Compacto holográfica microscopio digital Lente menos por MEMS Inspección y Caracterización

Resumen

Presentamos un sistema holográfico digital de reflexión compacto (CDHM) para la inspección y caracterización de dispositivos MEMS. Un diseño de lente de menor a través de una onda de entrada divergente proporciona magnificación geométrica natural se demostró. Ambos se presentan los estudios estáticos y dinámicos.

Resumen

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.

Introducción

Metrología de micro y nano objetos es de gran importancia para la industria y los investigadores. De hecho, la miniaturización de los objetos representa un nuevo reto para la metrología óptica. sistemas micro electro mecánicos (MEMS) se definen generalmente ha miniaturizado sistemas electromecánicos y por lo general comprende componentes tales como sensores micro, micro actuadores, la microelectrónica y microestructuras. Se ha encontrado muchas aplicaciones en distintos campos como la biotecnología, la medicina, la comunicación y la detección ^1. Recientemente, la complejidad cada vez mayor, así como la progresiva miniaturización de objeto de prueba funciones de llamada para el desarrollo de técnicas de caracterización adecuados para MEMS. Alto rendimiento de fabricación de estos complejos microsistemas requiere la implementación de las técnicas de medición en línea avanzada, para cuantificar parámetros característicos y defectos relacionados causadas por las condiciones de proceso ^2. Por ejemplo, la desviación de param geométricaetros en un dispositivo MEMS afecta a las propiedades del sistema y tiene que ser caracterizado. Además, la industria requiere un rendimiento de medición de alta resolución, tales como la metrología completa en tres dimensiones (3D), amplio campo de visión, la nitidez de la imagen, y el análisis en tiempo real. Por lo tanto, es esencial para asegurar un control de calidad y proceso de inspección fiable. Además, se requiere que el sistema de medición para ser fácilmente implementable en una línea de producción y por lo tanto relativamente compacto para ser instalado en las infraestructuras existentes.

La holografía, que se introdujo por primera vez por Gabor ^3, es una técnica que permite la recuperación de la información cuantitativa completa de un objeto mediante el registro de la interferencia entre una referencia y una onda del objeto en un medio fotosensible. Durante este proceso conocido como la grabación, la amplitud, fase y polarización de un campo se almacenan en el medio. A continuación, el campo de ondas objeto se puede recuperar enviando el haz de referencia en el meDium, un proceso conocido como de lectura óptica del holograma. Desde un detector convencional sólo se registra la intensidad de la onda, la holografía ha sido un tema de gran interés en los últimos cincuenta años, ya que da acceso a información adicional sobre el campo eléctrico. Sin embargo, varios aspectos de la holografía convencional hacen que sea poco práctico para las aplicaciones industriales. De hecho, los materiales fotosensibles son caros y el proceso de grabación requiere generalmente un alto grado de estabilidad. Los avances en sensores de la cámara de alta resolución, tales como dispositivos de carga acoplada (CCD) han abierto un nuevo enfoque para la metrología digital. Una de esas técnicas se conoce como holografía digital ^4. En Digital Holografía (DH), el holograma es grabado en una cámara (soporte de grabación) y los procesos numéricos se utilizan para reconstruir la información de fase y la intensidad. Al igual que con la holografía convencional, el resultado puede ser obtenido después de dos procedimientos principales: la grabación y de reconstrucción como se muestra en Fifigura 1. Sin embargo, si la grabación es similar a la holografía convencional, la reconstrucción es solamente numérica ^5. El proceso de reconstrucción numérico se muestra en la Figura 2. Dos procedimientos están involucrados en el proceso de reconstrucción. En primer lugar, el campo de onda del objeto se recupera del holograma. El holograma se multiplica con una onda de referencia numérica para obtener el frente de onda objeto en el plano del holograma. En segundo lugar, el complejo de frente de onda se propaga objeto numéricamente al plano de imagen. En nuestro sistema, este paso se lleva a cabo utilizando el método de convolución ^6. El campo reconstruida obtenida es una función compleja y por lo tanto la fase y la intensidad se pueden extraer proporcionar información cuantitativa altura en el objeto de interés. La capacidad de almacenamiento de la información de campo en todo método de la holografía y el uso de la tecnología informática para el procesamiento de datos rápida ofrecen más flexibilidad en la configuración experimental y aumentan significativamente el Speed del proceso experimental, abriendo nuevas posibilidades para el desarrollo de DH como una herramienta dinámica para metrológico MEMS y microsistemas de ^7,8.

