Compact numérique Holographic Microscope pour les MEMS Inspection et caractérisation de Lens-moins

Résumé

Nous présentons un système holographique numérique de réflexion compact (CDHM) pour l'inspection et la caractérisation des dispositifs MEMS. Une conception de lentille moins en utilisant une onde d'entrée divergente fournissant un grossissement géométrique naturelle est démontrée. Des études à la fois statiques et dynamiques sont présentées.

Résumé

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.

Introduction

Métrologie des micro et nano objets est d'une grande importance pour l'industrie et les chercheurs. En effet, la miniaturisation des objets représente un nouveau défi pour la métrologie optique. systèmes micro électro mécaniques (MEMS) sont généralement définies a miniaturisé les systèmes électromécaniques et comprend généralement des composants tels que des micro capteurs, micro actionneurs, de la microélectronique et des microstructures. Il a trouvé de nombreuses applications dans le domaine diversifié tels que la biotechnologie, la médecine, la communication et de détection ^1. Récemment, la complexité croissante ainsi que la miniaturisation progressive de l'objet de test dispose d'appel pour le développement de techniques de caractérisation appropriées pour MEMS. Fabrication à haut débit de ces microsystèmes complexes nécessite la mise en oeuvre des techniques de mesure en ligne de pointe, afin de quantifier les paramètres caractéristiques et les défauts liés provoqués par les conditions du procédé ^2. Par exemple, la déviation géométrique paramparamè- dans un dispositif MEMS affecte les propriétés du système et doit être caractérisée. En outre, l'industrie a besoin de haute performance de mesure de la résolution, comme le plein trois dimensions (3D) la métrologie, un grand champ de vue, la résolution de l'imagerie haute, et analyse en temps réel. Ainsi, il est essentiel d'assurer un contrôle de la qualité et de processus d'inspection fiable. En outre, il exige que le système de mesure d'être facilement réalisable sur une ligne de production et donc relativement compact pour être installé sur les infrastructures existantes.

Holographie, qui a été introduite par Gabor ^3, est une technique qui permet la récupération de l'information quantitative complète d'un objet en enregistrant l'interférence entre une référence et une onde objet dans un support photosensible. Pendant ce processus, connu comme l'enregistrement, l'amplitude, la phase et la polarisation d'un champ sont stockés dans le milieu. Ensuite, le champ d'onde objet peut être récupéré en envoyant le faisceau de référence sur le moidium, un processus connu sous le nom de lecture optique de l'hologramme. Etant donné qu'un détecteur classique enregistre uniquement l'intensité de l'onde, l'holographie a été un sujet de grand intérêt au cours des cinquante dernières années, car il donne accès à des informations supplémentaires sur le champ électrique. Cependant, plusieurs aspects de l'holographie classique rendent impraticable pour les applications de l'industrie. En effet, les matériaux photosensibles sont coûteux et le processus d'enregistrement nécessite généralement un degré élevé de stabilité. Les progrès réalisés dans les capteurs de la caméra haute résolution tels que les dispositifs couplés chargés (CCD) ont ouvert une nouvelle approche pour la métrologie numérique. Une de ces techniques est connu comme holographie numérique ^4. Holographie numérique (DH), l'hologramme est enregistré sur une caméra (support d'enregistrement) et des procédés numériques sont utilisés pour reconstituer les informations de phase et d'intensité. Comme avec l' holographie classique, le résultat peut être obtenu après deux procédures principales: l'enregistrement et de reconstruction comme le montre la Fifigure 1. Cependant, si l'enregistrement est similaire à l' holographie classique, la reconstruction est seulement ⁵ numérique. Le processus de reconstruction numérique est représentée sur la figure 2. Deux procédés sont impliqués dans le processus de reconstruction. Tout d'abord, le champ d'onde objet est récupéré à partir de l'hologramme. L'hologramme est multiplié par une onde de référence numérique pour obtenir le front d'onde objet au niveau du plan de l'hologramme. En second lieu, l'objet de front d'onde complexe est numériquement propagée au plan de l'image. Dans notre système, cette étape est réalisée en utilisant la méthode de convolution ^6. Le champ reconstruit obtenu est une fonction complexe et ainsi la phase et l'intensité peuvent être extraites de fournir des informations quantitatives sur la hauteur de l'objet d'intérêt. La capacité de l'ensemble de stockage d'informations de champ dans la méthode de l'holographie et l'utilisation de la technologie informatique pour le traitement rapide des données offrent une plus grande flexibilité dans la configuration expérimentale et d'augmenter de manière significative le speed du processus expérimental, ouvrant de nouvelles possibilités de développer DH comme un outil métrologique dynamique pour les MEMS et les micro-systèmes ^7,8.

