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WO2003014667A1 - Verfahren und vorrichtung zum trimmen von sensoren mit schwingenden strukturen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum trimmen von sensoren mit schwingenden strukturen Download PDF

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Publication number
WO2003014667A1
WO2003014667A1 PCT/EP2002/008821 EP0208821W WO03014667A1 WO 2003014667 A1 WO2003014667 A1 WO 2003014667A1 EP 0208821 W EP0208821 W EP 0208821W WO 03014667 A1 WO03014667 A1 WO 03014667A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
sensor element
resonance frequency
sensor
laser
removal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2002/008821
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Karin Bauer
Wilhelm Ficker
Tanjo Gleissner
Franz Nuscheler
Matthias Rose
Josef Schalk
Erwin Stenzel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Airbus Defence and Space GmbH
Aumovio Microelectronic GmbH
Original Assignee
Conti Temic Microelectronic GmbH
EADS Deutschland GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Conti Temic Microelectronic GmbH, EADS Deutschland GmbH filed Critical Conti Temic Microelectronic GmbH
Publication of WO2003014667A1 publication Critical patent/WO2003014667A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C99/00—Subject matter not provided for in other groups of this subclass
    • B81C99/0035—Testing
    • B81C99/004—Testing during manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/351—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring for trimming or tuning of electrical components
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G01C19/5642—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using vibrating bars or beams
    • G01C19/5663—Manufacturing; Trimming; Mounting; Housings
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C25/00—Manufacturing, calibrating, cleaning, or repairing instruments or devices referred to in the other groups of this subclass
    • G01C25/005—Manufacturing, calibrating, cleaning, or repairing instruments or devices referred to in the other groups of this subclass initial alignment, calibration or starting-up of inertial devices
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • G01P15/0802—Details
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • G01P15/097—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values by vibratory elements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P21/00—Testing or calibrating of apparatus or devices covered by the preceding groups

Definitions

  • the present invention relates to a method and a device for trimming sensors with vibrating structures according to the preamble of claims 1 and 11, respectively.
  • Sensors with structures capable of oscillation are suitable for measuring various physical quantities such as rotation rates or accelerations.
  • the sensors In order to obtain the highest possible measurement accuracy, the sensors must be manufactured very precisely.
  • JP 09287956 A therefore suggests trimming an oscillating structure of a sensor by means of a laser in order to set a resonance frequency. This is intended to improve the measuring sensitivity of the sensor and to make the sensor compact and light.
  • the object of the invention is to enable a contactless and wear-free adjustment of mechanical properties of sensors, with which a high throughput and a high degree of automation can be achieved and the time expenditure and the associated cost expenditure can be reduced.
  • a sensor element which has an oscillatable structure for recording a measured variable is processed with a laser beam in order to remove mass in a targeted manner, at least one resonance frequency of the sensor element and / or imbalance of the sensor element being compared , where- After the mass has been removed, the sensor element is measured with regard to the resonance frequency and / or the unbalance.
  • the method according to the invention allows mechanical properties of sensors to be adjusted in a contactless and wear-free manner, a high throughput and a high degree of automation being made possible at the same time.
  • the method according to the invention considerably reduces the time required for the exact setting of the sensor properties, thereby saving costs. Natural frequencies and imbalances of the sensors or sensor elements can be set specifically and independently of one another.
  • a femtosecond laser which generates laser pulses in the femtosecond range, is advantageously used to generate the laser beam.
  • These measures in particular avoid thermal coupling.
  • the material does not melt during processing. There is no thermal coupling, since the exposure time is extremely short. H. no change in the material properties is caused.
  • the beam path does not necessarily have to be in a vacuum.
  • the adjustment is preferably carried out at the wafer level. This results in even more effective time and cost savings. This means that online measurement and trimming at the wafer level of sensors with vibrating structures is possible, which results in lower processing costs, higher throughput and thus lower costs. Furthermore, a preselection and a first function test of the sensor elements on the wafer level is possible using a test method that only uses standard equipment, such as needle probes, lasers, etc. Furthermore, the sensors can be pre-classified with regard to selected sensor properties. In the case of rotation rate sensors, this is done, for example, with regard to the sensitivity by setting the frequency difference between an excitation mode of an oscillation and the readout mode, and with regard to the zero point stability, which is dependent on the balancing of the unbalance.
  • the sensor is preferably made of silicon. He can e.g. B. a micromechanical rotation rate sensor, the sensor element being, for example, a tuning fork. With a tuning fork-shaped sensor element, e.g. Resonance frequencies of the prongs of the tuning fork structure can be set using laser ablation.