El uso de la holografía digital en imágenes de contraste de fase está ahora bien establecida y se presentó por primera vez hace más de diez años ^9. De hecho, la investigación de dispositivos microscópicos mediante la combinación de la holografía digital y microscopía se ha realizado en muchos estudios de ^{10, 11, 12, 13.} Varios sistemas basados ​​en alta coherencia ¹⁴ y baja coherencia ¹⁵ fuentes, así como diferentes tipos de geometría ^{13, 16, 17} (en línea, fuera de eje, camino común ...) se han presentado. Además, en línea de holografía digital se ha utilizado anteriormente en la caracterización de dispositivo MEMS ^{18, 19.} Sin embargo, estos sistemas son generalmente difíciles de implementar y voluminosos, que los hace inadecuados para aplicaciones industriales. En este estudio, se propone un sistema compacto, sencillo y gratuito basado en la lente axi fueras holografía digital con capacidad para la inspección de MEMS en tiempo real y caracterización. El microscopio digital compacta holográfica (CDHM) es una lente holográfica digital de sistema menos desarrollado y patentado para obtener la morfología 3D de objetos especulares tamaño micro. En nuestro sistema, un 10 mW, altamente estable, de temperatura controlada láser de diodo que funciona a 638 nm se acopla en una fibra mono-modo. Como se muestra en la Figura 3, el haz divergente que emana de la fibra se divide en una referencia y un haz de objeto por un divisor de haz. La trayectoria del haz de referencia comprende un espejo inclinado a darse cuenta de la geometría fuera de eje. El haz de objeto es dispersada y reflejada por la muestra. Los dos haces interfieren en el CCD dando el holograma. El patrón de interferencia impresa sobre la imagen se denomina portador espacial y permite la recuperación de la información de fase cuantitativa sólo una imagen con. La reconstrucción numérica se realiza usando una transformada de Fourier común y el algoritmo de convolución como staTed anteriormente. La configuración de lente-menos tiene varias ventajas por lo que es atractivo. Como no se utilizan lentes, el haz de entrada es una onda divergente proporcionando una magnificación geométrica natural y mejorando así la resolución del sistema. Además, es libre de aberraciones encontrados en los sistemas ópticos típicos. Como puede verse en la Figura 3B, el sistema puede hacerse compacto (55x75x125 mm ^3), ligero (400 g), y por lo tanto se puede integrar fácilmente en líneas de producción industrial.

Protocolo

1. Preparación preliminar de la Medición

Nota: La muestra utilizada para el experimento es un electrodo de MEMS. Los electrodos de oro se fabrican en una oblea de silicio usando el despegue proceso. La muestra es un joven de 18 mm x 18 mm oblea con estructuras periódicas (electrodos) con 1 mm periodo

1. Inicia sesión en el libro de registro antes de utilizar el sistema.
2. Encienda la potencia de los ordenadores, sistemas láser y etapa de traducción.
3. Coloque la muestra MEMS electrodo / micro-diafragma.
   1. Colocar la muestra MEMS en el medio de soporte de la muestra utilizando una pinza.
   2. Ajuste el soporte de muestra para posicionar los electrodos en la trayectoria del haz. El campo de medición máxima de vista se define por el tamaño del sensor de la cámara. Es un rectángulo de 2,3 mm x 1,8 mm.
4. El uso de la etapa de dirección vertical motorizado, mover el sistema de aproximativamente 1,5 cm de distancia de la muestra.

