עדשה-פחות קומפקטי מיקרוסקופ הולוגרפי הדיגיטלי פיקוח MEMS ואפיון

Summary

אנו מציגים מערכת הולוגרפית דיגיטלית קומפקטית השתקפות (CDHM) לבדיקה ואפיון של התקני MEMS. עיצוב-פחות עדשה באמצעות גל קלט לסטות מתן גדלה גיאומטרית טבעית מודגם. שני המחקרים סטטי ודינמי מוצגים.

Abstract

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

מטרולוגיה של חפצים מיקרו וננו היא בעלת חשיבות רבה עבור התעשייה והן החוקרים. ואכן, מזעור של אובייקטים מהווה אתגר חדש עבור מטרולוגיה אופטית. מערכות אלקטרו מכאניות מיקרו (MEMS) הם בדרך כלל מוגדר יש מיניאטורי מערכות אלקטרומכניות ובדרך כלל כוללת רכיבים כגון חיישנים מיקרו, ומפעילים מיקרו, מיקרואלקטרוניקה microstructures. זה נמצא יישומים רבים בתחום מגוון כגון ביוטכנולוגיה, רפואה, תקשורת חישת ^1. לאחרונה, המורכבות הגוברות כמו גם המזעור המתקדם של מושא בדיקה כוללת שיחה לפיתוח טכניקות אפיון מתאימות MEMS. ייצור תפוקה גבוה של Microsystems המורכבת אלה דורש היישום של שיטות מדידות מוטבע מתקדמות, לכמת פרמטרי מאפיין ופגמים הקשורים שנגרמו על ידי תנאי תהליך ^2. למשל, סטיית פרמטר הנדסילאטות ב תקן MEMS משפיעה על מאפייני המערכת ויש לו להתאפיין. בנוסף, התעשייה דורשת ביצועי מדידה ברזולוציה גבוהים, כגון מלאה תלת ממד (3D) המטרולוגיה, שדה גדול של נוף, ברזולוציה גבוהה הדמיה, וניתוח בזמן אמת. לכן, זה הכרחי כדי להבטיח בקרת איכות אמינה תהליך הבדיקה. יתר על כן, זה דורש מערכת המדידה להיות ישים בקלות על קו ייצור ובכך קומפקטי יחסית כדי להיות מותקן על תשתיות קיימות.

הולוגרפיה, אשר הוצגה לראשונה על ידי גאבור ^3, היא טכניקה המאפשרת ההתאוששות של המידע כמוני המלא של אובייקט על ידי הקלטת ההתערבות בין הפניה ו גל אובייקט לתוך מדיום רגיש. במהלך תהליך זה המכונה הקלטה, המעטפת, מופע הקיטוב של שדה מאוחסנים הבינוני. ואז את שדה גל אובייקט ניתן לשחזר על ידי שליחת קרן ההתייחסות אל ליdium, תהליך המכונה קריאה אופטית של ההולוגרמה. מאז גלאי קונבנציונלי רק מתעד את עוצמת הגל, הולוגרפיה כבר נושא של עניין רב בחמישים השנים האחרונות שכן הוא נותן גישה למידע נוסף על השדה החשמלי. עם זאת, כמה היבטים של הולוגרפיה קונבנציונאלי להפוך אותו חסר מעשיות עבור יישומים בתעשייה. ואכן, חומרי רגיש יקר תהליך ההקלטה בדרך כלל דורש רמה גבוהה של יציבות. התקדמות חיישני מצלמה ברזולוציה גבוהה כגון (CCD) מכשירים מצמידים טעונים פתחה גישה חדשה עבור המטרולוגיה דיגיטלי. אחת מן הטכניקות הללו שמכונה הולוגרפיה דיגיטלית ^4. בשינה דיגיטלית הולוגרפיה (DH), בהולוגרמה נרשמה על מצלמה (בינוני הקלטה) ותהליכים מספריים משמשים לשחזר את המידע בשלב ועצמה. כמו הולוגרפיה קונבנציונאלי, התוצאה יכולה להיות מושגת לאחר שני ניתוחים עיקריים: ההקלטה ושחזור כמוצג Fiאיור 1. עם זאת, אם ההקלטה דומה הולוגרפיה קונבנציונלי, השחזור הוא רק ⁵ מספרים. תהליך השיקום המספרי מוצג באיור 2. שני הליכים מעורבים בתהליך השיקום. ראשית, את שדה גל אובייקט מאוחזר הולוגרמה. ההולוגרמה מוכפל בהינף התייחסות מספרית כדי לקבל את חזית הגל עצם כלשהו על המטוס הולוגרמה. שנית, חזית גל האובייקט המורכבת מופצות מספריות למישור התמונה. במערכת שלנו, שלב זה מתבצע בשיטת פיתול ^6. השדה המשוחזר המתקבל הוא פונקציה מורכבת ולכן שלב ועוצם ניתן לחלץ מתן מידע גובה הכמותית על מושא העניין. היכולת של אחסון מידע שלם בשדה פתוח בשיטה הולוגרפיה והשימוש בטכנולוגיית מחשב לעיבוד נתונים מהיר מציעים גמישות רבה יותר בתצורה ניסיונית להגדיל באופן משמעותי את השפייםד של תהליך הניסוי, פתיחת אפשרויות חדשות לפיתוח DH ככלי המטרולוגי דינמי עבור MEMS ו-מערכות מיקרו ^7,8.