  • the process according to the invention is preferably carried out under vacuum conditions.
  • the method is preferably carried out in such a way that at least one resonance frequency of the sensor element is determined and this at least one resonance frequency is changed by laser ablation or laser ablation until a predetermined value for the at least one resonance frequency or a predetermined difference between two resonance frequencies is reached.
  • a device for trimming sensors with vibrating structures which comprises a measuring device for determining a resonance frequency and / or an unbalance of the sensor element, and a laser with a control device for the targeted removal of mass of the sensor element, and a Comparison device to compare a measured value, which represents the current resonance frequency and / or the current unbalance, with a predetermined value.
  • the laser is advantageously a femtosecond laser.
  • the device according to the invention preferably comprises a vacuum chamber for receiving a sensor element to be trimmed or a wafer with a plurality of sensor elements. Furthermore, the device according to the invention advantageously comprises a device for carrying and / or holding a wafer, which comprises one or more of the sensor elements.
  • the carrying or holding device is preferably arranged in the vacuum chamber. It is, for example, a known x-y-z- ⁇ table for holding wafers or semiconductor elements in the form of disks or chips.
  • the invention enables, in particular, a fully automated method for setting sensor properties of sensors with vibrating structures, since in particular an input characterization with design trimming, subsequent trimming and initial characterization in situ with the same system.
  • the trimming process and / or the characterization or the measurement is preferably controlled by suitable software.
  • the cycle of the method can, if it should be necessary, run through several times and in particular be carried out at the wafer level.
  • the decisive advantages are effective handling, high throughput, low costs, a possible pre-selection and a possible pre-classification.
  • Another decisive advantage is that the trimming of frequency and imbalance can be geometrically separated very well, which is particularly relevant when trimming tuning fork rotation rate sensors.
  • the fully automated in-situ trimming process can be performed online, i.e. during the measurement, both for the unbalance and for trimming the frequency at the wafer level.
  • FIG. 1 schematically shows a device for trimming sensors according to a particularly preferred embodiment
  • FIG. 2 shows a tuning fork rotation rate sensor which is subjected to a trimming method according to the invention as a preferred example.
  • the device 10 comprises a holder 11 in the form of an x, y, z, ⁇ table for carrying or holding a wafer 12, which is made of silicon, for example.
  • the wafer 12, which is in the form of a silicon wafer is in electrical contact with a measuring device 13 during the measuring operation, which is used for mechanical and electrical characterization, in particular for determining a resonance frequency and / or an unbalance of a sensor element 14.
  • manipulators 15a, 15b are connected to the measuring device 13, the needles 16a, 16b of which contact one or more sensor elements 14.
  • the measuring device comprises test cards for testing chips.
  • the device 10 further comprises a laser 17 in the form of a femtosecond laser.
  • a laser 17 in the form of a femtosecond laser.
  • the laser 17 is directed at the sensor element 14 in order to remove mass from there in a targeted manner by means of a laser beam 17a.
  • a control device 18 is coupled to the laser 17 and to the measuring device 13 in order to control the laser 17 as a function of the measured values for the resonance frequency and / or the unbalance of the sensor element 14.
  • the xyz- ⁇ -measuring table which forms the holder 11, is together with the manipulators 15a, 15b and the needles 16a, 16b in the interior of a vacuum chamber 19 arranged. There is electrical contact with test probes, manipulators or test cards.
  • the sensor elements 14 are trimmed at the wafer level.
  • a silicon wafer is provided for processing, which can contain a multiplicity of sensors or sensor elements 14.
  • the sensor or sensors 14 are excited to vibrate during the measurement, the resonance frequency and / or the unbalance being measured. In order to excite the vibrations of the sensors or sensor elements, they are provided with an actuator system, which is not shown in the figure.
  • the sensors or sensor elements can thus be brought into their excitation state or in their shrinkage mode during the removal process, in order to immediately measure the change in their characteristic properties.
  • the sensor elements 14 are processed with the laser beam of the laser 17 in such a way that mass of structures that can vibrate is removed.
  • the sensor properties i.e. H. Resonance frequency and / or imbalance measured so that the result of the laser ablation is immediately recognizable and is used by a suitable control within the control device 18 for determining the further ablation.
  • the control can take place, for example, in such a way that laser ablation is carried out by illumination with the laser beam 17a until a predetermined resonance frequency is reached.
  • FIG. 2 shows a schematic view of a tuning fork rotation rate sensor 30.
  • the sensor 30 comprises two opposing tines 31a, 31b in the form of plates which are aligned parallel to one another.
