用于MEMS检测与表征的紧凑型无透镜数字全息显微镜

摘要

我们提出了一种用于检测和表征微机电系统（MEMS）器件的紧凑型反射式数字全息系统（CDHM）。该系统采用无透镜设计，利用发散输入波实现自然的几何放大。文中展示了静态与动态研究结果。

摘要

微机电系统（MEMS）是能源、生物技术、医疗、通信和汽车等多个工业领域中广泛使用的关键组件。然而，为确保MEMS的功能可靠性，亟需有效的检测与表征计量系统。本研究提出了一种基于数字全息技术的MEMS计量系统。在过去的20年中，数字全息技术受到越来越多的关注。随着传感器阵列的快速发展和成本降低，此类系统的分辨率不断提高，拓展了其潜在应用范围。因此，该技术作为工业计量中一种潜在可靠的工具，已引起学术界和工业界的共同关注。事实上，通过在CCD相机上记录物光束（包含样品高度信息）与参考光束之间的干涉图样，即可重建出物体的定量相位信息。然而，大多数数字全息系统体积庞大，难以集成到工业生产线中。本研究所提出系统的创新之处在于其无需透镜，因而结构极为紧凑。本研究表明，紧凑型数字全息显微镜（CDHM）可用于评估MEMS检测中通常作为评判标准的多项特性。文中展示了MEMS在静态和动态条件下的表面形貌，并通过与原子力显微镜（AFM）的对比，验证了CDHM的测量精度。

引言

微米和纳米尺度物体的计量对工业界和科研人员都具有重要意义。实际上，物体的微型化为光学计量带来了新的挑战。微机电系统（MEMS）通常被定义为微型化的机电系统，通常包含微传感器、微执行器、微电子器件和微结构等组件。它已在生物技术、医学、通信和传感等多个领域得到广泛应用¹。近年来，被测对象特征的日益复杂化以及持续的微型化趋势，要求发展适用于MEMS的表征技术。这些复杂微系统的高通量制造需要采用先进的在线测量技术，以量化由工艺条件引起的特征参数及相关缺陷²。例如，MEMS器件中几何参数的偏差会影响系统性能，必须对其进行表征。此外，工业界要求测量系统具备高分辨率性能，如完整的三维（3D）计量、大视场、高成像分辨率和实时分析能力。因此，确保可靠的质量控制和检测流程至关重要。同时，测量系统还需易于集成到生产线中，因而应具有相对紧凑的结构，以便安装在现有基础设施上。

全息术最初由 Gabor³ 提出，是一种通过记录参考光波与物光波在感光介质中的干涉图样，从而恢复物体完整定量信息的技术。在这一被称为“记录”的过程中，光场的振幅、相位和偏振信息被存储在介质中。随后，通过将参考光束照射到介质上即可重建物光波场，这一过程称为全息图的光学读取。由于传统探测器仅能记录光波的强度，全息术在过去五十年中备受关注，因为它能够提供关于电场的额外信息。然而，传统全息术的若干特性使其在工业应用中不够实用。例如，感光材料成本较高，且记录过程通常需要极高....

方案

1. 测量的初步准备

注意：实验所用样品为微机电系统（MEMS）电极。金电极通过剥离工艺在硅晶圆上制备而成。该样品为18 mm × 18 mm的晶圆，其上具有周期性结构（电极），周期为1 mm。

1. 使用系统前请先在记录本上登录。
2. 打开计算机、激光器和位移台电源。
3. 放置MEMS电极/微膜样品。
   1. 使用镊子将MEMS样品放置在样品 holder 中央位置。
   2. 调节样品 holder，使电极位于光路中。最大测量视场由相机传感器尺寸决定，为 2.3 mm x 1.8 mm 的矩形区域。
4. 使用垂直方向的电动位移台，将系统大致移离样品约 1.5 cm。

2. 软件设置调整

1. 打开 3DView 软件。3DView 是我们使用 C++ 自主开发的程序。
2. 点击成像源按钮，为实验选择合适的相机。请选择单色 CCD 相机。由于本实验使用单色二极管激光器，因此请避免使用彩色相机。此外，对于相同数量的像素，使用彩色相机时分辨率会更低。
   1. 在设备设置选项卡中，选择 Y800（1,280 × 960）视频格式和每秒 15 帧的视频速率。
3. 点击黄色播放按钮以启动相机。应出现带有嵌入式条纹图案（全息图）的物体图像。 <....