L' utilisation de l' holographie numérique imagerie de contraste de phase est maintenant bien établie et a été présenté il y a plus de dix ans ^9. En effet, la recherche de dispositifs microscopiques en combinant holographie numérique et la microscopie a été réalisée dans de nombreuses études ^{10, 11, 12, 13.} Plusieurs systèmes basés sur la cohérence élevée ¹⁴ et à faible cohérence ¹⁵ sources, ainsi que différents types de géométrie ^{13, 16, 17} (en ligne, hors axe, chemin commun ...) ont été présentés. En outre, dans la ligne holographie numérique a été utilisé précédemment dans la caractérisation du dispositif MEMS ^{18, 19.} Cependant, ces systèmes sont généralement difficiles à mettre en œuvre et encombrants, ce qui les rend impropres à des applications industrielles. Dans cette étude, nous proposons un système compact, simple et lentille libre basé sur axi offs holographie numérique capable de MEMS en temps réel l'inspection et la caractérisation. Le microscope Compact Holographic Digital (CDHM) est une lentille moins système holographique numérique développé et breveté pour obtenir la morphologie 3D des objets spéculaires micro-taille. Dans notre système, un 10 mW, très stable, à température contrôlée diode laser fonctionnant à 638 nm est couplé dans une fibre monomode. Comme on le voit sur ​​la figure 3, le faisceau divergent issu de la fibre est divisée en une référence et un faisceau objet par un diviseur de faisceau. Le trajet du faisceau de référence comprend un miroir incliné pour réaliser la géométrie de l'axe d'arrêt. Le faisceau objet est dispersée et réfléchie par l'échantillon. Les deux faisceaux interfèrent sur le CCD donnant l'hologramme. Le motif d'interférence sur l'image imprimée est appelé un transporteur spatial et permet la récupération des informations quantitatives en phase avec une seule image. La reconstruction numérique est effectuée en utilisant une transformée de Fourier commune et de l'algorithme de convolution comme stated précédemment. La configuration de la lentille moins présente plusieurs avantages qui rend attrayant. Comme aucune des lentilles sont utilisées, le faisceau d'entrée est une onde divergente fournissant un grossissement géométrique naturel, améliorant ainsi la résolution du système. De plus, il est exempt d'aberrations rencontrées dans les systèmes optiques typiques. Comme on peut le voir sur la figure 3B, le système peut être rendu compact (55x75x125 mm ^3), légère (400 g), et peut donc être facilement intégré dans des lignes de production industrielle.

Protocole

1. Préparation préliminaire de la mesure

Remarque: L'échantillon utilisé pour l'expérience est une électrode MEMS. Les électrodes en or sont fabriqués sur une plaquette de silicium au moyen du procédé de décollage. L'échantillon est de 18 mm x 18 mm avec plaquette structures périodiques (électrodes) avec 1 mm période

1. Connectez-vous dans le journal de bord avant d'utiliser le système.
2. Allumez l'ordinateur, LASER et le stade de la traduction.
3. Placez le MEMS électrode / micro-membrane échantillon.
   1. Placer l'échantillon MEMS au milieu du porte-échantillon à l'aide d'une pince à épiler.
   2. Ajuster le porte-échantillon pour positionner les électrodes dans le trajet du faisceau. Le champ de mesure de vision maximal est défini par la taille du capteur de la caméra. Il est un rectangle de 2,3 mm x 1,8 mm.
4. Utilisation de la direction motorisée étape verticale, déplacer le système approximativement 1,5 cm de l'échantillon.