  • Actuators 32a, 32b for example in the form of piezoelectric elements, are located on the tines 31a, 31b in order to excite the tines 31a, 31b to vibrate in the z direction.
  • the tines 31a, 31b are fastened to a torsion bar 33 which comprises a measuring element 34 for measuring a torsional movement.
  • the torsional movement is generated when the tines 31a, 31b vibrate in the z direction and when the system is rotated about the axis of rotation A at the same time due to the Coriolis force fc acting in this state.
  • Such a sensor is described in detail in DE 195 289 61 C2.
  • the unbalance is influenced, reduced or eliminated by laser ablation on the prong 31a in the removal areas 35.
  • the natural frequency of the rotation rate sensor 30 shown here is trimmed or set in the further removal region 36 by laser ablation or mass removal.
  • the ablation area 36 for frequency adjustment is located in the area of the free end of the tine 31a or 31b.
  • the prongs 31a 31b are excited to oscillate in their resonance frequency fz by the actuators 32a, 32b. Then, at a rate of rotation of the sensor 30, a torsional vibration about the axis of rotation A is excited. This torsional vibration has the resonance frequency ft. B. by rotating the bracket 11 (see Fig. 1). Now the resonance frequency fz is increased by abrasion on the tines 31 a, 31 b.
  • a predetermined difference frequency ⁇ f fz-ft is set.
  • An unbalance present on the sensor 30 is compensated for by an asymmetrical mass removal with respect to the axis of rotation A in the removal areas 35.
  • the imbalance arises, for example, due to manufacturing tolerances that lead to asymmetries, which causes a swing about the axis of rotation A.
  • a wafer or a silicon wafer is first installed in the vacuum chamber 19. Then the wafer 12 or the wafer is aligned and the vacuum chamber 19 is evacuated. Now a sensor or sensor element 14 as part of the wafer 12 is approached with an xyz thetatic and contacted with the needles 16a, 16b. In this case, the xyz-thetic forms the holder 11.
  • the resonance frequencies fz and ft and the unbalance are determined via an electronic unit and the measuring device 13.
  • fz is adjusted step by step, ie fz is measured and then material is removed using laser 17. These steps are repeated until ⁇ f is reached.
  • the unbalance is adjusted by laser ablation until the effect of the unbalance on the sensor signal is minimal.
  • the next sensor 14 of the wafer 12 is then approached and contacted with the needles 16a, 16b in order to perform the trimming process.
  • the process of mass removal can take place seamlessly on the vibrating sensor structure for measurement.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Trimmen von Sensoren mit schwingenden Strukturen angegeben, bei dem ein Sensorelement (14), das eine schwingfähige Struktur zur Erfassung einer Messgrösse aufweist, mit einem Laserstrahl (17a) bearbeitet wird, um gezielt Masse abzutragen, wobei mindestens eine Resonanzfrequenz des Sensorelements (14) und/oder eine Unwucht des Sensorelements (14) abgeglichen wird. Während des Abtragens der Masse schwingt das Sensorelement und es wird eine Zustandsänderung instantan gemessen. Zur Erzeugung des Laserstrahls (17a) wird ein Femtosekundenlaser (17) verwendet. Eine Vorrichtung (10) zum Trimmen von Sensoren hat eine Messeinrichtung (13) zur Bestimmung einer Resonanzfrequenz und/oder einer Unwucht des Sensorelements (14), einen Laser (17) mit einer Steuereinrichtung (18) zur gezielten Abtragung von Masse des Sensorelements, und eine Vergleichseinrichtung, um einen Messwert, der die aktuelle Resonanzfrequenz und/oder die aktuelle Unwucht repräsentiert, mit einem vorgegebenen Wert zu vergleichen.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Trimmen von Sensoren mit schwingenden Strukturen
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Trimmen von Sensoren mit schwingenden Strukturen gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 bzw. 11.
Sensoren mit schwingfähigen Strukturen eignen sich zur Messung verschiedenar- tiger physikalischer Größen wie beispielsweise Drehraten oder Beschleunigungen. Um eine möglichst hohe Messgenauigkeit zu erhalten, müssen die Sensoren sehr genau gefertigt werden.
Derartige Sensoren können jedoch aufgrund von Fertigungstoleranzen oftmals nicht die idealerweise erwarteten Eigenschaften zeigen. Deshalb wird versucht, durch leichte Korrekturen an der Geometrie bzw. durch Abtragen von Masse oder auch durch Verändern der mechanischen Spannung von dünnen Schichten die Sensoreigenschaft zu verbessern.
