Contactless characterisation of polycrystalline thin-film MEMS resonators with varying layer-thickness on wafer level

Abstract

Mit speziellem Bezug auf MEMS-basierte Taktgeber, werden in dieser Arbeit MEMS Resonatoren einfacher Geometrie hergestellt und charakterisiert. Dabei werden die Resonatoren mit Hilfe herkömmlicher CMOS-Fertigungstechnologien auf Wafer-Level gefertigt und durch zwei eigens dafür aufgebaute, automatisierte, sowie kontaktlose Messsysteme analysiert. In dieser Arbeit werden somit Resonatoren aus unterschiedlichen polykristallinen Materialien, unter anderem Siliziumkarbid und Diamant behandelt. Mehr als einhundert Resonatoren pro Material, in Kombination mit den automatisierten Messsystemen ermöglichen dabei eine statistische Vergleichsbasis hinsichtlich relevanter Messparameter der Resonatoren. Mit einem Messaufbau auf Basis eines Weißlicht-Interferometers, werden Unterschiede in der Material-Schichtdicke und Spannungsgradienten in der Materialschicht, bezogen auf jeden Resonator charakterisiert. Durch einen zweiten Messaufbau auf Basis eines Laser-Doppler-Vibrometers, werden zusätzlich die Schwingungseigenschaften und somit die Güte-Faktoren der Resonatoren bestimmt. Im Rahmen dieser Arbeit wird gezeigt, dass die aufgebauten automatisierten Messsysteme eine robuste Analyse des Material- und Schichtdicken-Einflusses auf die Schwingungsfähigkeit von MEMS-basierten Resonatoren ermöglichen. Zudem ermöglicht die automatisierte Herangehensweise eine großflächige Analyse einer Vielzahl von Resonatoren, wodurch die Resonator-Messparameter in Abhängigkeit von der Position auf der Wafer-Oberfläche eingeordnet werden können.

With special reference to MEMS-based timing devices, MEMS resonators with a simple geometry are fabricated and characterised. The resonators are fabricated at wafer level using conventional CMOS fabrication technologies and characterised by two specially automated and contactless measuring systems set up specifically for this purpose. In particular, resonators made of different polycrystalline materials, including Silicon Carbide and Diamond, are analysed. More than one hundred resonators per material, in combination with the automated measurement systems, enable a statistical basis for comparison with regard to relevant measurement parameters of the resonators. With a measurement setup based on a white light interferometer, differences in the material layer thickness and stress gradients in the material layer are characterised in relation to each resonator. A second measurement setup based on a laser doppler vibrometer is used to additionally determine the vibration properties and thus the quality factors of the resonators. In the course of this work it is shown that the automated measurement systems set up a robust analyse on the influence of material and layer thickness to the vibration capability of MEMS-based resonators. In addition, the automated approach enables a large-area analysis of a high number of resonators, whereby the measurement parameters of the resonators can be classified depending on the position on the wafer surface.