结果

上述方案旨在利用CDHM系统对MEMS和微器件进行检测与表征。在本系统中，单模光纤耦合至波长为633 nm的二极管激光器。由于采用发散光束结构，为获得可重建的全息图，必须使物光光路与参考光光路相匹配。这通过精确调节样品相对于系统的垂直位置来实现。在计算得到的包裹相位图像中，通过调整系统高度位置，将条纹数量降至最低，从而确保光路匹配。图4展示了在对样品进行适当轴向定位后，使用CDHM系统测量所获得的结果。数据由单幅图像实时获取。本实验中选用包含不同高度和周期光栅图案的USAF标准靶作为样品。如前所述，相位图（图4A）由单幅全息图像提取得到。图4A中显示了某一特定图案的线轮廓图。黄色线（图4A）表示样品上截面位置。使用两条绿色标记线来估算样品高度的绝对值。为验证数字全息系统的测量结果，对样品进行了原子力显微镜（AFM）检测。图4B展示了同一样品区域的截面图。对于同一结构，AFM与CDHM测量结果之间的高度差为.......

讨论

在本综述中，我们提供了一种利用基于数字全息技术的紧凑型系统，精确重建不同微机电系统（MEMS）器件定量形貌的实验方案。本文展示了对MEMS器件在静态和动态模式下的表征能力，并获得了微通道MEMS的定量三维数据。为验证该系统的准确性，将基于共路数字全息显微术（CDHM）的结果与原子力显微镜（AFM）的结果进行了对比，两者具有良好的一致性，表明数字全息技术可成为一种可靠的三维成像方法。结果表明，该系统具备10 nm的深度分辨率。此外，对微通道的测量结果表明，在MEMS制造过程中，可通过该系统对样品形貌进行监控与控制。同时，CDHM系统所获得的放大倍数（4.2倍）也符合MEMS器件尺寸检测所需的典型放大要求。该系统还具备全场测量能力，相较于共聚焦显微术等常规MEMS检测技术（需长时间扫描测量），具有显著优势。此外，通过将红光二极管激光器更换为紫外激光器，可轻易提升系统的横向分辨率。最后，该系统的高灵敏度使其能够进行表面粗糙度的测量。

对微膜进行动态测量的结果表明，当施加热载荷或电载荷时，CDHM 是观察 MEMS 器件变形的合适工具。通过双曝光方法构建变形图，实现了对微膜动态变形的研究。.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
2 MP 相机	Imaging Source	DMX 41BU02	用于记录全息图。4.65 微米像素尺寸
电动 X,Y,Z 平移台	Zaber Technology	TLS28-M	系统的支架
分束器	Edmund Optics	49-003	立方体分束器。用于分离和重新合并物光束与参考光束
激光器	Micro Laser Systems, Inc.	SRT-F635S-20/OSYS	二极管激光器
反射镜	Edmund Optics	#43-412-566	1" 直径，保护金膜，λ/20 平面 Zerodur 材料
单模光纤	Thorlabs	S405-XP	单模光纤，400 - 680 nm 波长范围，Ø 125 µm 包层
样品 holder	Edmund Optics	#39-930	理想定位平台，X 和 Y 方向均具有 ±35 mm 的移动行程
加热板	Thermolyne Mirak 加热板	Barnstead International HP72935-60	温度范围 40-370 °C
Holoscope 软件	d'Optron Pte Ltd		由 NTU 研究人员开发的软件