterization on wafer level [Elektronische Ressource] / Alexey Shaporin. Technische Universität, Chemnitz

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• Publié le: 01 janvier 2009
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Extrait

Alexey Shaporin


Dynamic parameter identification techniques and
test structures for microsystems characterization
on wafer level





Alexey Shaporin



Dynamic parameter identification
techniques and test structures for
microsystems characterization
on wafer level
















Universitätsverlag Chemnitz
2009

Impressum

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek

Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deut-
schen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Angaben sind im
Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar.

Zugl.: Chemnitz, Techn. Univ., Diss., 2009














 
 
Technische Universität Chemnitz/Universitätsbibliothek
Universitätsverlag Chemnitz
09107 Chemnitz
http://www.bibliothek.tu-chemnitz.de/UniVerlag/
 
 
 
Herstellung und Auslieferung
Verlagshaus Monsenstein und Vannerdat OHG
Am Hawerkamp 31
48155 Münster
http://www.mv-verlag.de


ISBN 978-3-941003-09-5
urn:nbn:de:bsz:ch1-200901902 
URL: http://archiv.tu-chemnitz.de/pub/2009/0190 















М оим родит елям
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

6 Bibliografische Beschreibung, Stichworte, Kurzfassung
Bibliographische Beschreibung
Dynamic parameter identification techniques and test structures for microsystems
characterization on wafer level

Eine Methode zur dynamischen Parameteridentifikation und Teststrukturen zur Cha-
rakterisierung von Mikrosystemen auf Waferebene

Shaporin, Alexey – 199 Seiten, 150 Abbildungen, 21 Tabellen, 242 Literaturstellen
 
Technische Universität Chemnitz,
Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik,
Dissertation, 2009
Stichworte
Mikrosystemtechnik, Prozesstoleranzen, Messtechnik, Finite-Element-Analyse,
Eigenfrequenzen, Laser-Doppler-Vibrometrie, Qualitätssicherung, Teststrukturen.
Kurzfassung
In der vorliegenden Arbeit wird eine Methode zur Charakterisierung von Mikrosys-
temen mit beweglichen Komponenten dargestellt. Sie erlaubt, funktionsrelevante
Parameter und deren Schwankungen produktionsbegleitend auf Waferlevel zu ermit-
teln.

Dabei wird vorausgesetzt, dass die Sollform der Struktur und die Abweichungsarten
bekannt sind. Die Methode beruht auf dem Vergleich von numerisch berechneten
mit experimentell ermittelten Eigenfrequenzen der untersuchten Mikrosysteme.
Dazu wird die Abhängigkeit verschiedener Eigenfrequenzen von den gesuchten
Parametern mittels einer Parametervariationsanalyse berechnet und durch eine ge-
eignete Funktion angenähert. Die Messung der dynamischen Eigenschaften erfolgt
mit Hilfe eines Bewegungsanalysators, der auf einem Laser-Doppler-Vibrometer
basiert. Im letzen Schritt werden die gesuchten Parameter berechnet.

Kernpunkt der entwickelten Methode sind Messungen auf der Basis von speziellen
Teststrukturen, die im Waferlayout neben den eigentlichen Nutzstrukturen platziert
sind und parallel mit den Nutzstrukturen prozessiert werden. Es werden Algorith-
men zur Generierung des Designs der Teststrukturen und ihrer Platzierung im Wa-Kurzfassung 7 
ferlayout entwickelt. Dabei werden das Design der Nutzstruktur und deren funkti-
onsrelevante Parameter, der technologische Ablauf und materialspezifische Kenn-
werte berücksichtigt. Im Ergebnis liegt eine Bibliothek von Standard-Teststrukturen
vor, die für produktionsbegleitende Messungen sowie für die Übertragbarkeit der
Ergebnisse geeignet sind. Außerdem werden allgemeingültige Richtlinien zur
Durchführung der Messungen an den Standard-Teststrukturen abgeleitet.

Das Messverfahren wurde an unterschiedlichen Mikrosystemen mit beweglichen
Komponenten überprüft und zu einer allgemeinen Messmethode für diese Klasse
von Mikrosystemen erweitert.
Bibliographic description, Keywords, Abstract 8 
Bibliographic description
Dynamic parameter identification techniques and test structures for microsystems
characterization on wafer level
Shaporin, Alexey – 199 pages, 150 figures, 21 tables, 242 references
Chemnitz University of Technology, Faculty of Electrical Engineering and Informa-
tion Technology, PhD Thesis, 2009
Keywords
Microsystems, process tolerances, measurement technique, Eigenfrequencies, Laser
Doppler vibrometry, FEM, quality control, test structures, structure optimization.
Abstract
In this work a method for the characterization of microsystems with movable com-
ponents is presented. The method allows to determine the relevant parameters and
their variations on wafer level if the nominal shape of the structure and the type of
deviations are known. The method is based on a comparison of the numerically cal-
culated and experimentally measured Eigenfrequencies of the microsystems.

For that purpose, the relationships between various Eigenfrequencies and the
searched parameters are calculated by parameter variation analysis and the results of
this analysis are approximated with appropriate functions. A Laser Doppler vi-
brometer based motion analyzer is used to determine the frequency response func-
tion of the micromechanical structure and extract Eigenfrequencies. The comparison
of the measured and the calculated frequencies provides values for the searched
parameters.

The key element of the developed method is the measurement on special test struc-
tures that are placed in the wafer layout next to the actual microsystems and proc-
essed in the same technological process parallel to the actual microsystems. Algo-
rithms for designing the test structures and their placement in the wafer layout are
shown, taking into account the design of the actual microsystems and the function
parameters of the technological process as well as material characteristics. As a re-
sult, a library of standard test structures for function relevant parameters is available.
A general guideline for the measurement on the test structures is presented. The
presented method is verified on various microsystems and extended to a whole class
of microsystems with movable components. Symbols and Abbreviations 9
Symbols and abbreviations
Latin symbols
a Membrane (plate) length
a Polynomial coefficients ijk
A Maximum value of the fitted data max
A Minimum value of the fitted data min
A Numerical aperture N
br_l Border length
br_w, br_w2 Border width
bw Bandwidth
C Capacitance
c Elastic compliance coefficients ij
d Diameter, Optical resolution, thickness
E, E , E Young’s modulus, and Young’s modulus defined by R V
Reus model and Voigt model correspondingly
F Indices for film
f Measured real Eigenfrequencies exp
f Calculated nominal Eigenfrequencies FEM
fo Eigenfrequency of the mode number N N
FP Function parameters
f Resonance frequency R
GShear modulus
GP Geometric parameters,
h Thickness,
i, j, k, Indices (for iterations and loops)
I Polar moment of Inertia p
k Principal curvature in the bending Mode b
k Mechanical stiffness of the microsystem mech
L Length, wafer radius
M Magnification
m Mass
m_lMirror length
m_w Mirror width
MatP Material parameters
MP Model parameters
n, m, N Numbers (for iterations, loops and matrices size)