שימוש הולוגרפיה דיגיטלי הדמיה לעומת שלב עכשיו הוא מבוסס היטב הוצג לראשונה יותר מ ^-9 לפני עשר שנים. ואכן, החקירה של התקנים מיקרוסקופים ידי שילוב הולוגרפיה דיגיטלית מיקרוסקופי שבוצעה במחקרים רבים ^{10, 11, 12, 13.} מספר מערכות המבוססות על קוהרנטיות גבוהה ¹⁴ ומקורות ¹⁵ קוהרנטיות נמוכים, כמו גם סוגים שונים של גיאומטריה ^{13, 16, 17} (בתור, את הציר, נתיב משותף ...) הוצג. בנוסף, עולה בקנה אחד הולוגרפיה דיגיטלית נעשה בה שימוש בעבר באפיון של התקן MEMS ^{18, 19.} עם זאת, מערכות אלו הם בדרך כלל קשה ליישם ומגושם, מה שהופך אותם מתאימים ליישומים תעשייתיים. במחקר זה, אנו מציעים מערכת קומפקטית, פשוט עדשה חינם על בסיס AXI אתזה הולוגרפיה דיגיטלית מסוגל לבדיקה ואפיון MEMS בזמן אמת. המיקרוסקופ ההולוגרפי דיגיטלית קומפקטית (CDHM) היא עדשה פחות מערכת הולוגרפית דיגיטלי פיתחה פטנט להשיג את המורפולוגיה 3D אובייקטים מחזירי אור מיקרו-גודל. במערכת שלנו, 10 mW, מאוד יציב, ליזר דיודה בקרת טמפרטורת הפעלה ב 638 ננומטר מצמיד לתוך סיב מונה-mode. כפי שניתן לראות בתרשים 3, הקרן לסטות נפלט הסיבים מחולק הפניה ו אלומת אובייקט על ידי קרן splitter. נתיב קרן ההתייחסות כולל מראה מוטה לממש את גיאומטרית ציר off. אלומת האובייקט מפוזרת שמשתקפת המדגם. שתי אלומות להתערב על CCD נותן בהולוגרמה. הפרעות הדפוס המוטבעים על גבי התמונה נקרא נשאית מרחבית ומתיר ההתאוששות של המידע בשלב כמותית עם תמונה אחת בלבד. השחזור המספרי מתבצע באמצעות פורייה משותפת התמרת אלגוריתם פיתול כמו STAטד בעבר. תצורת עדשה פחות יש מספר יתרונות מה שהופך אותו אטרקטיבי. בלי עדשות משמשות, קורה הקלט הוא גל לסטות מתן גדלה גיאומטרית טבעית ובכך לשפר את הרזולוציה של המערכת. יתר על כן, זה ללא סטיות נתקלו במערכות אופטיות טיפוסיות. כפי שניתן לראות באיור 3 ב, המערכת יכולה להתבצע קומפקטי (55x75x125 מ"מ ^3), קל משקל (400 גרם), וכך ניתן לשלב בקלות לתוך קווי ייצור תעשייתיים.

Protocol

1. הכנה מוקדמת של מדידה

הערה: המדגם המשמש הניסוי הוא אלקטרודה MEMS. האלקטרודות הזהב מיוצרות על פרוסות סיליקון באמצעות תהליך המראה. המדגם הוא רקיק 18 מ"מ x 18 מ"מ עם מבנים מחזוריים (אלקטרודות) עם 1 מ"מ תקופה

1. היכנס היומן לפני השימוש במערכת.
2. הפעילו את המחשב המחשב, לייזר הבמה תרגום.
3. מניחים את MEMS אלקטרודה / מדגם הסרעפת מיקרו.
   1. מניחים את המדגם MEMS באמצע בעל מדגם באמצעות פינצטה.
   2. התאם את בעל המדגם למקם את האלקטרודות בנתיב הקרן. שדה המדידה המרבי ראייה מוגדר על ידי גודל חיישן מצלמה. זהו מלבן של 2.3 מ"מ x 1.8 מ"מ.
4. באמצעות הבמה ממונע אנכי בכיוון, להזיז את המערכת approximatively 1.5 ס"מ מן המדגם.

