MEMS 검사 및 특성화를위한 소형 렌즈가없는 디지털 홀로그램 현미경

요약

우리는 MEMS 장치의 검사 및 특성화를위한 소형 반사 디지털 홀로 그래픽 시스템 (CDHM)을 제시한다. 자연의 기하학적 배율을​​ 제공 발산 입력 파를 사용하는 렌즈없는 디자인이 설명된다. 모두 정적 및 동적 연구가되게됩니다.

초록

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.

서문

마이크로 및 나노 물체의 계측 업계와 연구자 모두에게 매우 중요하다. 사실, 개체의 소형화는 광학 계측을위한 새로운 도전을 나타냅니다. 일반적으로 정의 된 마이크로 전자 기계 시스템 (MEMS)은 전자 기계 시스템을 소형화 일반적으로 마이크로 센서, 마이크로 액츄에이터, 마이크로 전자 및 마이크로와 같은 구성 요소를 포함하고있다. 여기에는 생명 공학, 의학, 통신, ^{1 감지} 등 다양한 분야에서 많은 응용 프로그램을 발견했다. 최근, 증가하는 복잡성뿐만 아니라 테스트 객체의 미세화에 적합한 특성 MEMS 기술의 발달에 대한 호출을 특징으로한다. 이러한 복잡한 마이크로 시스템의 고 스루풋 특성은 제조 변수와 공정 조건 ^(2)에 의한 관련 결함을 정량화 고급 인라인 측정 기술의 구현을 필요로한다. 기하학적 PARAM의 예를 들면, 편차멤스 장치 eters는 시스템 특성에 영향을 미치는 특징되어야한다. 또한, 업계는 전체 세 가지 차원 (3D) 계측,보기, 높은 영상 해상도의 대형 과학 ELD, 실시간 분석과 같은 높은 해상도의 측정 성능을 필요로한다. 따라서, 품질 관리 검사 공정 신뢰성을 보장하기 위해 필수적이다. 또한, 기존의 인프라 스트럭처에 설치 될 생산 라인에서 용이하게 구현 가능하고, 따라서 상대적으로 컴팩트하게 측정 시스템을 필요로한다.

제 가버 ^(3)에 의해 도입 된 홀로그램은, 기준 및 감광 매체의 물체 웨이브 사이의 간섭을 기록하여 객체의 전체 정량적 정보의 복구를 허용하는 기술이다. 기록으로 알려진이 과정에서, 필드의 진폭, 위상 및 편광은 상기 매체에 저장된다. 다음 객체 파 필드는 저에 참조광을 전송하여 회수 할 수있다dium, 홀로그램의 광학적 판독 알려진 방법. 종래의 검출기 만 전파의 강도를 기록하기 때문에, 홀로그램은 전계에 대한 추가 정보에 액세스 할 수 있기 때문에 지난 50 년 동안 많은 관심의 대상이되어왔다. 그러나, 종래의 홀로그래피의 여러 측면은 산업 애플리케이션에 비실합니다. 실제로, 감광성 재료는 고가이며, 기록 공정은 일반적으로 고도의 안정성을 요구한다. 이러한 충전 결합 소자 (CCD)와 같은 고해상도 카메라 센서의 발전은 디지털 계측에 대한 새로운 접근 방식을 열었습니다. 이러한 기술 중 하나는 디지털 홀로그래피 ^(4)로서 알려져있다. 디지털 홀로그래피 (DH)에있어서, 홀로그램 카메라 (기록 매체)에 기록하는 수치 프로세스는 위상 및 세기 정보를 재구성하는데 사용된다. 인터넷에 도시 된 바와 같이 기록 재 : 종래 홀로그래피와 같이, 그 결과는 두 가지 절차 후에 얻을 수있다녹음이 기존의 홀로그래피 유사한 경우 gure 1. 그러나, 재건은 ⁵ 만 숫자입니다. 수치 재구성 처리는도 2에 도시되어있다. 두 방법은 재구성 프로세스에 참여한다. 우선, 오브젝트 파 필드 홀로그램로부터 검색된다. 홀로그램은 홀로그램면에있는 객체의 파면을 얻을 수있는 수치 기준 파형과 곱합니다. 둘째, 복잡한 객체 파면 수치 화상면에 전파된다. 우리의 시스템에서,이 단계는 회선 방법 ^6을 이용하여 수행된다. 얻어진 재구성 필드는 복소 함수 따라서 위상 및 강도가 관심의 대상에 정량적 높이 정보를 제공하는 추출 할 수있다. 홀로그래피 방식에서 전체 파이 ELD 정보 기억 능력 및 빠른 데이터 처리를위한 컴퓨터 기술의 사용은 실험 구성의 유연성을 제공하며, 상당히 속도 시간을 증대새로운 가능성을 열어 실험 과정의 d를, MEMS 및 마이크로 시스템 ^{7, 8에} 대한 동적 계량 도구로 DH를 개발.

