المدمجة عدسة أقل الرقمي المجسم مجهر لفحص ممس وتوصيف

الهدف العام من هذا الإجراء هو اختبار الهياكل الكهروميكانيكية الدقيقة التي ستُستخدم في تطبيقات استاتيكية وديناميكية باستخدام قياسات بصرية للمجال الكامل مع تقنيات حاسوبية وتجريبية. ويمكن لهذه الطريقة أن تساعد في الإجابة على أسئلة رئيسية في صناعة أشباه الموصلات، وتحديداً فيما يخص فحص الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS)، مثل توصيف الخصائص الميكانيكية لهياكل MEMS في مراحل التصنيع المختلفة. وتكمن الميزة الرئيسية لهذه التقنية في كونها تعمل على المجال الكامل، وبدون تلامس، وفي الوقت الفعلي، وبدقة عالية، كما أنها توفر خريطة ثلاثية الأبعاد كمية بالكامل للجسم العاكس.

تم تصميم النظام بدون عدسة، ومن ثم فهو مدمج للغاية. لذا، يمكن لهذه الطريقة أن توفر رؤية متعمقة في توصيف الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS). كما يمكن استخدامها في فحص الرقاقات أو اختبارات المرجع البصري.

في حال إعدادها بهندسة شفافة، يمكن أيضاً فحص البصريات الدقيقة، أو البصريات الحيودية، أو حتى استخدامها في التصوير الحيوي. يستخدم هذا الإجراء مجهراً هولوغرافياً رقمياً مدمجاً، أو CDHM، لتوصيف نظام كهروميكانيكي دقيق أو جهاز MEMS. وفي هذا العرض التوضيحي، سيتم توصيف رقاقة سيليكون بمساحة 11 square millimeter تحتوي على أقطاب ذهبية مربعة موزعة كل 0.25 millimeters.

باستخدام الملاقط، ضع عينة MEMS على حامل العينات. اضبط حامل العينات بحيث يستهدف شعاع الليزر الأقطاب الكهربائية. يكون أكبر مجال رؤية ممكن محدوداً بمستشعر الكاميرا، وهو في هذه الحالة 2.3 by 1.8 millimeters.

ضع النظام في وضع رأسي على بُعد 1.5 centimeters تقريبًا من العينة، ثم ابدأ في إعداد برنامج 3D View. تم تطوير هذه الحزمة بلغة C+ ابدأ بالنقر على أيقونة المربع الأخضر لاختيار جهاز التصوير بالفيديو. اختر كاميرا مصدر التصوير DMx 41BU02 من القائمة المنسدلة.

بعد ذلك، من إعدادات الجهاز (Device Settings)، اختر خيار تنسيق فيديو Y800 (Y800 Video Format)، واضبط معدل الالتقاط على 15 إطاراً في الثانية (15 Frames Per Second). اضغط موافق (OK)، وقم بتشغيل الكاميرا باستخدام زر التشغيل الأصفر. يجب أن تظهر صورة فيديو مباشرة للعينة.

يجب أن تكون الصورة المعروضة صورة غير مركزة (defocus image) للعينة. اضبط وقت التعريض وتباين الصورة إذا لزم الأمر. الآن، قم بتوسيط العينة قدر الإمكان، ثم انتقل إلى خيارات الإعدادات (Settings).

هناك، قم بضبط نوع النظام (System Type) على الانعكاس (Reflection) أو النفاذ (Transmission). وتحقق من ضبط الطول الموجي لليزر على 633 nm، وحجم بكسل الكاميرا على 4.650 nm، وقوة التكبير على 2x. بعد ذلك، اختر خوارزمية إعادة البناء بالتفاف (Convolution Reconstruction)، واضبط مسافة إعادة البناء (Reconstruction Distance) على 100 mm وخطوة إعادة البناء (Reconstruction Step) على 1.

يمكن تعديل مسافة إعادة البناء لاحقاً لضبط صورة الكثافة لتصبح بؤرة حادة، بينما يشير معامل الخطوة (Step) إلى عدد مرات تنفيذ عملية الالتفاف لمحاكاة انتشار الشعاع. يمكن تغيير هذا المعامل لضبط مسافة إعادة البناء بدقة في صورة الكثافة. وأخيراً، ضمن خيارات المعالجة البعدية (Post Processing)، قم بضبط خوارزمية فك الالتفاف (Unwrapping) على خيار Quality mapped.

تأكد من ضبط خيارات مرشح الكثافة (Intensity filter) ومرشح الطور (Phase filter) على "None". ثم اضغط موافق (OK). ابدأ بالدخول إلى برنامج العرض ثلاثي الأبعاد (3D View) وفتح نافذة طيف فوريه (Fourier spectrum). إذا لم تظهر رتبة صفرية واحدة وطيفان من رتبة زائد واحد وناقص واحد، ف تحقق من وضع العينة أسفل شعاع الليزر الأحمر.

يمكن رؤية انعكاس الليزر بسهولة من العينة. الآن، أوقف وضع القياس المباشر واختر أحد رتب الحيود باستخدام أداة التصفية. حدد منطقة واسعة بما يكفي لتشمل جميع الترددات المطلوبة لاسترجاع الطور.

اختر خيار SET لتطبيق المرشح. بعد ذلك، أعد تشغيل وضع القياس الحي. وبمجرد إتمام الاختيار وبدء التصوير الحي، افتح نافذة Phase وتأكد من أن وضع unwrapped غير مفعل.

بعد ذلك، اضبط المنصة الرأسية لتقليل عدد أهداب التداخل في صورة الطور بحيث يتبقى هدب واحد أو اثنان فقط. اترك النظام ليتكيف بعد كل حركة للمنصة. ولإيجاد أفضل مسافة لإعادة البناء، استخدم خيار التركيز التلقائي.