2. התאמת הגדרות תוכנה

1. פתח את 3DViewתוֹכנָה. 3DView הוא תוכנית ללא צורך במיקור חוץ שלנו שפותחה ב- C ++.
2. לחץ על לחצן מקור הדמיה כדי לבחור את המצלמה הנכונה עבור הניסוי. בחר את מצלמת CCD מונוכרום. הימנע מצלמה צבע כלולים בהגדרה זו מאז דיודת לייזר מונוכרומטית משמש. בנוסף, עבור אותו המספר של פיקסלים, ברזולוציה תהיה נמוכה יותר כאשר באמצעות מצלמות צבע.
   1. בכרטיסייה הגדרות התקן, Y800 בחר (1,280 x 960) פורמט וידאו ו -15 פריימים שיעור וידאו השני.
3. לחץ צהוב לחצן הפעלה כדי להפעיל את המצלמה. תמונה של האובייקט עם דפוסים שוליים מוטבעים (הולוגרמה) אמורה להופיע.
   1. להתאים את הפרמטרים רווחים וחשיפה אופטימליים כדי למנוע רווית תמונה במידת הצורך.
4. באמצעות תצוגת מצלמת וידאו חלון החייה, להתאים את המיקום המדגם כדי לבחור את האזור המדויק לחקור על המדגם.
5. כרטיסיית הגדרות להרחיב.
   1. בכרטיסיית התצורה, בחר את הסוג של משטח (רעיוני או שקוף), אורך גל של laגודל ser, ו פיקסל של המצלמה. הלייזר הוא דיודת לייזר ההפעלה ב 633 ננומטר. גודל פיקסל של המצלמה הוא 4,650 ננומטר. המדגם הוא מכשיר אלקטרודה MEMS specular כך במצב רעיוני צריך להיות מסומן.
      הערה: תצורת CDHM מאפשר רק משטחים משקפים כדי להימדד. עם זאת, התוכנה יכולה לשמש גם כדי למדוד דגימות שקופות כשמערכת הולוגרפיה דיגיטלי שונה משמשת ^13. שינוי הגדרה זו משנה את הנוסחה לחישוב גובה מהשלב. אכן, חישוב הבדל נתיב האופטי הוא שונה במקצת עבור דגימות שקופות כפי שהוא כולל את מקדם שבירת אובייקט.
   2. בחר את אלגוריתם שחזור פיתול ולהגדיר את המרחק שחזור לאפס. בחר צעד ושחזור 1 או 2.
      הערה: פרמטר מרחק השיקום ניתן להגדיר מאוחר יותר על ידי בחינת התמונה העוצמת מתקבל הולוגרמה ושימוש הפוקוס האוטומטי. צעד השחזור מגדיר את המספרצעדים המשמש ליישם אינטגרל פרנל ולדמות את התפשטות הקורה. השיטה הראשונה להעריך את אינטגרלית פעם בתור פורייה יחידה המרה. צעד של 2 יעריך אינטגרל פעמיים. זה מוסיף גמישות רבה יותר את מרווח הרשת אבל הוא פחות יעיל מחשוב ^20.
   3. בלשונית שלאחר העיבוד, בחר את אלגוריתם העטיפה צורך לקבל את תמונת העטיפה הסופית. איכות בחר ממופה אלגוריתם.
      הערה: התוכנה, הבחירה בין גולדשטיין האיכות ממופית אלגוריתם יכולה להתבצע. המאוחר הוכיח שלב מרחבית חזק ומהיר עטיפה. האלגוריתם ממופה האיכות מבוססת על שלב מודרך עטיפה כמתוארת ^21.

