Compact-Objektiv lose digitale holografische Mikroskop für MEMS-Inspektion und Charakterisierung

Zusammenfassung

Wir präsentieren eine kompakte Reflexion digitale holografische System (CDHM) zur Inspektion und Charakterisierung von MEMS-Bauelementen. Ein linsenloses Design einen divergierenden Eingangswelle bietet natürliche geometrische Vergrößerung verwendet wird demonstriert. Sowohl statische als auch dynamische Studien vorgestellt.

Zusammenfassung

A micro-electro-mechanical-system (MEMS) is a widely used component in many industries, including energy, biotechnology, medical, communications, and automotive. However, effective inspection and characterization metrology systems are needed to ensure the functional reliability of MEMS. This study presents a system based on digital holography as a tool for MEMS metrology. Digital holography has gained increasing attention in the past 20 years. With the fast development and decreasing cost of sensor arrays, resolution of such systems has increased broadening potential applications. Thus, it has attracted attention from both research and industry sides as a potential reliable tool for industrial metrology. Indeed, by recording the interference pattern between an object beam (which contains sample height information) and a reference beam on a CCD camera, one can retrieve the quantitative phase information of an object. However, most of digital holographic systems are bulky and thus not easy to implement on industry production lines. The novelty of the system presented is that it is lens-less and thus very compact. In this study, it is shown that the Compact Digital Holographic Microscope (CDHM) can be used to evaluate several characteristics typically consider as criteria in MEMS inspections. The surface profiles of MEMS in both static and dynamic conditions are presented. Comparison with AFM is investigated to validate the accuracy of the CDHM.

Einleitung

Metrology von Mikro- und Nanoobjekten ist von großer Bedeutung für die Industrie und Forscher. Tatsächlich stellt die Miniaturisierung von Objekten eine neue Herausforderung für die optische Messtechnik. Mikroelektromechanische Systeme (MEMS) sind allgemein definiert elektromechanische Systeme miniaturisiert und in der Regel umfasst Komponenten wie Mikrosensoren, Mikroaktuatoren, Mikroelektronik und Mikrostrukturen. Es hat viele Anwendungen in vielfältigen Bereich wie Biotechnologie, Medizin, Kommunikation und Sensor ¹ gefunden. Vor kurzem verfügt die zunehmende Komplexität sowie die fortschreitende Miniaturisierung der Testobjektaufruf für die Entwicklung geeigneter Charakterisierungstechniken für MEMS. Hoher Durchsatz Herstellung dieser komplexen Mikrosystemen erfordert die Einführung fortgeschrittener Inline - Messtechnik, zu charakteristischen Parameter zu quantifizieren und im Zusammenhang mit den Prozessbedingungen ² verursachte Mängel. Beispielsweise wird die Abweichung der geometrischen parameter in einer MEMS-Einrichtung wirkt sich auf die Systemeigenschaften und hat gekennzeichnet. Darüber hinaus muss die Industrie hochauflösende Messleistung, wie volle drei Dimension (3D) Messtechnik, große Sichtfeld, hohe Bildauflösung und die Echtzeitanalyse. Daher ist es wichtig, eine zuverlässige Qualitätskontrolle und Inspektion zu gewährleisten. Außerdem erfordert es das Messsystem leicht implementierbare auf einer Produktionslinie zu sein und daher relativ kompakt auf bestehende Infrastrukturen installiert werden.