Bekannte Verfahren hierzu sind beispielsweise das mechanische Trimmen durch Fräsen oder Schleifen. Diese Verfahren haben jedoch den Nachteil eines hohen Verbrauchs an Werkzeug. Sie sind darüber hinaus sehr zeitaufwendig.
In der Druckschrift JP 09287956 A wird deshalb das Trimmen einer schwingenden Struktur eines Sensors mittels eines Lasers vorgeschlagen, um eine Resonanzfrequenz einzustellen. Dadurch soll die Messempfindlichkeit des Sensors verbessert werden und der Sensor kompakt und leicht gestaltet werden können.
Jedoch besteht auch bei diesem bekannten Verfahren das generelle Problem, dass ein hoher zeitlicher Aufwand erforderlich ist, um die einzelnen Sensoren ge- nau zu trimmen und in ihren Sensoreigenschaften genau einzustellen. Als weiteres Problem kommt hinzu, dass beim Einstellen der Frequenz mittels Lasertrimmer eine Unwucht des Sensorelements entstehen kann oder eine vorhandene Umwucht oftmals unkontrolliert geändert wird.
In dem Artikel „MICROMACHINING OF SEMICONDUCTORS WITH FEMTOSECOND LASERS" von H. K. Tönshoff et.al, Published on Proceedings of ICALEO 2000, Dearborn (USA) wird der Ablationsprozess beim Einsatz von Fem- tosekundenlasem beschrieben. Dabei werden Strukturen aus Silizium mit einem Femtosekundenlaser bearbeitet.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen berührungslosen und verschleißfreien Abgleich mechanischer Eigenschaften von Sensoren zu ermöglichen, mit dem ein hoher Durchsatz und ein hoher Automatisierungsgrad erreicht werden kann und der Zeitaufwand und der damit verbundene Kostenaufwand verringert werden kann.
Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren zum Trimmen von Sensoren gemäß Patentanspruch 1 und durch die Vorrichtung zum Trimmen von Sensoren gemäß Patentanspruch 11.
Weitere vorteilhafte Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Trimmen von Sensoren mit schwingenden Strukturen wird ein Sensorelement, das eine schwingfähige Struktur zur Erfassung einer Messgröße aufweist, mit einem Laserstrahl bearbeitet, um gezielt Masse abzutragen, wobei mindestens eine Resonanzfrequenz des Sensorelements und/oder eine Umwucht des Sensorelements abgeglichen wird, wobei wäh- rend des Abtragens der Masse ein Vermessen des Sensorelements im Hinblick auf die Resonanzfrequenz und/oder die Unwucht durchgeführt wird.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren können mechanische Eigenschaften von Sensoren berührungslos und verschleißfrei abgeglichen werden, wobei gleichzeitig ein hoher Durchsatz und ein hoher Automatisierungsgrad ermöglicht wird.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird der Zeitaufwand zur genauen Einstellung der Sensoreneigenschaften erheblich reduziert, wodurch Kosten einge- spart werden. Eigenfrequenzen und Unwuchten der Sensoren bzw. Sensorelemente können gezielt und unabhängig voneinander einstellt werden.
Vorteilhafterweise wird zur Erzeugung des Laserstrahls ein Femtosekundenlaser verwendet, der Laserpulse im Femtosekundenbereich erzeugt. Durch diese Maß- nahmen wird insbesondere eine thermische Kopplung vermieden. Das Material schmilzt bei der Bearbeitung nicht auf. Es entsteht keine thermische Ankopplung, da die Einwirkzeit extrem kurz ist, d. h. es wird keine Veränderung der Materialeigenschaft verursacht. Darüber hinaus entstehen keine mechanischen Spannungen durch den Abtragprozess. Hinzu kommt, dass in der Umgebung des Abtra- gungsortes keine oder nur wenig Materialablagerungen erfolgen. Weiterhin muss der Strahlengang nicht unbedingt im Vakuum erfolgen.
Bevorzugt wird der Abgleich auf Waferebene durchgeführt. Dadurch erfolgt eine noch wirksamere Zeit- und Kostenersparnis. Das heißt, es wird ein Online-Messen und Trimmen auf Waferebene von Sensoren mit schwingenden Strukturen möglich, wodurch ein geringerer Bearbeitungsaufwand, ein größerer Durchsatz und dadurch geringere Kosten entstehen. Weiterhin ist eine Vorselektion und ein erster Funktionstest der Sensorelemente auf Waferebene durch ein Prüfverfahren möglich, das nur auf Standardequipment zurückgreift, wie beispielsweise Nadelprober, Laser, u.s.w. Weiterhin kann eine Vorklassifizierung der Sensoren bezüglich ausgewählter Sensoreigenschaften erfolgen. Bei Drehratensensoren erfolgt dies beispielsweise hinsichtlich der Empfindlichkeit durch Einstellen der Frequenzdifferenz zwischen ei- ner Anregungsmode einer Schwingung und der Auslesemode, sowie hinsichtlich der Nullpunktstabilität, die vom Abgleich der Unwucht abhängig ist.