2. Logiciel d'ajustement des paramètres

1. Ouvrez le 3DViewlogiciel. 3DView est notre programme en interne développé en C ++.
2. Cliquez sur le bouton source d'imagerie pour sélectionner la caméra appropriée pour l'expérience. Choisissez la caméra CCD monochrome. Évitez une caméra couleur dans cette configuration depuis une diode laser monochromatique est utilisé. De plus, pour le même nombre de pixels, la résolution serait inférieure lors de l'utilisation des caméras couleur.
   1. Dans l'onglet Paramètres du périphérique, sélectionnez Y800 (1.280 x 960) format vidéo et 15 images par seconde vidéo.
3. Cliquez sur le bouton de lecture jaune pour démarrer l'appareil photo. Une image de l'objet avec des motifs sociaux imprimés (Hologram) devrait apparaître.
   1. Régler les paramètres de gain et une exposition optimale pour éviter saturation de l'image si nécessaire.
4. Utilisation de la vue en direct de la caméra de la fenêtre vidéo, régler la position de l'échantillon pour sélectionner la zone exacte pour enquêter sur l'échantillon.
5. Ouvrez l'onglet Paramètres.
   1. Dans l'onglet de configuration, sélectionnez le type de surface (réfléchissante ou transparente), longueur d'onde de laser, et taille de pixel de la caméra. Le laser est une diode laser fonctionnant à 633 nm. La taille des pixels de la caméra est 4650 nm. L'échantillon est un dispositif MEMS spéculaire d'électrode de façon mode réflectif doit être sélectionné.
      Remarque: La configuration CDHM ne permet que des surfaces réfléchissantes à mesurer. Cependant, le logiciel peut également être utilisé pour mesurer les échantillons transparents quand un système d'holographie numérique différent est utilisé ^13. Une modification de ce paramètre modifie la formule de calcul de la hauteur de la phase. En effet, le calcul de la différence de chemin optique est légèrement différente pour les échantillons transparents car il comprend l'indice de réfraction objet.
   2. Choisissez l'algorithme de reconstruction de convolution et de définir la distance de reconstruction à zéro. Choisir une étape de reconstruction de 1 ou 2.
      Remarque: le paramètre de distance de reconstruction peut être définie plus loin en considérant l'image d'intensité obtenues à partir de l'hologramme et à l'aide de la mise au point automatique. L'étape de reconstruction définit le nombre deétapes utilisées pour mettre en œuvre l'intégrale de Fresnel et de simuler la propagation du faisceau. La première méthode d'évaluer l'intégrale une fois comme une transformée de Fourier simple. Une étape de 2 évaluera deux fois l'intégrale. Cela ajoute plus de flexibilité dans l'espacement de la grille , mais est informatiquement moins efficace ^20.
   3. Dans l'onglet de post-traitement, sélectionnez l'algorithme déballant nécessaire pour obtenir l'image finale non emballé. Sélectionnez la qualité mappé algorithme.
      Remarque: Dans le logiciel, le choix entre Goldstein et la qualité mappée algorithme peut être effectué. La suite a montré phase spatiale robuste et rapide dépliage. L'algorithme de qualité mappé est basée sur la phase guidée déballant comme décrit dans ^21.

3. Acquisition de données

1. Appuyez sur transformer icône pour ouvrir la fenêtre de spectre de Fourier de Fourier. Un ordre 0 et deux +1, -1 commandes doivent apparaître. Si cela est le cas, vérifiez que l'échantillon est dans la bonne position et régler le gain d'und le temps d'exposition à nouveau.
2. Arrêtez le mode de mesure en direct. Sélectionnez l'un des ordres diffractés (fréquence positive ou négative) en utilisant l'outil de filtrage. La zone sélectionnée doit être suffisamment grand pour que toutes les fréquences nécessaires à la récupération de phase sont présents. Mettez le mode en direct à nouveau.
   Remarque: Le choix de l'ordre négatif juste affecter le signe de la phase dans le résultat final, à savoir, l'image finale 3D sera inversée.
3. Ouvrez la fenêtre de phase. Vérifiez que le mode non emballé est pas activé. image de phase gris de l'objet imprimé avec des franges enveloppées devrait apparaître.
4. Utiliser le stade vertical motorisé pour réduire le nombre de franges dans l'image de phase. Lorsque seulement 1 ou 2 franges sont laissés sur l'image, arrêter la platine motorisée.
   Remarque: Le système est basé sur l'interférométrie. Ainsi, il est sensible aux vibrations. Après avoir déplacé la scène direction z motorisé, l'utilisateur doit attendre 1 ou 2 secondes avant que l'image de phase enveloppé apparaît contn. Il est également important d'éviter les vibrations pendant la mesure pour obtenir une image de phase stable.
5. Cliquez sur le bouton auto-focus ²² pour trouver la meilleure distance de reconstruction. On peut avoir besoin d'utiliser l'autofocus à plusieurs reprises pour aborder la distance de reconstruction optimale jusqu'à ce que l'image d'intensité apparaît nette et claire. La mise au point automatique est basé sur un procédé efficace et le temps du spectre angulaire efficace tel que décrit dans ^22.
   Remarque: La barre focus curseur peut être utilisé pour le réglage fin. Ensuite, cliquez sur le bouton central de mise au point pour enregistrer la distance de reconstruction en cours. Il semble parfois que la meilleure mise au point ne se trouve pas avec l'option de mise au point automatique. Dans ce cas, la distance de reconstruction entrée manuellement pour trouver la meilleure mise au point.
6. Activer le mode déballée pour voir l'image de phase déroulée en cliquant sur le bouton dépliage.

