Lens-meno compatta digitale olografico microscopio per MEMS di ispezione e caratterizzazione

Riepilogo

Vi presentiamo una riflessione compatto sistema olografico digitale (CDHM) per l'ispezione e la caratterizzazione di dispositivi MEMS. Lo dimostra una lente-less con un'onda d'ingresso divergente fornendo naturale ingrandimento geometrico. Entrambi gli studi statici e dinamici sono presentati.

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.

Introduzione

Metrologia di micro e nano oggetti è di grande importanza per l'industria e ricercatori. In effetti, la miniaturizzazione degli oggetti rappresenta una nuova sfida per la metrologia ottica. Sistemi micro elettro meccanici (MEMS) sono generalmente definiti ha miniaturizzati sistemi elettromeccanici e di solito comprende componenti come micro sensori, micro attuatori, microelettronica e microstrutture. E ha trovato molte applicazioni in campo diverse quali la biotecnologia, la medicina, la comunicazione e rilevamento ^1. Recentemente, la crescente complessità, nonché la progressiva miniaturizzazione dei oggetto di prova funzioni di chiamata per lo sviluppo di adeguate tecniche di caratterizzazione per MEMS. Produzione ad alto rendimento di questi complessi microsistemi richiede l'attuazione di tecniche di misurazione in linea avanzate, per quantificare i parametri caratteristici e difetti relativi causati dalle condizioni di processo ^2. Per esempio, la deviazione geometrica parametri in un dispositivo MEMS influenza le proprietà di sistema e deve essere caratterizzata. Inoltre, l'industria richiede prestazioni di misura ad alta risoluzione, come la piena metrologia tridimensionale (3D), grande campo di visione, immagini ad alta risoluzione, e l'analisi in tempo reale. Pertanto, è essenziale per garantire un controllo di qualità e processo di ispezione affidabile. Inoltre, si richiede che il sistema di misura per essere facilmente implementabile su una linea di produzione e quindi relativamente compatto per essere installato su infrastrutture esistenti.

Olografia, che è stato introdotto da Gabor ^3, è una tecnica che permette il recupero delle informazioni quantitative pieno di un oggetto registrando l'interferenza tra un riferimento e un'onda oggetto in un mezzo fotosensibile. Durante questo processo noto come registrazione, l'ampiezza, fase e polarizzazione di un campo sono memorizzati nel mezzo. Quindi il campo d'onda oggetto può essere recuperato inviando il fascio di riferimento sul medium, un processo noto come lettura ottica dell'ologramma. Poiché un rivelatore convenzionale registra solo l'intensità dell'onda, l'olografia è stato oggetto di grande interesse negli ultimi cinquant'anni poiché dà accesso a informazioni aggiuntive sul campo elettrico. Tuttavia, alcuni aspetti della olografia convenzionale rendono poco pratica per applicazioni industriali. Infatti, materiali fotosensibili sono costosi e il processo di registrazione richiede generalmente un elevato grado di stabilità. I progressi nella sensori delle fotocamere ad alta risoluzione, come i dispositivi di carico (CCD) hanno aperto un nuovo approccio per la metrologia digitale. Una di queste tecniche è conosciuto come olografia digitale ^4. In Digital olografia (DH), l'ologramma viene registrato su una fotocamera (supporto di registrazione) e processi numerici vengono utilizzati per ricostruire l'informazione di fase e intensità. Come con l'olografia convenzionale, il risultato può essere ottenuto dopo due procedure principali: la registrazione e ricostruzione come mostrato in Fifigura 1. Tuttavia, se la registrazione è simile a olografia convenzionale, la ricostruzione è solo numerico ^5. Il processo di ricostruzione numerico è mostrato nella Figura 2. Due procedure sono coinvolti nel processo di ricostruzione. In primo luogo, il campo d'onda oggetto viene recuperato dal ologramma. L'ologramma viene moltiplicato per un onda di riferimento numerico per ottenere il fronte d'onda oggetto sul piano ologramma. In secondo luogo, il complesso oggetto fronte d'onda è numericamente propagato al piano dell'immagine. Nel nostro sistema, questo passaggio viene eseguita utilizzando il metodo convoluzione ^6. Il campo ricostruito ottenuta è una funzione complessa e quindi fase e intensità possono essere estratti fornire informazioni quantitative altezza sull'oggetto di interesse. La capacità di memorizzazione dell'intero informazioni fi campo nel metodo olografia e l'uso della tecnologia computer per l'elaborazione dei dati veloce offrono maggiore flessibilità nella configurazione sperimentale e aumentano significativamente la speed del processo sperimentale, aprendo nuove possibilità per sviluppare DH come strumento metrologico dinamico per MEMS e microsistemi ^7,8.