Bevorzugt ist der Sensor aus Silizium gefertigt. Er kann z. B. ein mikromechanischer Drehratensensor sein, wobei das Sensorelement beispielsweise stimmga- belförmig ist. Bei einem stimmgabelförmigen Sensorelement können z.B. Resonanzfrequenzen der Zinken der Stimmgabelstruktur mittels Laserablation eingestellt werden. Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren unter Vakuumbedingungen durchgeführt.
Das Verfahren wird bevorzugt derart durchgeführt, dass mindestens eine Resonanzfrequenz des Sensorelements bestimmt wird und diese mindestens eine Resonanzfrequenz durch Laserabtrag bzw. Laserablation verändert wird, bis ein vorgegebener Wert für die mindestens eine Resonanzfrequenz oder eine vorgegebene Differenz zweier Resonanzfrequenzen erreicht ist.
Es ist weiterhin möglich, das Verfahren so durchzuführen, dass Zinken einer Stimmgabel zum Schwingen in einer ersten Resonanzfrequenz fz angeregt werden und bei einer Drehrate aufgrund der Corioliskraft eine Drehschwingung verursacht wird, die eine zweite Resonanzfrequenz ft aufweist, wobei durch Abtrag an mindestens einem Zinken die erste Resonanzfrequenz fz erhöht wird, um einen vorgegebenen Differenzwert zwischen den beiden Resonanzfrequenzen einzustellen. Vorteilhafterweise wird bei dem Verfahren eine Unwucht des Sensorelements bestimmt und es erfolgt eine Abgleichung der Unwucht durch Laserabtrag bis ein durch die Unwucht verursachtes Sensorsignal minimal wird.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Trimmen von Sensoren mit schwingenden Strukturen geschaffen, die eine Messeinrichtung zur Bestimmung einer Resonanzfrequenz und/oder einer Unwucht des Sensorelements umfasst, sowie einen Laser mit einer Steuereinrichtung zur gezielten Abtragung von Masse des Sensorelements, und eine Vergleichseinrichtung, um einen Messwert, der die aktuelle Resonanzfrequenz und/oder die aktuelle Umwucht repräsentiert, mit einem vorgegebenen Wert zu vergleichen. Durch diese Vorrichtung kann das erfindungsgemäße Verfahren auf kostengünstige Weise schnell und effektiv durchgeführt werden. Die besonderen Vorteile, die sich daraus ergeben, wurden oben bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren genannt.
Vorteilhafterweise ist der Laser ein Femtosekundenlaser. Bevorzugt umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Vakuumkammer zur Aufnahme eines zu trimmenden Sensorelements oder eines Wafers mit mehreren Sensorelementen. Weiterhin umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung vorteilhafterweise eine Einrichtung zum Tragen und/oder Halten eines Wafers, der ein oder mehrere der Sensorelemente umfasst.
Die Trage- oder Halteeinrichtung ist bevorzugt in der Vakuumkammer angeordnet. Sie ist beispielsweise ein bekannter x-y-z-θ-Tisch zur Aufnahme von Wafern oder Halbleiterelementen in Form von Scheiben bzw. Chips.
Zusammengefasst ermöglicht die Erfindung insbesondere ein vollautomatisiertes Verfahren zum Einstellen von Sensoreigenschaften von Sensoren mit schwingen- den Strukturen, da es insbesondere eine Eingangscharakterisierung mit Ausle- gung des Trimmvorgangs, anschließendes Trimmen und Ausgangscharakterisierung in situ mit derselben Anlage umfasst.
Das heißt, es ist nicht mehr notwendig, den Sensor auszubauen oder den Sensor zum Trimmen und Messen in unterschiedlichen Vorrichtungen oder Positionen bereit zu stellen.
Der Trimmvorgang und/oder die Charakterisierung bzw. das Vermessen wird bevorzugt durch eine geeignete Software gesteuert.
Der Zyklus des Verfahrens kann, falls es notwendig sein sollte, mehrfach durchlaufen und insbesondere auf Waferebene durchgeführt werden.
Die entscheidenden Vorteile sind ein effektives Handling, hoher Durchsatz, gerin- ge Kosten, eine mögliche Vorselektion, und eine mögliche Vorklassifizierung.
