Ziel der Entwicklung
MEMS-Sensoren und Aktoren sind zentrale Funktionselemente in vielen technischen Geräten und übernehmen immer öfter auch sicherheitsrelevante Funktionen. Diese müssen zuverlässig über die gesamte Lebensdauer des Systems und unter herausfordernden Einsatzbedingungen gewährleistet sein. Gegenüber herkömmlichen Halbleiterbauelementen verfügen MEMS über bewegliche, mikromechanische Komponenten als zentrales Funktionselement.
Die Zielstellung des FuE-Projekts bestand darin, ein zerstörungsfreies Analyseverfahren auf der Basis der Impedanz-Spektroskopie zu entwickeln, welches die Möglichkeiten der Qualitätssicherung von MEMS-Chips wesentlich erweitert. Hierfür wurde ein Messverfahren und der dazugehörige Messaufbau entwickelt, mit dem das spezifische Impedanzspektrum von MEMS-Bauelementen erfasst werden kann.
Der Lösungsansatz stützt sich dabei auf die Tatsache, dass jede Struktur ein spezifisches Impedanzspektrum, gewissermaßen den elektromagnetischen Fingerabdruck der Struktur, aufweist. Durch den Vergleich des gemessenen Impedanzspektrums eines Prüflings mit den typischen Referenzspektren von Gut-Bauteilen kann eine solche Qualitätsbewertung erfolgen.
Das Analyseverfahren ermöglicht dahingehend Rückschlüsse auf die elektromagnetischen Eigenschaften der MEMS-Mikrostruktur (Summe aller Widerstände, Kapazitäten, Induktivitäten und Resonanzfrequenzen), die Strukturqualität eines MEMS-Bauelements durch den Vergleich mit Referenzspektren von Gut-Bauteilen und spezifische Fertigungsfehler von MEMS-Bauelementen durch den Vergleich mit Referenzspektren von Bauteilen mit bekannten Fehlern (empirische Identifikation).
Vorteile und Lösungen
Generell weist jedes mechanische System, abhängig von dessen Aufbau (Geometrie, Leiterschichten, Schichtmaterial, Substrat usw.), ein spezifisches elektrisches Resonanzspektrum auf. Somit kann ein MEMS-Bauelement als Antenne betrachtet werden. Wird diese „Antenne“ unter verschiedenen Frequenzen elektrisch angeregt, ergibt sich ein bauteilspezifisches Resonanzspektrum. Durch einen Vergleich dieses Spektrums mit den Spektren von Gutteilen bzw. Bauteilen mit bekannten Fehlerbildern kann die Qualität des Prüflings bewertet werden. Die Abweichung des Prüfspektrums vom idealen Spektrum des MEMS zeigt dabei die Summe aller auftretenden Fehler. Durch die Definition von maximal zulässigen Abweichungen im Impedanzspektrum ist so eine prozessbegleitende Qualitätskontrolle und die Erkennung von fehlerhaften oder kritischen Bauteilen realisierbar. Zudem können sich einzelne Fertigungsfehler (Ausbrüche, Risse, Beschichtungsfehler) auf unterschiedliche Bereiche im Spektrum auswirken. Liegen diese Frequenzbereiche ausreichend weit auseinander, ist auch eine Identifikation von spezifischen Fertigungsfehlern möglich.
Zielgruppe und Zielmarkt
Die im FuE-Projekt entwickelte Lösung für eine Mess- und Prüftechnologie inklusive der erforderlichen Messtechnik zur Bestimmung der qualitätsbestimmenden Eigenschaften von MEMS-Baugruppen mittels Impedanz-Spektroskopie zielt auf den Markt der Entwickler und Produzenten von MEMS-Bauelementen. Dominiert wird der Markt bereits heute von relativ hochintegrierten Bauteilen, die nicht nur einen Sensor umfassen, sondern meist mehrere Sensoren kombiniert mit Reglern und Steuerelektronik. Diese mikroelektromechanischen Systeme machen über 80 Prozent des Sensor- und Aktuator-Marktes aus. Der MEMS-Markt wird dabei von einigen größeren (Bosch, STMicroelectronics, Texas Instruments.) und vielen kleineren Herstellern bestimmt. Insbesondere kleinere Marktteilnehmer sind hinsichtlich einer erfolgreichen Positionierung am Markt gezwungen, mit technologisch innovativen Produktlösungen sowie schnellem Time-to-Market Wettbewerbsvorteile zu generieren. Gerade bei Neuentwicklungen ist eine umfassende Qualitätskontrolle zwingend erforderlich, da bei der Umsetzung neuer Produkte immer mit gewissen Anlaufschwierigkeiten in der Fertigung zu rechnen ist. Von den bekannten Mess- und Prüfverfahren für MEMS-Bauelemente können im Wesentlichen optische Messverfahren als Wettbewerber zur Qualitätsprüfung betrachtet werden. Allerdings sind mit optischen Messverfahren keine elektrischen Eigenschaften eines MEMS-Systems messbar. Das im FuE-Projekt entwickelte Prüfverfahren bietet dahingehend wesentliche Vorteile.
Zur Vermarktung des entwickelten Prüfverfahrens mittels Impedanz-Spektroskopie organisiert der ITW e. V. Chemnitz mit seinem Netzwerk aus Mitgliedsunternehmen und seinen langjährigen Kooperationsbeziehungen zu Unternehmen der Mess- und Prüftechnik und Prototypenherstellern den Technologietransfer über Lizenzvergabe, kooperative Zusammenarbeit mit Drittunternehmen und der Ausgründung von gewerblichen Unternehmen. Darüber hinaus bietet der ITW e. V. Chemnitz die Ausführung von FuE-Dienstleistungen für interessierte Unternehmen an.
Bezüglich der Marktvorbereitung der Lösung werden die Ergebnisse des FuE-Projektes in der Fachliteratur, bei Fachveranstaltungen und auf Messen der Öffentlichkeit vorgestellt. Weiterhin sollen verschiedene Anlässe genutzt werden, die FuE-Ergebnisse zu präsentieren. Dazu gehören Workshops und Hausmessen, die Ergebnispräsentation vor Kooperationsnetzwerken sowie die Beteiligung an Ausstellungs- bzw. Messeständen der interessierten Anwender.
Die Serienherstellung und Vermarktung des Messsystems soll in Drittunternehmen erfolgen. Es wird dabei eine Kooperation mit etablierten Herstellern im Bereich der MEMS-Entwicklung und Produktion angestrebt. Wirtschaftliche Effekte aus dem geplanten FuE-Vorhaben ergeben sich hinsichtlich mehrerer Punkte: Zum einen soll die entwickelte Lösung durch strategische Partnerschaften mit Drittunternehmen vermarktet werden. Zum anderen ergeben sich weitere positive wirtschaftliche Effekte für den ITW e. V. Chemnitz aus FuE-Folgeaufträgen, Industriedienstleistungen sowie neuen FuE-Projekten in den Geschäftsfeldern der industriellen Messtechnik, der Fertigungstechnik und der Prozessautomation.