Holographie, die von Gabor zuerst eingeführt wurde ³ ist eine Technik , die die Wiederherstellung der vollständigen quantitative Informationen eines Objekts ermöglicht durch die Interferenz zwischen einem Referenzaufnahme und einer Objektwelle in einem lichtempfindlichen Medium. Während dieses Prozesses als Aufzeichnungs bekannt ist, werden die Amplitude, Phase und Polarisation eines Feldes in dem Medium gespeichert. Dann kann das Objekt Wellenfeld durch Senden des Referenzstrahls auf die mich zurückgewonnen werdendium, ein Prozess als optische Lesen des Hologramms bekannt. Da nur ein herkömmlicher Detektor die Intensität der Welle erfasst hat Holographie ein Thema von großem Interesse in den letzten fünfzig Jahren, seit es den Zugriff auf zusätzliche Informationen über das elektrische Feld gibt. Jedoch mehrere Aspekte der konventionellen Holographie machen es für Industrie-Anwendungen unpraktikabel. Tatsächlich sind lichtempfindliche Materialien teuer, und der Aufzeichnungsprozess erfordert im allgemeinen einen hohen Grad an Stabilität. Die Fortschritte in der hochauflösenden Kamera-Sensoren wie ladungsgekoppelte Vorrichtungen (CCD) haben einen neuen Ansatz für die digitale Messtechnik eröffnet. Einer dieser Techniken wird als digitale Holografie ⁴ bekannt. In der digitalen Holografie (DH) wird das Hologramm auf einer Kamera (Aufzeichnungsmedium) aufgezeichnet und numerische Verfahren verwendet werden, um die Phasen- und Intensitätsinformation zu rekonstruieren. Wie bei konventionellen Holographie, kann das Ergebnis nach zwei Hauptverfahren erhalten werden: die Aufzeichnung und Rekonstruktion , wie in Fi gezeigtAbbildung 1. Wenn jedoch die Aufzeichnung ähnlich der herkömmlichen Holographie ist, ist die Rekonstruktion nur numerische ^5. Die numerische Rekonstruktionsprozess ist in Abbildung 2 dargestellt. Zwei Verfahren sind in den Wiederaufbauprozess beteiligt. Zunächst wird das Objekt Wellenfeld von dem Hologramm abgerufen. Das Hologramm wird mit einer numerischen Referenzwelle multipliziert, um die Objektwellenfront an der Hologrammebene zu erhalten. Zweitens wird die komplexe Objektwellenfront an der Bildebene numerisch propagiert. In unserem System wird dieser Schritt unter Verwendung des Faltungsverfahren ⁶ durchgeführt. Das rekonstruierte Feld erhalten wird, ist eine komplexe Funktion und somit Phase und Intensität auf das interessierende Objekt quantitative Höhe Bereitstellung von Informationen extrahiert werden. Die Fähigkeit der gesamten Feldinformationsspeicherung in Holographie-Verfahren und die Verwendung von Computertechnologie für schnelle Datenverarbeitung bieten mehr Flexibilität bei der experimentellen Konfiguration und signifikant die spee erhöhend des experimentellen Verfahren, neue Möglichkeiten eröffnen zu entwickeln DH als dynamisches messtechnische Werkzeug für MEMS und Mikrosysteme ^7,8.

Die Nutzung der digitalen Holografie im Phasenkontrast - Bildgebung ist inzwischen gut etabliert und wurde zum ersten Mal mehr als zehn Jahren präsentierte vor ^9. Tatsächlich Untersuchung mikroskopischer Geräte durch digitale Holografie und Mikroskopie kombiniert wurde in vielen Studien ^{10, 11, 12, 13.} Mehrere Systeme auf Basis von hoher Kohärenz ¹⁴ und niedriger Kohärenz ¹⁵ Quellen sowie verschiedene Arten von Geometrie ^{13, 16,} durchgeführt wurde ¹⁷ (in der Linie, von der Achse, gemeinsamen Weg ...) vorgestellt wurden. Zusätzlich in Linie digitalen Holografie hat ¹⁸ in Charakterisierung von MEMS - Vorrichtung vorher verwendet ^{wurde, 19.} Jedoch, diese Systeme im Allgemeinen schwierig zu implementieren sind und sperrig, so dass sie für industrielle Anwendungen ungeeignet. In dieser Studie schlagen wir eine kompakte, einfache und Objektiv frei System basierend auf off axis digitale Holographie für die Echtzeit-MEMS-Inspektion und Charakterisierung der Lage. Die kompakte Digital Holographic-Mikroskop (CDHM) ist eine Linse weniger digitale holografische System entwickelt und patentiert, die 3D-Morphologie der Mikrogröße spiegelnde Objekte zu erhalten. In unserem System 10 mW, sehr stabile, temperaturgesteuerten Diodenlaser bei 638 nm arbeitet, wird in eine Monomode-Faser gekoppelt. Wie in Figur 3 gezeigt, wird der divergierende Strahl von der Faser ausgehende aufgeteilt in einen Referenz- und einen Objektstrahl durch einen Strahlteiler. Der Referenzstrahlengang umfasst einen Umlenkspiegel den außeraxialen Geometrie zu verwirklichen. Der Objektstrahl wird gestreut und von der Probe reflektiert wird. Die beiden Strahlen interferieren auf dem CCD, das Hologramm zu geben. Das Interferenzmuster auf das Bild aufgeprägt wird ein räumlicher Träger genannt und erlaubt die Rückgewinnung der quantitative Phaseninformation mit nur einem Bild. Die numerische Rekonstruktion wird wie sta eine gemeinsame Fourier-Transformation und Faltungsalgorithmusted zuvor. Die Linse lose Konfiguration hat mehrere Vorteile, die es attraktiv machen. Da keine Linsen verwendet werden, ist der Eingangsstrahl eine divergierende Welle eine natürliche geometrische Vergrßerung Bereitstellung und somit die Systemauflösung zu verbessern. Darüber hinaus ist sie frei von Aberrationen in optischen Systemen typisch auftreten. Wie in 3B zu sehen ist, kann das System kompakt (55x75x125 mm ³⁾ hergestellt werden, leicht (400 g) und somit problemlos in industriellen Fertigungslinien integrierbar sind.