Ein weiterer entscheidender Vorteil liegt darin, dass das Trimmen von Frequenz und Umwucht geometrisch sehr gut getrennt werden kann, was insbesondere beim Trimmen von Stimmgabel-Drehratensensoren besonders relevant ist.
Das vollautomatisierbare in-situ-Trimmverfahren kann online, d.h. während der Messung, sowohl für die Unwucht als auch für das Trimmen der Frequenz auf Waferebene eingesetzt werden.
Um mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die Eigenschaften eines schwingenden Sensorelementes einzustellen, ist es neben dem Masseabtrag an den schwingenden Massenelementen bzw. Elementen selbst ebenso möglich, durch Veränderungen des Querschnittes einer Aufhängung von schwingenden Elementen die Federkonstante und somit die Eigenfrequenz zu verändern. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend beispielhaft anhand der Figuren beschrieben, in denen
Fig. 1 schematisch eine Vorrichtung zum Trimmen von Sensoren gemäß einer beson-ders bevorzugten Ausführungsform schematisch darstellt, und
Fig. 2 einen Stimmgabel-Drehratensensor zeigt, der als bevorzugtes Beispiel einem erfindungsgemäßen Trimmverfahren unterzogen wird.
Fig. 1 zeigt als bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Vorrichtung 10 zum Trimmen von Sensoren mit schwingenden Strukturen in schematischer Darstellung. Die Vorrichtung 10 umfasst eine Halterung 11 in Form eines x,y,z,Θ- Tisches zum Tragen oder Halten eines Wafers 12, der beispielsweise aus Silizium gefertigt ist. Der Wafer 12, der als Siliziumscheibe vorliegt, steht während des Messbetriebs in elektrischem Kontakt mit einer Messeinrichtung 13, die zur mechanischen und elektrischen Charakterisierung, insbesondere zur Bestimmung einer Resonanzfrequenz und/oder einer Unwucht eines Sensorelements 14 dient. Zu diesem Zweck sind Manipulatoren 15a, 15b an der Messeinrichtung 13 angeschlossen, deren Nadeln 16a, 16b ein oder mehrere Sensorelemente 14 kontaktieren. D. h., die Messeinrichtung umfasst Prüfkarten zum Testen von Chips.
Die Vorrichtung 10 umfasst weiterhin einen Laser 17 in Form eines Femtosekun- denlasers. Beim Betrieb der Vorrichtung 10, d. h. bei der Durchführung des Trimmverfahrens, ist der Laser 17 auf das Sensorelement 14 gerichtet, um von dort mittels eines Laserstrahls 17a gezielt Masse abzutragen. Eine Steuereinrichtung 18 ist an den Laser 17 und an die Messeinrichtung 13 gekoppelt, um den La- ser 17 in Abhängigkeit von den gemessenen Werten für die Resonanzfrequenz und/oder die Umwucht des Sensorelements 14 zu steuern.
Der x-y-z-θ-M esstisch, der die Halterung 11 bildet, ist zusammen mit den Manipulatoren 15a, 15b und den Nadeln 16a, 16b im Innenraum einer Vakuumkammer 19 angeordnet. Es besteht ein elektrischer Kontakt zu Prüfspitzen, Manipulatoren o- der Prüfkarten.
Bei der Durchführung des Verfahrens zum Trimmen werden die Sensorelemente 14 auf Waferebene getrimmt. D. h., es wird ein Siliziumwafer zur Bearbeitung bereit gestellt, der eine Vielzahl von Sensoren bzw. Sensorelementen 14 enthalten kann. Der oder die Sensoren 14 werden bei der Messung zu Schwingungen angeregt, wobei die Resonanzfrequenz und/oder die Unwucht gemessen wird. Um die Schwingungen der Sensoren bzw. Sensorelemente anzuregen, sind diese mit ei- ner Aktorik versehen, die in der Figur nicht dargestellt ist.
Die Sensoren oder Sensorelemente können also während des Abtragvorgangs in ihren Anregungszustand bzw. in ihrem Schwindungsmode gebracht und gehalten werden, um sofort die Änderung ihrer charakteristischen Eigenschaften zu mes- sen.
Während der Messung der Sensorelemente 14 werden diese mit dem Laserstrahl des Lasers 17 so bearbeitet, dass Masse an schwingfähigen Strukturen abgetragen wird. Während des Abtrags der Masse werden die Sensoreigenschaften, d. h. Resonanzfrequenz und/oder Unwucht gemessen, so dass das Ergebnis des Laserabtrags sofort erkennbar ist und durch eine geeignete Steuerung innerhalb der Steuereinrichtung 18 für die Bestimmung des weiteren Abtrags verwendet wird.
