Компактный объектив менее цифровой голографический микроскоп для MEMS осмотра и определения характеристик

Резюме

Мы представляем компактное отражение цифровой голографической системы (CDHM) для проверки и определения характеристик устройств МЭМС. Линза-менее дизайн с использованием расходящийся входной волны обеспечивая естественную геометрическую увеличение демонстрируется. Как статические, так и динамические исследования представлены.

Аннотация

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.

Введение

Метрологии микро- и нано-объектов имеет большое значение для промышленности, так и исследователей. Действительно, миниатюризация объектов представляет собой новый вызов для оптической метрологии. Микроэлектромеханические системы (MEMS), как правило, определяются миниатюризировала электромеханические системы и, как правило, включает в себя такие компоненты, как микро-сенсоров, микро- приводами, микроэлектронике и микроструктур. Он нашел широкое применение в разнообразных таких областях, как биотехнологии, медицине, связи и зондирования ^1. В последнее время на фоне возрастающей сложности, а также прогрессивная миниатюризация тестового объекта предлагается вызов для разработки подходящих методов определения характеристик для МЭМС. Высокая пропускная способность производства этих сложных микропроцессорных систем требует внедрения передовых методов измерения рядный, для количественного определения характерных параметров и связанных с ними дефектов , вызванных условиями процесса ^2. Например, отклонение геометрической парамраметры в МЭМС влияет на свойства системы и должна быть охарактеризована. Кроме того, промышленность требует высокой производительности измерения разрешения, такие как полный трехмерный (3D), метрологии большого поля зрения, высокое разрешение изображения и реального времени анализа. Таким образом, важно обеспечить надежный контроль качества и процесс проверки. Кроме того, он требует от измерительной системы, чтобы быть легко осуществимым на производственной линии, и, таким образом, относительно компактной для установки на существующих инфраструктур.

Голографическая, который впервые был представлен Габора ^3, является метод , который позволяет извлекать полную количественную информацию объекта с помощью записи интерференции между ссылкой и объектной волны в светочувствительной среде. Во время этого процесса, известного как записи, амплитуда, фаза и поляризация поля сохраняются в среде. Тогда поле волновой объект может быть восстановлен путем направления опорного луча на меняDIUM, процесс, известный как оптического считывания голограммы. Поскольку обычный детектор регистрирует только интенсивность волны, голография была предметом большого интереса в течение последних пятидесяти лет, поскольку она дает доступ к дополнительной информации по электрическому полю. Тем не менее, некоторые аспекты традиционной голографии делают его непрактичным для промышленных применений. В самом деле, светочувствительные материалы являются дорогостоящими, и процесс записи, как правило, требует высокой степени стабильности. Достижения в области датчиков камеры высокого разрешения, такие как заряженные спаренных устройств (CCD) открыли новый подход к цифровой метрологии. Одним из таких методов известен как цифровой голографии ^4. В цифровой голографии (DH), голограмма записывается на камеры (носитель записи) и численные процессы используются для восстановления информации о фазе и интенсивности. Как и в обычной голографии, то результат может быть получен после двух основных процедур: Запись и восстановления , как показано в Интернет1 цифра. Тем не менее, если запись аналогична обычной голографии, восстановление только численное ^5. Процесс численного реконструкции показано на рисунке 2. Две процедуры участвуют в процессе реконструкции. Во-первых, поле волновой объект извлекается из голограммы. Голограмма умножается на числовой опорной волны, чтобы получить объект волнового фронта на плоскости голограммы. Во-вторых, сложный объект волновой фронт численно распространяется на плоскости изображения. В нашей системе, этот шаг выполняется с помощью метода свертки ^6. Реконструированный поле, полученное является сложной функцией и, следовательно, фазы и интенсивности может быть извлечена обеспечивая количественную информацию о высоте объекта интереса. Способность всей хранения информации поля в методе голографического и использование компьютерных технологий для быстрой обработки данных обеспечивают большую гибкость в экспериментальной конфигурации и значительно увеличить Шпееd экспериментального процесса, открывает новые возможности для разработки DH как динамический метрологической инструмент для MEMS и микросистем ^7,8.