위상차 영상 디지털 홀로그래피의 사용은 지금 잘 설립하고 첫 번째 10 년 이상 전 ⁹ 제시했다. 실제로 디지털 홀로그래피와 현미경을 조합하여 미세 소자의 조사 많은 연구 ^{10, 11, 12, 13에서} 수행되었다.이 높은 코 히어 런스 ⁽¹⁴⁾ 및 저 간섭 ¹⁵ 소스에 기초하여 여러 시스템뿐만 아니라 구조 ^{(13) (16)의} 다른 유형 ¹⁷ (줄, 축, 일반적인 경로 떨어져 ...) 제시되었다. 또한, 라인 디지털 홀로그래피는 MEMS 디바이스 ^{(18, 19)의} 특성화 이전에 사용되어왔다. 그러나, 이러한 시스템은 일반적으로 구현이 어렵고 부피가 산업용 애플리케이션에 적합하지 않다. 본 연구에서는 오프 AXI 기반으로하는 무료, 컴팩트 간단하고 렌즈 시스템을 제안한다실시간 MEMS 검사 및 특성에 대한 디지털 홀로그래피는 할 수에요. 컴팩트 디지털 홀로그램 현미경 (CDHM)는 렌즈 적은 디지털 홀로그래피 시스템 개발 및 마이크로 크기의 반사 물체의 3 차원 형태를 얻기 위해 특허이다. 우리의 시스템, 10 mW의에서는 매우 안정 638 nm에서 동작하는 온도 제어 다이오드 레이저는 단일 모드 광섬유로 연결된다. 도 3에 도시 된 바와 같이, 광섬유에서 발산하는 발산 빔은 빔 스플리터에 의해 기준 및 오브젝트 빔으로 분할된다. 참조광 경로는 오프 축 형상을 실현하는 경사 거울을 포함한다. 대상 빔이 산란되어 시료에 의해 반사된다. 두 빔이 홀로그램을 CCD에주는 간섭. 이미지 상에 인쇄 된 간섭 줄무늬는 공간 캐리어 불리는 단 하나의 이미지와 정량적 위상 정보의 복구를 허용한다. 수치 재구성 공통 푸리에 변환 및 역 같은 컨벌루션 알고리즘을 사용하여 수행이전 테드. 렌즈가없는 구성은 매력적 여러 가지 장점을 갖는다. 어떤 렌즈를 사용하지 않는 바와 같이, 입력 빔이 발산 파 자연 기하학적 인 배율을 제공함으로써, 시스템의 해상도를 향상시키는 것이다. 또한, 일반적인 광학계에서 발생하는 수차의 자유이다. 도 3b에서 알 수있는 바와 같이, 시스템은 컴팩트 (55x75x125 mm ^3), 경량 (400g)을 만들 수 있고, 따라서 용이하게 공업 생산 라인에 통합 될 수있다.

프로토콜

측정 1. 사전 준비

주 : 실험에 사용 된 시료는 MEMS 전극이다. 금 전극은 리프트 오프 공정을 이용하여 실리콘 웨이퍼 상에 제조된다. 샘플은 1mm 기간과주기적인 구조 (전극)를 가진 18mm X 18mm 웨이퍼이다

1. 시스템을 사용하기 전에 로그 북에 로그인합니다.
2. 컴퓨터, 레이저 및 번역 단계 전원을 켭니다.
3. 멤스 전극 / 마이크로 다이어프램 샘플을 놓습니다.
   1. 집게를 사용하여 표본 홀더의 중앙에 MEMS 샘플을 놓는다.
   2. 빔 경로에 전극을 배치하는 샘플 홀더를 조정한다. 뷰의 최대 측정 필드는 카메라 센서의 크기에 의해 정의된다. 그것은 2.3 mm X 1.8 mm의 직사각형이다.
4. 수직 방향 동력 단계를 사용 approximatively 1.5 cm 떨어진 샘플에서 시스템을 이동합니다.