Protokoll

1. Vorläufige Vorbereitung der Messung

Anmerkung: Die für das Experiment verwendete Probe eine MEMS-Elektrode ist. Die Goldelektroden werden auf einem Siliziumwafer unter Verwendung Abhebeverfahren hergestellt. Die Probe ist ein 18 mm x 18 mm Wafer mit periodischen Strukturen (Elektroden) mit 1 mm Periode

1. Melden Sie sich in das Logbuch, bevor Sie das System verwenden.
2. Schalten Sie den Computer, LASER und Übersetzungsstufe Macht.
3. Legen Sie die MEMS-Elektrode / Mikromembranprobe.
   1. Platzieren Sie die MEMS Probe in der Mitte des Probenhalters ein pinzetten verwenden.
   2. Stellen Sie den Probenhalter um die Elektroden in dem Strahlengang zu positionieren. Die maximale Messsichtfeld wird durch den Kamerasensor Größe definiert. Es ist ein Rechteck von 2,3 mm x 1,8 mm.
4. Mit Hilfe der vertikalen Richtung motorisierte Bühne, bewegen Sie das System approximativ 1,5 cm entfernt von der Probe.

2. Software-Einstellungen Anpassung

1. Öffnen Sie die 3DViewSoftware. 3DView ist unser hauseigenes Programm in C ++ entwickelt.
2. Klicken Sie auf Imaging Source-Taste, um die richtige Kamera für das Experiment ausgewählt. Wählen Sie die monochrome CCD-Kamera. Vermeiden Sie eine Farbkamera in diesem Setup, da eine monochromatische Diodenlaser verwendet wird. Zusätzlich wird für die gleiche Anzahl von Pixeln, würde Auflösung niedriger sein, wenn die Farbkameras.
   1. In der Registerkarte Geräteeinstellungen, wählen Sie Y800 (1.280 x 960) Video-Format und 15 Bildern pro Sekunde Videorate.
3. Klicken Sie auf gelbe Play-Taste, um die Kamera zu starten. Ein Bild des Objekts mit aufgedruckten Streifenmuster (Hologram) sollte angezeigt werden.
   1. Passen Sie optimale Verstärkung und Belichtungsparameter Bildsättigung zu vermeiden, wenn nötig.
4. Mit dem Live-Video-Fenster Kamera-Ansicht, passen Sie die Probenposition den genauen Bereich auszuwählen, auf die Probe zu untersuchen.
5. Öffnen Sie Einstellungen Registerkarte.
   1. In der Registerkarte Konfiguration wählen Sie die Art der Oberfläche (reflektierend oder transparent), Wellenlänge von laSer und Pixelgröße der Kamera. Der Laser ist ein Dioden-Laser bei 633 nm arbeitet. Die Pixelgröße der Kamera ist 4,650 nm. Die Probe ist eine spiegelnde MEMS Elektrodeneinrichtung so Reflexionsmodus ausgewählt werden sollte.
      Hinweis: Die CDHM Konfiguration erlaubt nur reflektierenden Oberflächen gemessen werden. Jedoch kann die Software auch zur Messung der transparenten Proben verwendet werden , wenn ein anderes der digitalen Holografie System ¹³ verwendet wird. Eine Änderung dieser Einstellung ändert sich die Höhe Berechnungsformel aus der Phase. Tatsächlich ist die optische Pfaddifferenz-Berechnungs leicht unterschiedlich für transparente Proben, wie es das Objekt Brechungsindex umfasst.
   2. Wählen Sie den Rekonstruktionsalgorithmus Convolution und stellen Sie die Rekonstruktion Abstand auf Null. Wähle einen Rekonstruktionsschritt von 1 oder 2 ist.
      Hinweis: Der Parameterrekonstruktions Abstand kann später definiert werden, indem das Intensitätsbild von dem Hologramm erhalten Berücksichtigung und die Verwendung der Autofokus. Der Rekonstruktionsschritt definiert die Anzahl derverwendet Schritte, um die Fresnel Integral und simulieren die Strahlausbreitung zu implementieren. Die erste Methode bewerten das Integral einmal als eine einzige Fourier-Transformation. Ein Schritt 2 wird das Integral zweimal bewerten. Dies fügt mehr Flexibilität in der Gitterabstand ist jedoch rechentechnisch weniger effizient ^20.
   3. In der Nachbearbeitung Registerkarte, wählen Sie den auspackt Algorithmus notwendig, die endgültige abgewickeltes Bild zu erhalten. Wählen Sie Qualität abgebildet Algorithmus.
      Hinweis: In der Software, die Wahl zwischen Goldstein und Qualitäts Algorithmus Mapped vorgenommen werden kann. Die später hat sich das robuste und schnelle räumliche Phasenentkompaktierungstechniken gezeigt. Die Qualität abgebildet Algorithmus wird Abwickeln auf geführten Phase basiert , wie in ²¹ beschrieben.