Использование цифровой голографии в контрастной визуализации фазы в настоящее время хорошо известна и была впервые представлена ​​более чем десять лет назад ^9. Действительно, исследование микроскопических устройств путем объединения цифровой голографии и микроскопии было проведено во многих работах ^{10, 11, 12, 13.} Несколько систем , основанных на высокой когерентности ¹⁴ и низких источников когерентности ^15, а также различные типы геометрии ^{13, 16, 17} (в соответствии, с отклонением от оси, общий путь ...) были представлены. Кроме того, в соответствии цифровой голографии использовалась ранее характеристики устройства на основе МЭМС ^{18, 19.} Тем не менее, эти системы , как правило , трудно осуществить , и громоздки, что делает их непригодными для промышленного применения. В данном исследовании мы предлагаем компактный, простой и объектив бесплатная система, основанная на выключенном AxiS цифровой голографии способны для контроля в реальном масштабе времени на основе МЭМС и характеристики. Микроскоп Компактный цифровой голографической (CDHM) представляет собой линзу менее цифровой голографической система, разработанная и запатентованная для получения 3D морфологии микро-размера объектов зеркального отражения. В нашей системе, 10 мВт, высокой стабильностью, контролем температуры диода лазер, работающий при 638 нм соединен в моно-режиме волокна. Как показано на фиг.3, расходящийся пучок , исходящий из волокна разделяется на ссылки и объект пучка расщепитель луча. Путь опорный луч содержит наклонную зеркало, чтобы понять геометрию оси прочь. Объектный луч рассеивается и отражается образцом. Два луча создающими помехи на ПЗС дает голограмму. Интерференционная картина отпечатаны на изображение называется пространственной несущей и допускает восстановление информации количественного фазового только с одним изображением. Численный реконструкция выполняется с использованием преобразования Фурье и общий алгоритм свертки, как STATed ранее. Линза-менее конфигурация имеет ряд преимуществ делает его привлекательным. Как не используются линзы, входной луч расходящаяся волна обеспечивает естественный геометрический увеличение и, таким образом, улучшая Разрешающая способность системы. Кроме того, она свободна от аберраций, встречающихся в типичных оптических системах. Как можно видеть на фигуре 3В, система может быть выполнена компактной (55x75x125 мм ^3), легкий (400 г), и , таким образом , могут быть легко интегрированы в промышленных производственных линиях.

протокол

1. Предварительная подготовка измерения

Примечание: Образец, используемый для эксперимента является МЭМС электрод. Золотые электроды изготовлены на кремниевой подложке с использованием отрываться процесса. Образец 18 мм х 18 мм пластины с периодическими структурами (электродами) с 1 мм период

1. Войдите в судовой журнал перед использованием системы.
2. Включите компьютер, лазерный и этап перевода мощности.
3. Поместите MEMS электрод / микро-диафрагма образца.
   1. Поместите образец на основе МЭМС в середине держателя образца, используя пинцет.
   2. Установите держатель образца, чтобы расположить электроды на пути луча. Максимальное поле зрения измерения определяется размером датчика камеры. Это прямоугольник 2,3 мм х 1,8 мм.
4. Использование вертикального направления моторизованные стадии, переместить систему аппроксимативно 1,5 см от образца.

2. Установка программного обеспечения Настройки

1. Откройте 3Dviewпрограммного обеспечения. 3DView наша программа собственной разработки в C ++.
2. Нажмите кнопку источника изображения, чтобы выбрать правильную камеру для эксперимента. Выберите камеру монохромный CCD. Избегайте цветной камеры в этой установке, поскольку используется монохроматический лазерный диод. Кроме того, для того же числа пикселей, разрешение будет ниже, при использовании цветных камер.
   1. На вкладке Параметры устройства выберите Y800 (1280 х 960) видео формат и 15 кадров в секунду видео.
3. Нажмите желтую кнопку воспроизведения, чтобы запустить камеру. должен появиться изображение объекта с запечатленные картины полос (голограмме).
   1. Настройка оптимальных параметров усиления и экспозиции, чтобы избежать насыщения изображения, если это необходимо.
4. Использование живого видео окна вид камеры, отрегулируйте положение образца, чтобы выбрать точную область для исследования на образце.
5. Откройте вкладку Настройки.
   1. На вкладке Конфигурация выберите тип поверхности (отражающий или прозрачный), длины волны ЛаSer, и пиксел размер камеры. Лазер диодный лазер, работающий на длине волны 633 нм. Размер пикселя камеры составляет 4650 нм. Образец представляет собой зеркальный MEMS электрод устройства таким образом отражающий режим должен быть выбран.
      Примечание: Конфигурация CDHM позволяет только отражающие поверхности должны быть измерены. Тем не менее, программное обеспечение также может быть использован для измерения прозрачных образцов , когда другая система цифровой голографии используется ^13. Изменение этого параметра изменяет формулу вычисления высоты от фазы. Действительно, расчет оптическая разность хода несколько отличается для прозрачных образцов, поскольку он включает индекс объекта преломления.
   2. Выберите алгоритм реконструкции свертка и установить расстояние восстановления до нуля. Выберите шаг реконструкции 1 или 2.
      Примечание: Параметр расстояния реконструкции может быть определена позже, рассматривая изображение интенсивности, полученное от голограммы и используя автофокус. Этап реконструкции определяет количествошаги, используемые для реализации интеграла Френеля и моделирования распространения луча. Первый метод вычисления интеграла один раз как одно преобразование Фурье. Шаг 2 будет вычислить интеграл дважды. Это добавляет больше гибкости в шаг сетки , но вычислительно менее эффективными ^20.
   3. На вкладке постобработки, выберите разворачивания алгоритм, необходимый для получения окончательного развернутую изображения. Выбор качества отображается алгоритм.
      Примечание: В программном обеспечении, выбор между Goldstein и качества Подключенные алгоритм может быть сделано. Позже показал надежную и быструю пространственную фазу разворачивания. Алгоритм качества сопоставляются основан на управляемой фазе разворачивания , как описано в ^21.