2. 소프트웨어 설정 조정

1. 3D보기를 엽니 다소프트웨어. 3D보기는 C ++에서 개발 된 우리의 사내 프로그램입니다.
2. 실험에 적합한 카메라를 선택하는 영상 소스 버튼을 클릭합니다. 흑백 CCD 카메라를 선택합니다. 단색 다이오드 레이저를 사용하기 때문에이 설정에서 컬러 카메라를 피하십시오. 컬러 카메라를 사용하는 경우 또한, 동일한 수의 픽셀에 대해, 해상도가 낮은 것이다.
   1. 장치 설정 탭에서 [Y800 (1280 X 960) 비디오 포맷 및 제 2 영상 속도 당 15 프레임.
3. 카메라를 시작하는 노란색 재생 버튼을 클릭합니다. 각인 프린지 패턴 (홀로그램)와 객체의 이미지가 나타납니다.
   1. 필요한 경우 이미지의 채도를 방지하기 위해 최적의 이득 및 노출 매개 변수를 조정합니다.
4. 라이브 비디오 창 카메라 뷰를 사용하여 샘​​플을 조사하기 위해 정확한 영역을 선택하는 샘플 위치를 조정한다.
5. 오픈 설정 탭을 클릭합니다.
   1. 구성 탭에서 (반사 또는 투명) 라의 파장을 표면의 유형을 선택카메라의 산이, 픽셀 크기입니다. 레이저는 파장 633 nm에서 작동하는 다이오드 레이저이다. 카메라의 픽셀 크기는 4650 ㎚이다. 샘플 때문에 반사 모드가 선택되어야하는 반사 전극 MEMS 장치이다.
      주 : CDHM 구성은 반 사면을 측정 할 수있다. 그러나, 소프트웨어는 다른 디지털 홀로그래피 시스템 ^(13)을 사용하는 경우, 투명 샘플을 측정 할 수있다. 이 설정의 변화는 위상의 높이 계산식을 변경한다. 이 오브젝트의 굴절률을 포함하기 때문에 실제로, 광로 차 계산 투명 샘플 약간 다르다.
   2. 컨볼 루션 재구성 알고리즘을 선택 0으로 재구성 거리를 설정합니다. 1 또는 2의 재구성 단계를 선택합니다.
      주 : 재구성 거리 파라미터 홀로그램으로부터 얻어진 강도 화상을 고려하여 자동 초점을 사용하여 나중에 정의 될 수있다. 재구성 단계의 수를 정의프레 넬 적분을 실행하고, 빔 전달을 시뮬레이션하는 데 사용하는 단계. 첫 번째 방법은 하나의 푸리에 변환에 한 번 적분 평가한다. 2 단계는 두번 적분을 평가할 것이다. 이 그리드 간격에 더 많은 유연성을 추가하지만 계산 ⁽²⁰⁾ 덜 효율적이다.
   3. 후 처리 탭에서 최종 풀어 이미지를 얻을하는 데 필요한 풀기 알고리즘을 선택합니다. 선택 품질 알고리즘을 매핑.
      참고 : 소프트웨어에서 골드 스타 인과 품질 사이의 선택 알고리즘을 매핑이 가능하다. 나중에는 풀기 강력하고 빠른 공간 위상을 보여 주었다. 품질 맵핑 알고리즘 ^(21)에 기술 된 바와 같이 언 래핑 유도 위상에 기초한다.

3. 데이터 수집

1. 푸리에 푸리에 스펙트럼 창을 엽니 아이콘을 변환 누릅니다. 하나의 공 질서와 두 +1, -1 수주가 나타납니다. 그렇지 않은 경우, 샘플은 올바른 위치에 있는지 확인하고, 이득 조정다시 D 노출 시간.
2. 라이브 측정 모드를 중지합니다. 필터 도구를 사용하여 회절 오더 (양 또는 음의 주파수) 중 하나를 선택한다. 선택된 영역은 위상의 검색을 위해 필요한 모든 주파수가 존재하는 정도로 충분히 커야한다. 다시 라이브 모드를 전환합니다.
   주 : 음의 순서의 선택은 바로 즉, 최종 결과에 위상의 기호에 영향을 미칠 것입니다, 최종 3D 이미지가 반전됩니다.
3. 상 창을 엽니 다. 언 래핑 모드가 활성화되지 않았는지 확인합니다. 포장 변두리로 각인 오브젝트의 회색 단계 이미지가 나타납니다.
4. 위상 이미지 프린지의 수를 줄이기 위해 수직 동력 스테이지를 이용한다. 단지 하나 또는 2 개의 줄무늬는 이미지에 남아있는 경우, 모터 스테이지 멈춘다.
   주 :이 시스템은 간섭에 기초한다. 따라서 진동에 민감합니다. 래핑 된 위상 전압 강하 이미지가 표시되기 전에, Z 방향 모터 구동 스테이지를 이동 한 후, 사용자는 1 또는 2 초를 기다려야엔. 안정된 위상 이미지를 얻기 위해 측정시의 진동을 방지하는 것도 중요하다.
5. 최고의 재건 거리를 찾기 위해 자동 초점 ⁽²²⁾ 버튼을 클릭합니다. 하나는 강도 이미지가 선명 나타날 때까지 최적의 재구성 거리에 접근하는 오토 포커스를 여러 번 사용해야 할 수도 있습니다. ^22에 기재된 바와 같이, 오토 포커스 효율적이고 시간 효율적인 각도 스펙트럼 법에 기초한다.
   참고 : 초점 슬라이더 바는 미세 조정에 사용할 수 있습니다. 그런 다음, 현재 재건 거리를 기록하는 중앙 초점 버튼을 클릭합니다. 최적의 초점은 자동 초점 옵션을 찾을 수 없다는 종종 나타납니다. 이 경우, 수동 입력 재구성 거리가 최적의 초점을 찾을 수있다.
6. 랩의 해제 버튼을 클릭하여 언 래핑 된 위상 이미지를 볼 수있는 래핑 모드를 활성화합니다.