4. Visualisation de données et d'analyse pour la mesure statique

1. Ouvrez la fenêtre d'image 3D pour voir le 3D finalel'image de l'échantillon. Utilisez les options disponibles pour observer le résultat final (rotation, carte couleur, affichage de l'échelle ...).
2. Cliquez sur le bouton windows de tuiles pour arranger les fenêtres comme non-chevauchement et d'afficher toutes les fenêtres de mesures.
3. Utilisez la règle de ligne pour tracer une ligne sur une zone d'intérêt sur l'image de phase déroulée. Dans la fenêtre de tracé de la ligne, un profil tracé en coupe transversale de la zone d'intérêt peut être observée. Utilisez les deux marqueurs de ligne vert pour extraire une hauteur approximative de l'objet (Figure 5).
   La rugosité de surface peut également être obtenue sur la partie plate supérieure de l'échantillon.
4. Enregistrer l'image finale de phase en format JPEG pour l'importer vers d'autres logiciels, si nécessaire.

5. Préparation de l'échantillon et analyse des données pour la mesure dynamique

1. Placer le micro-diaphragme sur une plaque de la station de chauffage. L'échantillon ne sera pas retiré de la plaque jusqu'à ce que l'expérience se termine.
2. Enregistrer un hologramme du micro diaphragme à température ambiante en suivant la procédure décrite ci-dessus dans la section 2 et 3. Il sera utilisé comme référence pour l'analyse de déformation.
3. Sauvegardez les données de phase sur l'ordinateur.
4. Tourner sur la plaque chauffante de laboratoire.
5. À l'aide du bouton de température, de faire varier la température par paliers de 50 ° C à partir de 50 ° C à 300 ° C. Pour chaque étape de température, enregistrer l'image de carte de phase au format .jpeg.
6. Soustraire la phase carte initiale de la température ambiante de l'autre carte de phase enregistrée pour obtenir les données de déformation.
   Remarque: Cette étape de post-traitement peut être réalisé avec le code MATLAB simple. Les différentes phases obtenues sont chargées dans MATLAB et simple soustraction de la matrice est effectuée. Puis tracés en section transversale des différentes étapes de déformation peuvent être obtenus.

Résultats

Le protocole décrit ci-dessus a été conçu pour inspecter et caractériser les MEMS et les appareils utilisant le système Micro CDHM. Dans notre système, une fibre monomode est couplée à une diode laser fonctionnant à une longueur d'onde de 633 nm. En raison de la configuration du faisceau divergent, il est important de faire correspondre le faisceau objet et le chemin du faisceau de référence afin d'obtenir un hologramme qui peut être reconstruit. Ceci est réalisé g...

Discussion

Dans cette revue, nous fournissons un protocole pour récupérer avec précision la morphologie quantitative des différents dispositifs MEMS en utilisant un système compact reposant sur l'holographie numérique. MEMS caractérisation en mode statique et dynamique est démontrée. données 3D quantitative d'un micro MEMS de canal est obtenue. Afin de valider la précision du système, les résultats ont été comparés entre le CDHM et l'AFM. Un bon accord est trouvé ce qui signifie que l'holographie n...

matériels

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