3. קליטת נתונים

1. לחץ על התמרת סמל כדי לפתוח את חלון הספקטרום הפורה. אחת 0 כדי ושני +1, -1 הזמנות אמורות להופיע. אם זה אינו המקרה, לבדוק כי המדגם נמצא במצב תקין, ולהתאים לזכותזמן חשיפה ד שוב.
2. עצור את מצב המדידה החי. בחר באחת ההזמנות מתפזרות (תדר חיובי או שלילי) על ידי שימוש באפשרות הסינון. האזור שנבחר צריך להיות גדול מספיק כך שכל התדרים דרושים יחזור שלב נוכחים. הפעל את במצב החי שוב.
   הערה: הבחירה של ההסדר שהלילי רק תשפיע על סימן שלב התוצאה הסופית, כלומר, את תמונת 3D הסופית תהיה הפוכה.
3. פתח את חלון השלב. בדקו את מצב העטיפה אינו מופעל. תמונת שלב גרי של האובייקט מוטבע ציציות עטופות אמורה להופיע.
4. לנצל את הבמה האנכית הממונעת לצמצם את המספר בשולים בתמונת השלב. כאשר רק 1 או 2 שולים נותרים על התמונה, לעצור את הבמה הממונעת.
   הערה: המערכת מבוססת על אינטרפרומטריה. כך שהוא עלול להיות מושפע תנודות. לאחר המעבר בכיוון z הבמה ממונע, המשתמש צריך לחכות שניות 1 או 2 לפני תמונת השלב העטופה מופיעה משינוי מתחn. כמו כן, חשוב להימנע תנודות במהלך המדידה לקבל תמונת שלב יציבה.
5. לחץ על כפתור הפוקוס האוטומטי ²² כדי למצוא את מרחק השחזור הטוב ביותר. אחת ייתכן שיהיה עליך להשתמש פוקוס אוטומטי מספר פעמים להתקרב מרחק שחזור אופטימלי עד שהתמונה עוצמת מופיע חדה וברורה. הפוקוס האוטומטי מבוסס על שיטת ספקטרום יעילה זמן יעילה זוויתי כמתואר ^22.
   הערה: סרגל מחוון המוקד יכול לשמש לכוונון עדין. לאחר מכן, לחץ על לחצן מיקוד מרכז להקליט את מרחק השיקום הנוכחי. נראה לפעמים כי המיקוד הטוב ביותר לא נמצא עם אפשרות פוקוס אוטומטי. במקרה זה, המרחק שחזור להזין ידנית כדי למצוא את המיקוד הטוב ביותר.
6. הפעל את המצב לא העטוף כדי לראות את התמונה בשלב עטיפה על ידי לחיצה על הכפתור לקרוע את העטיפה.

4. ויזואליזציה נתונים וניתוח למדידה סטטי

1. פתח בחלון תמונת 3D לראות הסופי 3Dתמונה של המדגם. השתמש באפשרויות זמינות כדי לבחון את התוצאה הסופית (לסובב, מפת צבעים, תצוגת סולם ...).
2. הקש על כפתור חלונות האריח לסדר את החלונות כמו שאינו חופף ולהציג את כל חלונות המדידות.
3. השתמש שליט הקו למתוח קו על פני שטח של ריבית על תמונת שלב העטיפה. בחלון עלילת הקו, מגרש פרופיל חתך של השטח של עניין ניתן לצפות. השתמש בסמני הקו ירוקים שני לחלץ בגובה משוער של האובייקט (איור 5).
   חספוס פני השטח ניתן להשיג גם על החלק העליון השטוח של המדגם.
4. שמור את התמונה השלב הסופי בפורמט JPEG לייבא אותו תוכנות אחרות במידת הצורך.

5. הכנת המדגם וניתוח נתונים למדידה דינמית

1. מניחים את הסרעפת מיקרו על צלחת תחנת חימום. המדגם לא יוסר מהצלחת עד לסיום הניסוי.
2. קלט הולוגרמה של micro הסרעפת בטמפרטורת הסביבה על ידי ביצוע ההליך המתואר לעיל בסעיף 2 ו -3 זה ישמש כנקודת התייחסות לניתוח עיוות.
3. שמור את הנתונים בשלב במחשב.
4. הפעל את צלחת חימום מעבדה.
5. באמצעות כפתור הטמפרטורה, להשתנות הטמפרטורה בקפיצות של 50 מעלות צלזיוס בין 50 ° C עד 300 ° C. לכל שלב טמפרטורה, לשמור את תמונת המפה שלב בפורמט JPEG.
6. הפחת את המפה שלב טמפרטורת הסביבה הראשונית ממפת השלב השנייה רשמה לקבל את נתוני העיוות.
   הערה: שלב עיבוד פוסט זה יכול להתממש עם קוד MATLAB פשוט. השלבים השונים המתקבלים נטענים לתוך MATLAB וחיסור מטריצה ​​פשוט מתבצע. ואז מגרש חתך של שלבי עיוות השונים אפשר לקבל.

תוצאות

הפרוטוקול המתואר לעיל נועד לבדוק ולאפיין MEMS והתקנים מיקרו באמצעות מערכת CDHM. במערכת שלנו, סיב מונו-mode מצמידים דיודת לייזר ההפעלה באורך גל 633 ננומטר. בשל התצורה קרן לסטות, חשוב להתאים את קורות אובייקט נתיב קרן התייחסות על מנת לקבל הולוגרמה כי ניתן לשחז...

Discussion

בסקירה זו, אנו מספקים פרוטוקול לשחזר את המורפולוגיה כמותי מדויק של התקני MEMS שונים באמצעות מערכת קומפקטית להסתמך על הולוגרפיה דיגיטלית. אפיון MEMS הוא במצב סטטי ודינמי מודגם. נתוני 3D כמותי של MEMS ערוץ מייקרו מתקבלים. כדי לאמת את הדיוק של המערכת, התוצאות היו בהשוואה בין CDHM...

Materials

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