정적 측정 4. 데이터 시각화 및 분석

1. 최종 3D를 볼 수있는 3D 이미지 창을 엽니 다샘플 이미지입니다. (회전, 컬러지도, 스케일 디스플레이 ...) 최종 결과를 관찰하기 위해 사용할 수있는 옵션을 사용합니다.
2. 비 중복으로 창을 정렬하고 모든 측정 창을 표시 할 타일 창 버튼을 클릭합니다.
3. 언 래핑 된 위상 이미지의 관심 영역에 선을 그릴 라인 눈금자를 사용합니다. 라인 플롯 창에서 관심 영역의 단면 프로필 줄거리는 관찰 할 수있다. 개체 (그림 5)의 대략적인 높이를 추출하기 위해 두 개의 녹색 라인 마커를 사용합니다.
   표면 거칠기는 또한 샘플의 평면 상부에 얻을 수있다.
4. 필요한 경우 다른 소프트웨어로 가져 .JPEG 형식의 마지막 단계 이미지를 저장합니다.

동적 측정을위한 샘플 및 데이터 분석 5. 준비

1. 가열 스테이션 접시에 마이크로 다이어프램을 놓습니다. 실험이 종료 될 때까지 샘플을 플레이트로부터 제거되지 않을 것이다.
2. MICR의 홀로그램을 기록O 다이어프램 부 (2)와 (3) 그것은 변형 분석을위한 기준으로서 사용되는 상술 한 절차에 따라 실온에서.
3. 컴퓨터의 위상 데이터를 저장합니다.
4. 실험실 가열 플레이트를 켭니다.
5. 온도 조절기를 사용하여, 300 ° C 내지 50 ° C 내지 50 ° C의 단계에서의 온도를 변화. 각 온도 단계, .JPEG 형식의 위상지도 이미지를 저장한다.
6. 변형 된 데이터를 획득하기 위해 기록 된 다른 위상지도의 초기 주위 온도 위상지도를 뺀다.
   주 :이 후 처리 단계는 간단한 MATLAB 코드로 실현 될 수있다. 얻어진 다른 MATLAB 상에로드되고 단순 매트릭스 감산을 행한다. 이어서 다른 변형 단계의 단면 그래프를 얻을 수있다.

결과

상기 프로토콜은 검사하고 CDHM 시스템을 사용하는 MEMS 및 마이크로 소자의 특성을 설계 하였다. 우리의 시스템에서, 단일 모드 광섬유는 633 nm 파장에서 작동하는 다이오드 레이저에 결합된다. 인해 발산 빔 구성, 재구성 될 수있는 홀로그램을 얻기 위해 대상 빔 및 기준 빔 경로와 일치하는 것이 중요하다. 이는 시스템에 대해 샘플을 조심 수직 위치를 통해 달성된다. 계산...

토론

본 검토에서는 정확하게 디지털 홀로그래피에 의존 컴팩트 한 시스템을 사용하여 다른 MEMS 디바이스의 형태를 정량적으로 회수 할 수있는 프로토콜을 제공한다. 정적 및 동적 두 모드에서 MEMS 특성이 설명된다. 마이크로 채널 MEMS 정량 3D 데이터가 얻어진다. 시스템의 정확성을 검증하기 위해, 결과 CDHM 및 AFM을 비교 하​​였다. 좋은 계약은 디지털 홀로그래피는 3D 영상에 대한 신뢰할 수있는 기?...

자료

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