L'utilizzo dell'olografia digitale nella diagnostica per immagini a contrasto di fase è ormai ben consolidata e stata presentata più di dieci anni fa ^9. Infatti, ricerca di dispositivi microscopici combinando olografia digitale e la microscopia è stata eseguita in molti studi ^{10, 11, 12, 13.} Diversi sistemi basati su alta coerenza ¹⁴ e basse fonti coerenza ¹⁵ così come diversi tipi di geometria ^{13, 16, 17} (in linea, fuori asse, percorso comune ...) sono stati presentati. Inoltre, in linea olografia digitale è stato utilizzato in precedenza nella caratterizzazione di dispositivi MEMS ^{18, 19.} Tuttavia, questi sistemi sono generalmente difficili da implementare e ingombranti, che li rende inadatti per applicazioni industriali. In questo studio, vi proponiamo un sistema compatto, semplice e obiettivo libero basato su axi offs olografia digitale in grado di ispezione MEMS in tempo reale e la caratterizzazione. Il microscopio digitale compatta olografico (CDHM) è un obiettivo meno sistema olografico digitale sviluppato e brevettato per ottenere la morfologia 3D di micro-dimensioni oggetti speculari. Nel nostro sistema, a 10 mW, altamente stabile, temperatura controllata diodo laser operante a 638 nm è accoppiata in una fibra monomodale. Come mostrato in figura 3, il fascio divergente che emana dalla fibra viene divisa in un riferimento ed un fascio oggetto da un divisore di fascio. Il percorso del fascio di riferimento comprende uno specchio inclinato per realizzare la geometria fuori asse. Il fascio oggetto viene dispersa e riflessa dal campione. I due fasci interferiscono sul CCD dando l'ologramma. Il modello di interferenza impresso sull'immagine è chiamato un vettore spaziale e permette il recupero delle informazioni fase quantitativa con una sola immagine. La ricostruzione numerica viene eseguita utilizzando un comune di Fourier trasformare e algoritmo di convoluzione come STATed in precedenza. La configurazione lente inferiore ha diversi vantaggi che lo rendono attraente. Poiché non si utilizzano lenti, il fascio in ingresso è un'onda divergente fornendo un ingrandimento geometrico naturale e migliorando la risoluzione del sistema. Inoltre, è privo di aberrazioni riscontrati nei sistemi ottici tipici. Come si vede nella Figura 3B, il sistema può essere reso compatto (55x75x125 mm ^3), leggero (400 g), e quindi può essere facilmente integrato in linee di produzione industriale.

Protocollo

1. Preparazione preliminare della misura

Nota: Il campione utilizzato per l'esperimento è un elettrodo MEMS. Gli elettrodi d'oro sono fabbricati su un wafer di silicio con decollo processo. Il campione è di 18 mm x 18 millimetri di wafer con strutture periodiche (elettrodi) con un periodo di 1 millimetro

1. Accedi al giornale di bordo prima di utilizzare il sistema.
2. Accendere il computer e LASER fase di traduzione.
3. Mettere il / campione MEMS elettrodo micro-diaframma.
   1. Posizionare il campione MEMS nel mezzo del supporto del campione utilizzando una pinzetta.
   2. Regolare il portacampioni per posizionare gli elettrodi nel percorso ottico. Il massimo campo di vista di misurazione è definito dalla dimensione del sensore della fotocamera. È un rettangolo di 2,3 mm x 1,8 millimetri.
4. Utilizzando la direzione motorizzata palcoscenico verticale, spostare il sistema approssimativamente a 1,5 cm di distanza dal campione.