Die Steuerung kann beispielsweise derart erfolgen, dass eine Laserablation durch Beleuchtung mit dem Laserstrahl 17a so lange durchgeführt wird, bis eine zuvor festgelegte Resonanzfrequenz erreicht ist.
Nachfolgend wird der Frequenzabgleich und der Unwuchtabgleich am Beispiel eines Stimmgabel-Drehratensensors näher erläutert. Fig. 2 zeigt in schematischer Ansicht einen Stimmgabel-Drehratensensor 30. Der Sensor 30 umfasst zwei gegenüberliegende Zinken 31a, 31b in Form von Platten, die parallel zueinander ausgerichtet sind. Auf den Zinken 31a, 31 b befinden sich Aktoren 32a, 32b, beispielsweise in Form von piezoelektrischen Elementen, um die Zinken 31a, 31b zu Schwingungen in z-Richtung anzuregen. Die Zinken 31a, 31b sind an einem Torsionsbalken 33 befestigt, der ein Messelement 34 zur Messung einer Torsionsbewegung umfasst. Die Torsionsbewegung wird bei einer Schwingung der Zinken 31a, 31 b in z-Richtung und bei einer gleichzeitigen Drehung des Systems um die Drehachse A aufgrund der in diesem Zustand wirken- den Corioliskraft fc erzeugt. Ein derartiger Sensor ist in der Druckschrift DE 195 289 61 C2 im Detail beschrieben.
Bei einer vorhandenen Unwucht, die beispielsweise durch eine Asymmetrie der Zinken 31a, 31b vorhanden sein kann, wird eine Torsionsbewegung innerhalb des Torsionsbalkens 33 auch dann erzeugt, wenn keine Drehbewegung des Systems vorhanden ist.
Im vorliegenden Fall wird die Umwucht durch Laserablation an dem Zinken 31a in den Abtragbereichen 35 beeinflusst, reduziert oder beseitigt. Die Eigenfrequenz des hier dargestellten Drehratensensors 30 wird durch Laserablation bzw. Massenabtrag in dem weiteren Abtragbereich 36 getrimmt bzw. eingestellt. Der Abtragbereich 36 zum Frequenzabgleich befindet sich im Bereich des freien Endes des Zinkens 31a bzw. 31 b.
Beim Frequenzabgleich werden die Zinken 31a 31b durch die Aktoren 32a, 32b zum Schwingen in ihrer Resonanzfrequenz fz angeregt. Anschließend wird bei einer Drehrate des Sensors 30 eine Drehschwingung um die Drehachse A angeregt. Diese Drehschwingung hat die Resonanzfrequenz ft. Die Drehrate kann z. B. durch Drehen der Halterung 11 (siehe Fig. 1) erzeugt werden. Nun wird die Reso- nanzfrequenz fz durch Abtrag an den Zinken 31 a, 31 b erhöht. Dabei wird bei- spielsweise durch die Erhöhung der Resonanzfrequenz eine vorgegebene Differenzfrequenz Δf=fz-ft eingestellt. Von dieser Differenzfrequenz Δf hängt die Empfindlichkeit des Sensors 30 ab, die auf diese Weise eingestellt wird.
Eine am Sensor 30 vorhandene Unwucht wird durch einen asymetrischen Masseabtrag bezüglich der Drehachse A in den Abtragbereichen 35 abgeglichen. Die Unwucht entsteht beispielsweise aufgrund von Fertigungstoleranzen, die zu A- symmetrien führen, was ein Schwingen um die Drehachse A bewirkt.
Nachfolgend wird ein beispielhafter Ablauf des Verfahrens zum Sensorabgleich beschrieben, der z. B. an dem Drehratensensor 30 mittels der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung durchgeführt werden kann.