2. Software de Configuración de Ajuste

1. Abra la 3DVersoftware. 3DVer es nuestro programa interno en desarrollado en C ++.
2. Haga clic en el botón fuente de imágenes para seleccionar la cámara adecuada para el experimento. Elija la cámara CCD monocromo. Evitar una cámara de color en esta configuración puesto que se utiliza un láser de diodo monocromática. Además, para el mismo número de píxeles, la resolución sería menor cuando se utilizan cámaras a color.
   1. En la pestaña de configuración de dispositivos, seleccione Y800 (1280 x 960) y el formato de vídeo de 15 fotogramas por segundo velocidad de vídeo.
3. Haga clic en el botón de reproducción de color amarillo para iniciar la cámara. Una imagen del objeto con patrones de franjas impresas (holograma) debería aparecer.
   1. Ajuste óptimos parámetros de ganancia y de exposición para evitar la saturación de la imagen si es necesario.
4. Uso de la ventana de vista de la cámara de vídeo en directo, ajustar la posición de la muestra para seleccionar el área exacta para investigar sobre la muestra.
5. pestaña de configuración abierta.
   1. En la pestaña de configuración, seleccione el tipo de superficie (reflectante o transparente), longitud de onda de laSer, y el tamaño de píxel de la cámara. El láser es un láser de diodo que funciona a 633 nm. El tamaño de los píxeles de la cámara es 4,650 nm. La muestra es un dispositivo MEMS especular electrodo así el modo de reflexión debe ser seleccionado.
      Nota: La configuración CDHM permite que sólo las superficies reflectantes a medir. Sin embargo, el software también se puede utilizar para medir muestras transparentes cuando un sistema de holografía digital diferente se utiliza ^13. Un cambio en esta configuración se modifica la fórmula de cálculo de la altura de la fase. De hecho, el cálculo de la diferencia de camino óptico es ligeramente diferente para muestras transparentes, ya que incluye el índice de refracción objeto.
   2. Elegir el algoritmo de reconstrucción de convolución y ajustar la distancia de reconstrucción a cero. Elija un paso reconstrucción de 1 o 2.
      Nota: El parámetro de distancia de reconstrucción se puede definir más adelante al considerar la imagen de intensidad obtenida a partir del holograma y utilizando el enfoque automático. La etapa de reconstrucción define el número depasos utilizados para implementar la integral de Fresnel y simular la propagación del haz. El primer método de evaluar la integral como una sola vez transformada de Fourier. Un paso de 2 evaluará la integral doble. Esto añade una mayor flexibilidad en el intervalo de la rejilla, pero es computacionalmente menos eficiente ^20.
   3. En la pestaña de post-procesamiento, seleccionar el algoritmo de desenvolver necesaria para obtener la imagen sin envolver final. Seleccione la calidad de mapeado algoritmo.
      Nota: En el software, la elección entre Goldstein y Calidad asignada algoritmo puede hacerse. Cuanto más tarde ha demostrado fase espacial robusto y rápido desenvolver. El algoritmo de calidad asignada se basa en fase guiada desenvolver como se describe en ^21.

3. Adquisición de Datos

1. Pulse el icono de Fourier para abrir la ventana del espectro de transformadas de Fourier. Una orden 0 y dos +1, -1 órdenes deben aparecer. Si este no es el caso, compruebe que la muestra está en la posición correcta, y ajustar obtener unad tiempo de exposición de nuevo.
2. Detener el modo de medición en vivo. Seleccione uno de los órdenes difractados (frecuencia positiva o negativa) con la función de filtro. El área seleccionada debe ser lo suficientemente grande como para que todas las frecuencias necesarias para la recuperación de fase están presentes. Conmutar del modo de vivir de nuevo.
   Nota: La elección del orden negativo se acaba de afectar la señal de la fase en el resultado final, es decir, se invierte la imagen en 3D final.
3. Abra la ventana de fase. Compruebe que el modo de envolver no está activado. Imagen fase gris del objeto impreso con franjas envueltos debería aparecer.
4. Utilizar la etapa verticales motorizado para reducir el número de franjas de la imagen de la fase en. Cuando sólo 1 o 2 franjas se dejan en la imagen, detenga la platina motorizada.
   Nota: El sistema se basa en la interferometría. Por lo tanto, es sensible a las vibraciones. Después de mover el escenario z dirección motorizada, el usuario debe esperar 1 o 2 segundos antes de que la imagen aparece envuelta fase againorte. También es importante para evitar vibraciones durante la medición para obtener una imagen de fase estable.
5. Haga clic en el botón de enfoque automático ²² para encontrar la mejor distancia de reconstrucción. Uno puede necesitar utilizar el enfoque automático varias veces para acercarse a la distancia óptima de reconstrucción hasta que la imagen de intensidad aparece nítida y clara. El enfoque automático se basa en un método de espectro angular efectiva y eficiente el tiempo como se describe en ^{el 22.}
   Nota: La barra de selección de enfoque se puede utilizar para un ajuste fino. A continuación, haga clic en el botón de enfoque central para registrar la distancia actual reconstrucción. A veces parece que el mejor enfoque no se encontró con la opción de enfoque automático. En este caso, introducir manualmente reconstrucción distancia para encontrar el mejor enfoque.
6. Activar el modo de envolver para ver la imagen de fase desenvuelta haciendo clic en el botón de desenrollado.