2. Regolazione delle impostazioni del software

1. Aprire la Vista 3DSoftware. Vista 3D è il nostro programma di in-house sviluppato in C ++.
2. Fare clic sul pulsante Imaging Source per selezionare la telecamera appropriata per l'esperimento. Scegliere la telecamera CCD in bianco e nero. Evitare una telecamera a colori in questa configurazione da un diodo laser monocromatica viene utilizzato. Inoltre, per lo stesso numero di pixel, risoluzione sarebbe inferiore quando si utilizza telecamere a colori.
   1. Nella scheda impostazioni del dispositivo, selezionare Y800 (1.280 x 960) formato video e 15 fotogrammi al secondo tasso di video.
3. Fare clic sul pulsante di riproduzione gialla per avviare la fotocamera. L'immagine dell'oggetto con i modelli impressi frangia (ologramma) dovrebbe essere visualizzato.
   1. Regolare i parametri di guadagno e di esposizione ottimali per evitare la saturazione dell'immagine, se necessario.
4. Utilizzando la finestra video live view della fotocamera, regolare la posizione del campione per selezionare l'area esatta di indagare sul campione.
5. Aprire la scheda Impostazioni.
   1. Nella scheda di configurazione, selezionare il tipo di superficie (riflettente o trasparente), la lunghezza d'onda di laser, e pixel dimensioni della fotocamera. Il laser è un laser a diodo operante a 633 nm. La dimensione dei pixel della fotocamera è 4.650 nm. Il campione è un dispositivo speculare MEMS elettrodo in modo modalità riflettente deve essere selezionata.
      Nota: La configurazione CDHM consente solo superfici riflettenti da misurare. Tuttavia, il software può essere utilizzato anche per misurare campioni trasparenti quando un diverso sistema olografia digitale viene utilizzata ^13. Una modifica di questa impostazione cambia la formula di calcolo altezza dalla fase. Infatti, il calcolo della differenza di cammino ottico è leggermente diverso per campioni trasparenti quanto include l'indice di rifrazione dell'oggetto.
   2. Scegliere l'algoritmo di ricostruzione Convolution e impostare la distanza di ricostruzione a zero. Scegliere un passo ricostruzione di 1 o 2.
      Nota: Il parametro di distanza ricostruzione può essere definito successivamente, considerando l'immagine di intensità ottenuta dal ologramma e usando l'autofocus. La fase di ricostruzione definisce il numero dipassi per implementare il Fresnel integrale e simulare la propagazione del fascio. Il primo metodo valutare l'integrale volta come singolo Fourier Transform. Un passo di 2 valuterà l'integrale due volte. Questo aggiunge più flessibilità nella spaziatura ma è computazionalmente meno efficiente ^20.
   3. Nella scheda post-elaborazione, selezionare l'algoritmo scartare necessaria per ottenere l'immagine da scartare finale. Selezionare la qualità mappato algoritmo.
      Nota: Nel software, la scelta tra Goldstein e Qualità mappata algoritmo può essere fatto. Più tardi ha dimostrato fase spaziale robusto e rapido scartare. L'algoritmo qualità mappata si riferiscono al fase guidato unwrapping come descritto in ^21.

3. Acquisizione Dati

1. Premere la trasformata di Fourier sull'icona per aprire la finestra di spettro di Fourier. Uno 0 ordine e due +1, -1 ordini dovrebbero apparire. Se questo non è il caso, verificare che il campione sia nella giusta posizione, e regolare acquisire unad tempo di esposizione di nuovo.
2. Arrestare la modalità di misurazione diretta. Selezionare uno degli ordini diffratti (frequenza positiva o negativa) utilizzando lo strumento filtro. L'area selezionata deve essere sufficientemente grande in modo che tutte le frequenze necessarie per il reperimento fase sono presenti. Accendere di nuovo sulla modalità live.
   Nota: La scelta dell'ordine negativo riguarda soltanto il segno della fase nel risultato finale, cioè, l'immagine 3D finale sarà invertita.
3. Aprire la finestra di fase. Verificare che la modalità scartare non è abilitata. immagine di fase grigio dell'oggetto impresso con frange avvolti dovrebbe apparire.
4. Utilizzare la fase verticale motorizzato per ridurre il numero di frange dell'immagine fase. Quando solo 1 o 2 frange sono lasciati sull'immagine, fermare il palco motorizzato.
   Nota: Il sistema è basato su interferometria. Così è sensibile alle vibrazioni. Dopo aver spostato la fase direzione z motorizzato, l'utente deve attendere 1 o 2 secondi prima che l'immagine di fase avvolto appare again. E 'anche importante evitare vibrazioni durante la misurazione per ottenere un'immagine fase stabile.
5. Fare clic sul pulsante auto-focus ²² per trovare la migliore distanza di ricostruzione. Uno può essere necessario utilizzare l'autofocus più volte di avvicinarsi alla distanza ottimale di ricostruzione fino a quando l'immagine di intensità appare nitida e chiara. L'autofocus si basa su un metodo spettro angolare efficiente ed ora come descritto in ^22.
   Nota: la barra di scorrimento messa a fuoco può essere utilizzato per la regolazione fine. Quindi, cliccare sul pulsante di messa a fuoco centrale per registrare la distanza di ricostruzione in corso. Sembra a volte che migliore messa a fuoco non si trova l'opzione messa a fuoco automatica con. In questo caso, inserire manualmente la distanza ricostruzione di trovare la migliore messa a fuoco.
6. Attivare la modalità di scartare per vedere l'immagine fase di scartare cliccando sul pulsante Scartare.