Um das Verfahren zum Sensorabgleich durchzuführen, wird zunächst ein Wafer bzw. eine Siliziumscheibe in die Vakuumkammer 19 eingebaut. Anschließend wird der Wafer 12 bzw. die Scheibe ausgerichtet und die Vakuumkammer 19 wird evakuiert. Nun wird ein Sensor oder Sensorelement 14 als Teil des Wafers 12, mit einem x-y-z-Thetatisch angefahren und mit den Nadeln 16a, 16b kontaktiert. Der x-y-z -Thetatisch bildet in diesem Fall die Halterung 11. Über eine Elektronikeinheit und die Messeinrichtung 13 werden die Resonanzfrequenzen fz und ft und die Umwucht bestimmt. Es können aber auch einzelne dieser Charakteristika bestimmt werde bzw. ein mechanisch elektrischer Plausibilitätscheck vorgenommen werden, und durch Laserabtrag wird die Resonanzfrequenz fz so verändert, bis ein gewünschtes Δf als Differenz der beiden Resonanzfrequenzen fz und ft er- reicht ist. Dabei wird fz schrittweise angepasst, d.h. fz wird gemessen und dann wird Material mit dem Laser 17 abgetragen. Diese Schritte werden wiederholt, bis Δf erreicht ist. Nun wird durch Laserabtrag die Unwucht abgeglichen, bis der Effekt der Unwucht auf das Sensorsignal minimal wird. Anschließend wird der nächste Sensor 14 des Wafers 12 angefahren und mit den Nadeln 16a, 16b kontaktiert, um das Trimmverfahren durchzuführen. Der Vorgang des Masseabtrags kann an der schwingenden Sensorstruktur übergangslos zum Vermessen erfolgen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Trimmen von Sensoren mit schwingenden Strukturen, bei dem ein Sensorelement (14,30), das eine schwingfähige Struktur (31a, 31b) zur
Erfassung einer Messgröße aufweist, mit einem Laserstrahl (17a) bearbeitet wird, um gezielt Masse abzutragen, wobei mindestens eine Resonanzfrequenz des Sensorelements (14, 30) und/oder eine Unwucht des Sensorelements (14, 30) abgeglichen wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (14, 30) während des Abtragens der Masse schwingt oder sich im Betriebszustand befindet und eine durch den Masseabtrag erfolgende Zustandsanderung instantan gemessen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeu- gung des Laserstrahls (17b) ein Femtosekundenlaser (17) verwendet wird, der
Laserpulse im Femtosekundenbereich erzeugt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgleich auf Waferebene durchgeführt , und dass während des Abtragens der Masse ein Vermessen des Sensorelements (14, 30) im Hinblick auf die Resonanzfrequenz und/oder die Unwucht durchgeführt wird und die Zustandsanderung zu messen.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass der Sensor (14, 30) aus Silizium gefertigt ist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (14, 30) ein mikromechanischer Drehratensensor ist, wobei das Sensorelement (14, 30) stimmgabelförmig ist.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das stimmgabelförmige Sensorelement (14, 30) Zinken (31a, 31b) umfasst, deren Resonanzfrequenz mittels Laserablation eingestellt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es unter Vakuumbedingungen durchgeführt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die weiteren Schritte: - Bestimmen mindestens einer Resonanzfrequenz des Sensorelements (14, 30); und
Verändern der mindestens einen Resonanzfrequenz durch Laserabtrag, bis ein vorgegebener Wert für die mindestens eine Resonanzfrequenz oder eine vorgegebene Differenz zweier Resonanzfrequenzen erreicht ist.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem Zinken (31a, 31b) einer Stimmgabel zum Schwingen in einer ersten Resonanzfrequenz fz angeregt werden und bei einer Drehrate auf Grund der Corioliskraft eine Drehschwingung verursacht wird, die eine zweite Resonanzfrequenz ft aufweist, wobei durch Abtrag an mindestens einem Zinken (31a) die erste Resonanzfrequenz fz erhöht wird, um einen vorgegebenen Differenzwert zwischen den beiden Resonanzfrequenzen einzustellen.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die weiteren Schritte:
Bestimmen einer Unwucht des Sensorelements (14, 30); und Abgleichen der Unwucht durch Laserabtrag, bis ein durch die Unwucht verursachtes Sensorsignal minimal wird.
11. Vorrichtung zum Trimmen von Sensoren mit schwingenden Strukturen, gekennzeichnet durch eine Messeinrichtung (13) zur Bestimmung einer Resonanzfrequenz und/oder einer Unwucht des Sensorelements (14, 30); einem Laser (17) mit einer Steuereinrichtung (18) zur gezielten Abtragung von Masse des Sen- sorelements; und einer Vergleichseinrichtung, um einen Messwert, der die aktuelle Resonanzfrequenz und/oder die aktuelle Unwucht repräsentiert, mit einem vorgegebenen Wert zu vergleichen.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der La- ser (17) ein Femtosekundenlaser ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, gekennzeichnet durch eine Vakuum-Kammer (19) zur Aufnahme eines zu trimmenden Sensorelements (14);
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch eine Einrichtung
(11) zum Tragen oder Halten eines Wafers (12), der ein oder mehrere der Sensorelemente (14) umfasst, in der Vakuumkammer (19).
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