4. La visualización y análisis de datos para la medición estática

1. Abra la ventana de la imagen 3D para ver el final de 3Dimagen de la muestra. Utilice las opciones disponibles para observar el resultado final (rotar, mapa de color, escala de visualización ...).
2. Haga clic en el botón de ventanas en mosaico para organizar las ventanas como no se solapan y mostrar todas las ventanas mediciones.
3. Utilice la regla de línea para dibujar una línea en un área de interés la imagen de fase desenvuelta sucesivamente. En la ventana de diagrama de puntos, se puede observar un gráfico de perfil en sección transversal del área de interés. Use los dos marcadores de línea verde para extraer una altura aproximada del objeto (Figura 5).
   Rugosidad de la superficie también se puede obtener en la parte superior plana de la muestra.
4. Guarda la imagen de fase final en formato JPEG para importarlo a otro software si es necesario.

5. Preparación de la muestra y análisis de datos para medición dinámica

1. Coloque el diafragma en una placa de micro estación de calentamiento. La muestra no se retiró de la placa hasta que termina el experimento.
2. Grabar un holograma del micro diafragma a temperatura ambiente siguiendo el procedimiento descrito anteriormente en la Sección 2 y 3. Se puede utilizar como una referencia para el análisis de la deformación.
3. Guardar los datos de fase en el equipo.
4. Encienda la placa de calentamiento de laboratorio.
5. Mediante el mando de la temperatura, variar la temperatura en pasos de 50 ° C de 50 ° C a 300 ° C. Para cada paso de temperatura, guardar la imagen del mapa de fase en formato JPEG.
6. Restar el mapa de fase la temperatura ambiente inicial de la otra fase mapa grabado para obtener los datos de deformación.
   Nota: Este paso de post-procesamiento se puede realizar con código MATLAB sencilla. Las diferentes fases obtenidas se cargan en MATLAB y se realiza la resta sencilla matriz. Entonces parcelas de sección transversal de las diferentes etapas de deformación se pueden obtener.

Resultados

El protocolo descrito anteriormente fue diseñado para inspeccionar y caracterizar MEMS y los dispositivos que utilizan el sistema Micro CDHM. En nuestro sistema, una fibra mono-modo está acoplada a un láser de diodo que funciona a una longitud de onda de 633 nm. Debido a la configuración haz divergente, es importante para que coincida con el haz objeto y el camino del haz de referencia con el fin de obtener un holograma que puede ser reconstruido. Esto se logra mediante la colocació...

Discusión

En esta revisión, proporcionamos un protocolo para recuperar con precisión la morfología cuantitativa de diferentes dispositivos MEMS mediante el uso de un sistema compacto depender de la holografía digital. caracterización MEMS en modo estático y dinámico se demuestra. Se obtienen datos 3D cuantitativos de un MEMS micro canales. Con el fin de validar la precisión del sistema, los resultados se han comparado entre el CDHM y la AFM. Buen acuerdo se encuentra lo que significa que la holografía digital puede ser u...

Materiales

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