3. Datenerfassung

1. Drücken Sie die Fourier-Symbol die Fourier-Transformation Spektrum-Fenster zu öffnen. Ein 0-ter Ordnung und zwei +1, -1 Aufträge sollte angezeigt werden. Ist dies nicht der Fall ist, prüfen Sie, dass die Probe in der richtigen Position ist, und stellen Sie gewinnen eind Belichtungszeit wieder.
2. Stoppen Sie die Live-Messmodus. Wählen Sie eine der Beugungsordnungen (positive oder negative Frequenz) durch den Filter-Tool. Der ausgewählte Bereich sollte groß genug sein, so daß alle Frequenzen für das Phasenwiedergewinnungs benötigt vorhanden sind. Schalten Sie den Live-Modus wieder.
   Hinweis: Die Wahl der negativen Ordnung wird nur das Vorzeichen der Phase im Endergebnis beeinflussen, dh die endgültige 3D - Bild invertiert werden.
3. Öffnen Sie das Phasenfenster. Überprüfen Sie, ob die ungeöffneten Modus nicht aktiviert ist. Grau Phase Bild des Objekts mit umwickelten Fransen eingeprägt erscheinen soll.
4. Nutzen Sie die motorisierte vertikale Bühne, die Anzahl der Streifen in dem Phasenbild zu reduzieren. Wenn nur 1 oder 2 Fransen auf dem Bild links sind, die motorisierte Bühne stoppen.
   Hinweis: Das System basiert auf der Interferometrie. So ist es zu Schwingungen empfindlich. die z-Richtung motorisierte Bühne Nach dem Umzug sollte der Benutzer 1 oder 2 Sekunden warten, bevor die Phase gewickelt Bild erscheint again. Es ist auch wichtig, Vibrationen während der Messung zu vermeiden, um eine stabile Phasenbild zu erhalten.
5. Klicken Sie auf die Auto-Fokus - ²² , um die beste Rekonstruktion Abstand zu finden. Man kann brauchen Autofokus die optimale Rekonstruktion Entfernung zu nähern, mehrmals zu verwenden, bis die Intensität Bild scharf und klar erscheint. Der Autofokus basiert auf einer effizienten und zeit effektive Winkelspektrum Verfahren wie in ²² beschrieben.
   Hinweis: Der Fokus Schieberegler können zur Feineinstellung verwendet werden. Klicken Sie dann auf Mitte Fokus-Taste, um die aktuelle Rekonstruktion Entfernung aufzuzeichnen. Es scheint manchmal, dass am besten Fokus nicht mit Autofokus-Option gefunden. In diesem Fall wird die manuelle Eingabe Rekonstruktion Entfernung finden Sie den besten Fokus.
6. Aktivieren Sie die ungeöffneten Modus, um die aufgewickelten Phasen Bild durch Klicken auf die Schaltfläche Abwickeln zu sehen.