قد تكون هناك حاجة إلى عدة خطوات لإعادة التركيز للوصول إلى مسافة إعادة البناء المثالية. وفي النهاية، يجب أن تصبح الصورة حادة وواضحة. ويمكن إجراء تعديلات دقيقة على التركيز باستخدام شريط تمرير التركيز إذا لم يوفر التركيز التلقائي أفضل نتيجة.

لإجراء تعديلات دقيقة جداً على التركيز، يمكن تغيير خطوة إعادة البناء (Reconstruction Step) في الإعدادات. وبعد تجهيز الصورة، قم بتفعيل وضع فك اللف (unwrapped mode) لرؤية صورة الطور مفكوكة اللف. وفي برنامج عرض ثلاثي الأبعاد (3D View)، افتح نافذة الصورة ثلاثية الأبعاد لرؤية الصورة النهائية للعينة، واستخدم تعديلات الصورة المتاحة لملاحظة النتيجة.

في صورة الطور المفككة، اختر أيقونة المسطرة وارسم خطاً على المنطقة المراد دراستها للحصول على مخطط مقطعي في نافذة المخطط الخطي. الآن، في نافذة المخطط الخطي، استخدم علامتي الخط الأخضر للحصول على ارتفاع تقريبي للجسم. لترتيب النوافذ من أجل العرض المتزامن، اختر خيار تبليط النوافذ (Tile Windows).

يمكن أيضاً حساب خشونة السطح على الجزء المسطح من العينة باستخدام برنامج MATLAB. احفظ صورة الطور النهائية بصيغة bitmap لمزيد من العرض في برامج أخرى. ولتحضير العينة للتحليل الديناميكي، ضعها على منصة العينة المخصصة للتحليل.

في هذه الحالة، تكون العينة عبارة عن حجاب حاجز دقيق. قم بتوصيل أقطاب العينة بمشابك التمساح الخاصة بالمولد. واتباعاً للإجراءات الموضحة، قم بتسجيل هولوغرام للحجاب الحاجز الدقيق في درجة الحرارة المحيطة ليكون مرجعاً.

انقر فوق أيقونة Delta لإزالة الطور الأولي، وبالتالي مراقبة التشوه فقط. بعد ذلك، قم بتشغيل مولد التيار المستمر (DC generator) وزد الجهد تدريجياً من صفر إلى 12 فولت، مع التقاط صور لخريطة الطور عند كل زيادة قدرها 1 فولت. لاحقاً، وباستخدام كود MATLAB بسيط، قم برسم تشوهات خرائط الطور المختلفة في رسم بياني واحد لمراقبة التشوه الكلي بشكل أفضل، وتوصيف تشوه الأنظمة الكهروميكانيكية الصغرى (MEMS) استجابةً للتحميل الكهربائي.

استُخدم نظام CDHM لتوصيف جهاز MEMS كما هو موضح، وذلك باستخدام ليف بصري أحادي النمط مقترن بليزر ديود يعمل بطول موجي 633 nanometer. تم ضبط مساري شعاع الجسم والشعاع المرجعي للحصول على صورة هولوغرافية لجهاز MEMS. يمثل الخط الأصفر موقع المقطع العرضي في العينة، واستُخدم خطّا العلامات الأخضران لتقدير ارتفاع العينة.

للتحقق من نتائج نظام الهولوغرافيا الرقمي، استُخدم مجهر القوة الذرية لقياس البنية ذاتها. وقد وُجد فرق في الارتفاع قدره 2.1 nanometers بين قياس مجهر القوة الذرية وقياس CDHM. يخضع قطب MEMS المصنع باستخدام عملية الرفع (lift-off) لتباين في مورفولوجيا العينة يتطلب التحديد الكمي.

باستخدام البروتوكول الموصوف، تم إنشاء خريطة تشوه لهذا الغرض. ويُظهر مخطط في البعد الآخر أن خشونة سطح القطب الكهربائي يمكن ملاحظتها أيضاً باستخدام هذا النظام. وفي نظام ديناميكي، مع ارتفاع درجة الحرارة من 50 إلى 300 درجة Celsius، تم قياس التغيرات المورفولوجية في غشاء دقيق تم تصنيعه عن طريق ربط صفيحة رقيقة فوق عينة من رقاقة SOI.

تم تلخيص هذا التشوه الحراري بعد ذلك في مخطط خطي يوضح عرضاً مقطعياً لحالات التشوه المختلفة. بعد مشاهدة هذا الفيديو، يجب أن يكون لديك فهم واضح لكيفية إعداد النظام وإجراء الدراسات المورفولوجية المتعلقة بالعينات العاكسة مثل المقطع الجانبي ثلاثي الأبعاد (3D profile)، وخرائط التشوه، وخشونة السطح. وبمجرد التدريب، يمكن لأي شخص استخدام البرنامج والنظام بحيث يمكن تطبيقهما بسهولة في سلاسل الإنتاج وتشغيلهما من قبل الفنيين.

أثناء محاولة تنفيذ هذا الإجراء، من المهم تذكر وضع العينة على المسافة الصحيحة من النظام. هذه خطوة مهمة، ولها تأثير فعلي على النتائج النهائية.

بعد تطويرها، أتاحت هذه التقنية للباحثين في مجال الهندسة البصرية والكهربائية تصنيف سلوك عينات MEMS في الظروف الساكنة والديناميكية. وباتباع هذا الإجراء، يمكن إجراء تجارب أخرى مثل رصد نمط الرنين أثناء تطبيق تيار متردد عالي التردد أو قياس انحراف العارضة لغرض معايرة جهاز MEMS ذو عمود محشو.