3. Сбор данных

1. Нажмите на иконку, чтобы открыть окно спектра Фурье преобразование Фурье. Один 0 порядка и два +1, -1 должны появляться заказы. Если это не так, проверьте, что образец находится в правильном положении, а также настроить получить представлениеd время экспозиции снова.
2. Остановить режим живого измерения. Выберите один из дифрагированных порядков (положительная или отрицательная частота) при помощи функции фильтра. Выбранная область должна быть достаточно большой, так что все частоты, необходимые для поиска фазы присутствуют. Включите режим живого снова.
   Примечание: Выбор отрицательного порядка просто влияет на знак фазы в конечном итоге, то есть, окончательный 3D изображение будет перевернутой.
3. Откройте окно фазы. Убедитесь, что развернутый режим не включен. должен появиться Gray фазовое изображение объекта отпечатаны с обернутых полос.
4. Использование моторизованной ступени вертикального для уменьшения числа полос в фазовом изображении. Когда только 1 или 2 полосы оставлены на изображение, остановить моторизованный этап.
   Примечание: Система основана на интерферометрии. Таким образом, он чувствителен к колебаниям. После перемещения направление г моторизованный этап, пользователь должен подождать 1 или 2 секунды до того, как завернуты изображение фазы появляется Агаип. Важно также, чтобы избежать вибрации во время измерения, чтобы получить стабильную фазу изображения.
5. Нажмите кнопку автофокус ²² , чтобы найти лучшее расстояние реконструкции. Один, возможно, придется использовать автофокус несколько раз, чтобы приблизиться к оптимальной дистанции реконструкции, пока изображение не появится интенсивность четким и ясным. Автофокусировка основана на эффективном и времени , эффективного метода углового спектра , как описано в ^22.
   Примечание: В строке фокуса слайдера может быть использован для точной настройки. Затем нажмите на центральную кнопку фокуса для записи текущего расстояния реконструкции. Оказывается, что иногда лучший фокус не найден с опцией автоматической фокусировки. В этом случае вручную ввести расстояние реконструкции, чтобы найти лучший фокус.
6. Включить развернутую режим, чтобы увидеть развернутой фазы изображение, нажав на кнопку разворачивания.

4. Визуализация и анализ данных для статических измерений

1. Откройте 3D окно изображения, чтобы увидеть окончательный 3Dизображение образца. Используйте доступные опции для наблюдения за конечный результат (поворот, цветная карта, масштаб отображения ...).
2. Нажмите на кнопку, чтобы плитка окна расположите окна как не перекрываются и отображать все измерения окна.
3. Используйте линейку линии, чтобы нарисовать линию на интересующей области на развернутой фазы изображения. В окне сюжетной линии, можно наблюдать в поперечном сечении профиль участок интересующей области. Используйте два маркера зеленая линия , чтобы извлечь приблизительную высоту объекта (рисунок 5).
   Шероховатость поверхности также могут быть получены на плоской верхней части образца.
4. Сохранить на заключительном этапе изображение в формате .JPEG, чтобы импортировать его в другое программное обеспечение, если это необходимо.

5. Получение образца и анализа данных для динамических измерений

1. Поместите микро диафрагму на теплоцентрали пластине. Образец не будет удален из пластины, пока эксперимент не заканчивается.
2. Записать голограмму MICRO диафрагма при температуре окружающей среды, следуя процедуре, описанной выше в разделе 2 и 3. Он будет использоваться в качестве справочного материала для анализа деформации.
3. Сохранение данных фазы на компьютере.
4. Включите лабораторный нагревательной плиты.
5. С помощью регулятора температуры, изменения температуры с шагом 50 ° C от 50 ° C до 300 ° C. Для каждого шага температуры, сохранить изображение карты фазы в формате .JPEG.
6. Вычитание от начальной температуры окружающего воздуха фазовое карту от другой фазы карты, записанной для получения данных о деформации.
   Примечание: Этот шаг пост-обработки может быть реализован с простым кодом MATLAB. Различные фазы, полученные загружаются в MATLAB и простая матрица вычитание выполняется. Затем поперечного сечения участки различных стадий деформации может быть получена.

Результаты

Протокол, описанный выше, был разработан для проверки и характеризуют MEMS и устройства Micro с использованием системы CDHM. В нашей системе, моно-режиме волокон соединен с диодным лазером, работающий при 633 нм с. Благодаря конфигурации расходящегося пучка, важно, чтобы соотв...

Обсуждение

В этом обзоре мы приводим протокол для точного восстановления количественного морфологии различных устройств МЭМС с помощью компактной системы, использующей цифровой голографии. MEMS характеристика в обоих статическом и динамическом режиме демонстрируется. Количественные 3D-данные м?...

Материалы

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