4. Daten-Visualisierung und Analyse zur statischen Messung

1. Öffnen Sie die 3D-Bildfenster, um den 3D zu sehenBild der Probe. Optionen Verwenden Sie das Endergebnis (Drehen, Farbkarte, Skalenanzeige ...) zu beobachten.
2. Klicken Sie auf die Kachel Fenster, um die Fenster als nicht überlappend zu gestalten und alle Messungen Fenster anzuzeigen.
3. Verwenden Sie die Linie Lineal eine Linie auf einem Gebiet von Interesse auf der ungeöffneten Phasenbild zu zeichnen. Im Liniendiagramm Fenster kann ein Querschnittsprofil Handlung des Bereichs von Interesse zu beobachten. Verwenden Sie die beiden Marker grüne Linie eine ungefähre Höhe des Objekts (Abbildung 5) zu extrahieren.
   Oberflächenrauhigkeit kann auch auf dem flachen oberen Teil der Probe erhalten werden.
4. Speichern Sie die letzte Phase Bild im JPEG-Format an andere Software zu importieren, wenn nötig.

5. Herstellung von Probe und Datenanalyse für dynamische Mess

1. Legen Sie die Micro-Membran auf einer Heizstation Platte. Die Probe wird nicht von der Platte entfernt werden, bis das Experiment beendet.
2. Nehmen Sie ein Hologramm des micro Membran bei Umgebungstemperatur durch das Verfahren folgende oben in Abschnitt 2 und 3 beschrieben wird es für die Deformationsanalyse als Referenz verwendet werden.
3. Speichern Sie die Phasendaten auf dem Computer.
4. Schalten Sie die Laborheizplatte.
5. Unter Verwendung der Temperatur-Regler, variieren, um die Temperatur in Schritten von 50 ° C von 50 ° C bis 300 ° C. Für jeden Temperaturschritt, in JPEG- Format, um die Phasenkarte Bild speichern.
6. Ziehen Sie die anfängliche Umgebungstemperatur Phasenkarte von der anderen Phasenkarte aufgezeichnet, die Verformung Daten zu erhalten.
   Hinweis: Dieser Beitrag Verarbeitungsschritt kann mit einfachen MATLAB-Code realisiert werden. Die verschiedenen Phasen erhalten werden geladen in MATLAB und einfachen Matrix-Subtraktion durchgeführt wird. Dann Querschnittsdiagramme der unterschiedlichen Verformungsstufen erhalten werden.

Ergebnisse

Die oben beschriebenen Protokoll wurde entworfen, MEMS- und Micro Devices unter Verwendung CDHM System zu untersuchen und zu charakterisieren. In unserem System wird eine Monomode-Faser mit einem Diodenlaser gekoppelt mit einer 633 nm Wellenlänge arbeitet. Aufgrund der divergierenden Strahlkonfiguration ist es wichtig, den Objektstrahl und Referenzstrahlengang anzupassen, um ein Hologramm zu erhalten, die rekonstruiert werden können. Dies wird durch eine sorgfältige vertikale Position...

Diskussion

In diesem Beitrag stellen wir ein Protokoll, um genau die quantitative Morphologie verschiedener MEMS-Geräte durch die Verwendung eines kompakten Systems sich auf der digitalen Holografie erholen. MEMS Charakterisierung in statischen und dynamischen Modus wird demonstriert. Quantitative 3D-Daten eines Mikrokanal MEMS erhalten. Um die Genauigkeit des Systems zu bestätigen, wurden Ergebnisse zwischen dem CDHM und dem AFM verglichen. Eine gute Übereinstimmung wird, was bedeutet, dass gefunden digitalen Holografie eine z...

Materialien

Name	Company	Catalog Number	Comments
2 MP Camera	Imaging Source	DMX 41BU02	used to record the hologram. 4.65 microns pixel size
Motorized X,Y,Z Translation Stage	Zaber Technology	TLS28-M	Holder for the system
Beam splitter	Edmund optics	49-003	Cube Beam splitter. Separate and recombine the object and reference beam
Laser	Micro Laser Systems, Inc.	SRT-F635S-20/OSYS	Diode laser
Mirror	Edmund Optics	#43-412-566	1" Dia. Protected Gold, λ/20 Flat Zerodur
monomode Fiber	Thorlabs	S405-XP	Single Mode Optical Fiber, 400 - 680 nm, Ø 125 µm Cladding
Sample holder	Edmund Optics	#39-930	Ideal Positioning Platform, ±35 mm Travel in Both X and Y
Hotplate	Thermolyne Mirak hotplate	Barnstead International HP72935-60	temperature range 40-370 °C
Holoscope Software	d'Optron Pte Ltd		software developed by the NTU researchers