4. visualizzazione dei dati e analisi per misurazione statica

1. Aprire la finestra dell'immagine 3D per vedere il 3D finaleimmagine del campione. Utilizzare le opzioni disponibili per osservare il risultato finale (ruotare, mappa a colori, display della bilancia ...).
2. Fare clic sul pulsante di Windows piastrelle per disporre le finestre come non sovrapposizione e visualizzare tutte le finestre di misurazione.
3. Utilizzare il righello linea per tracciare una linea su un'area di interesse dell'immagine fase di scartare su. Nella finestra grafica linea, una croce grafico di profilo in sezione della zona di interesse può essere osservato. Utilizzare i due marcatori di linee verdi per estrarre un'altezza approssimativa dell'oggetto (Figura 5).
   La rugosità superficiale può essere ottenuta sulla parte piana superiore del campione.
4. Salvare l'immagine finale di fase in formato .jpeg per importarlo ad altri software, se necessario.

5. Preparazione del campione e analisi dei dati per misurazione dinamica

1. Posizionare il micro membrana su una piastra centrale termica. Il campione non verrà rimosso dalla piastra fino alla fine dell'esperimento.
2. Registrare un ologramma del MICRo diaframma a temperatura ambiente, seguendo la procedura sopra descritta nella sezione 2 e 3. Esso verrà utilizzato come riferimento per l'analisi di deformazione.
3. Salvare i dati di fase sul computer.
4. Accendere la piastra di riscaldamento di laboratorio.
5. Utilizzando la manopola della temperatura, variare la temperatura in passi di 50 ° C da 50 ° C a 300 ° C. Per ogni passo della temperatura, salvare l'immagine della mappa di fase in formato .jpeg.
6. Sottrarre la mappa di fase temperatura ambiente iniziale dal altra mappa di fase registrato per ottenere i dati di deformazione.
   Nota: questo passaggio di post-elaborazione può essere realizzato con semplice codice MATLAB. Le diverse fasi ottenuti vengono caricati in MATLAB e viene eseguita semplice sottrazione matrice. Poi trame delle sezioni trasversali delle diverse fasi di deformazione possono essere ottenuti.

Risultati

Il protocollo sopra descritto è stato progettato per controllare e caratterizzare MEMS e dispositivi Micro utilizzando il sistema CDHM. Nel nostro sistema, una fibra monomodale è accoppiato ad un diodo laser operante a una lunghezza d'onda 633 nm. A causa della configurazione fascio divergente, è importante abbinare il fascio oggetto e percorso del fascio di riferimento per ottenere un ologramma che può essere ricostruito. Questo risultato è ottenuto attraverso un attento posizi...

Discussione

In questa recensione, noi forniamo un protocollo per recuperare con precisione la morfologia quantitativa di diversi dispositivi MEMS utilizzando un sistema compatto basandosi su olografia digitale. MEMS caratterizzazione sia in modalità statica che dinamica è dimostrata. dati 3D quantitativa di una micro MEMS canale si ottiene. Per convalidare l'accuratezza del sistema, i risultati sono stati confrontati tra CDHM e AFM. Buon accordo viene trovato il che significa che l'olografia digitale può essere una tecni...

Materiali

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