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的稳定性。随着高分辨率相机传感器（如电荷耦合器件，CCD）的发展，数字计量学迎来了新的途径。其中一种技术即称为数字全息术⁴。在数字全息术（DH）中，全息图被记录在相机（记录介质）上，并通过数值计算方法重建相位和强度信息。与传统全息术类似，该方法的结果也需经过两个主要步骤：记录与重建，如图1所示。然而，尽管记录过程与传统全息术相似，重建过程则完全通过数值方法实现⁵。数值重建过程如图2所示，包含两个步骤：首先，从全息图中恢复物光波场，即将全息图与数值参考波相乘，以获得全息图平面上的物光波前；其次，将复数形式的物光波前通过数值方法传播至成像平面。在本系统中，此步骤采用卷积法实现⁶。所获得的重建光场为复函数，因此可从中提取相位和强度信息，从而提供关于目标物体的定量高度数据。全息术方法具备全场信息存储能力，结合计算机技术实现快速数据处理，使实验配置更具灵活性，并显著提升实验过程的速度，为发展数字全息术作为微机电系统（MEMS）和微系统动态计量工具开辟了新的可能性^7,8。

数字全息技术在相衬成像中的应用现已得到广泛认可，首次提出距今已超过十年。⁹事实上，已有许多研究通过结合数字全息与显微技术对微小器件进行了研究^{10, 11, 12, 13}. 基于高相干性的多种系统¹⁴ 和低相干性¹⁵ 光源以及不同类型的几何结构^{13, 16, 17} 同线、离轴、共路…已展示了相关结果。此外，线扫描数字全息术此前已被用于MEMS器件的表征。^{18, 19}然而，这些系统通常难以实现且体积庞大，因而不适合工业应用。本研究提出了一种紧凑、简单且无需透镜的离轴数字全息系统，可用于实时MEMS检测与表征。紧凑型数字全息显微镜（CDHM）是一种无需透镜的数字全息系统，已开发并取得专利，用于获取微尺度镜面物体的三维形貌。在本系统中，采用一个输出功率为10 mW、高度稳定、温度控制的638 nm半导体激光器，耦合至单模光纤。如图所示 图3来自光纤的发散光束经由分束器被分为参考光束和物光束。参考光束的光路包含一个倾斜的反射镜，以实现离轴几何结构。物光束被样品散射并反射。两束光在CCD上发生干涉，形成全息图。记录在图像上的干涉图样称为空间载波，可通过单幅图像恢复定量相位信息。数值重建采用前述常用的傅里叶变换与卷积算法完成。无透镜结构具有多项优势，因而具有吸引力。由于未使用透镜，输入光束为发散波，可提供自然的几何放大效应，从而提高系统分辨率。此外，该结构避免了典型光学系统中常见的像差。如图所示 图3B，该系统可实现小型化（55×75×125 mm）³，重量轻（400 g），因此可轻松集成到工业生产线中。

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。
   1. 如有需要，调整最佳增益和曝光参数，以避免图像饱和。
4. 利用实时视频窗口的相机视图，调整样品位置，以选定样品上需要精确检测的区域。
5. 打开设置选项卡。
   1. 在配置选项卡中，选择表面类型（反射型或透射型）、激光波长以及相机像素尺寸。激光器为工作波长 633 nm 的二极管激光器。相机像素尺寸为 4,650 nm。样品为镜面反射型 MEMS 电极器件，因此应选择反射模式。
      注意：CDHM 配置仅允许测量反射表面。然而，当使用不同的数字全息系统时，该软件也可用于测量透明样品¹³。此设置的更改会影响从相位计算高度的公式。实际上，对于透明样品，光程差的计算略有不同，因其包含样品的折射率。
   2. 选择卷积重建算法，并将重建距离设为零。选择重建步长为 1 或 2。
      注意：重建距离参数可在后续通过全息图获得的强度图像并结合自动对焦功能来确定。重建步长定义了用于实现菲涅耳积分和模拟光束传播的步数。第一种方法将积分作为单次傅里叶变换进行一次计算。步长为 2 时将对积分进行两次计算。这增加了网格间距的灵活性，但计算效率较低²⁰。
   3. 在后处理选项卡中，选择必要的解包裹算法以获得最终的解包裹图像。选择质量映射算法。
      注意：在软件中可选择 Goldstein 算法或质量映射算法。后者表现出稳健且快速的空间相位解包裹性能。质量映射算法基于文献²¹中所述的引导式相位解包裹方法。

3. 数据采集

1. 按下傅里叶变换图标以打开傅里叶频谱窗口。此时应出现一个零级和两个正负一级衍射阶次。如果未出现该情况，请检查样品是否处于正确位置，并再次调整增益和曝光时间。
2. 停止实时测量模式。使用滤波工具选择其中一个衍射阶次（正频率或负频率）。所选区域应足够大，以确保包含相位重建所需的所有频率信息。然后再次开启实时模式。
   注意：选择负阶次仅会影响最终结果中相位的符号，i.e., 最终的三维图像将被反转。
3. 打开相位窗口。确认未启用解包裹模式。此时应显示带有包裹条纹的物体灰度相位图像。
4. 使用电动垂直载物台减少相位图像中的条纹数量。当图像中仅剩1至2条条纹时，停止电动载物台。
   注意：该系统基于干涉测量原理，因此对振动敏感。在移动Z方向电动载物台后，用户应在包裹相位图像重新出现前等待1至2秒。此外，在测量过程中应避免振动，以获得稳定的相位图像。
5. 点击自动对焦²²按钮以寻找最佳重建距离。可能需要多次使用自动对焦功能，逐步逼近最优重建距离，直至强度图像清晰锐利。该自动对焦基于高效且节省时间的角谱方法，如文献²²所述。
   注意：可使用对焦滑动条进行微调。然后点击中心对焦按钮以记录当前重建距离。有时自动对焦功能无法找到最佳焦点，在此情况下，需手动输入重建距离以确定最佳对焦位置。
6. 点击解包裹按钮，启用解包裹模式以查看解包裹后的相位图像。

4. 静态测量的数据可视化与分析

1. 打开三维图像窗口以查看样品的最终三维图像。使用可用选项观察最终结果（旋转、颜色映射、缩放显示）…).
2. 单击平铺窗口按钮，以非重叠方式排列窗口，并显示所有测量窗口。
3. 使用标尺工具在解包裹相位图像的兴趣区域上绘制一条直线。在直线图窗口中，可观察到该兴趣区域的横截面轮廓图。利用两条绿色线标记提取物体的近似高度图5).
   样品的平坦顶部区域也可获得表面粗糙度数据。
4. 将最终的相位图像以 .JPEG 格式保存，以便在需要时导入其他软件。

5. 动态测量的样品制备与数据分析

1. 将微膜片放置在加热台板上。实验结束前，样品不得从台板上取下。
2. 按照上述第2和第3节所述步骤，记录微膜片在环境温度下的全息图。该全息图将用作变形分析的参考。
3. 将相位数据保存至计算机。
4. 开启实验室加热板。
5. 使用温度调节旋钮，以50 °C为步长，将温度从50 °C逐步升高至300 °C。在每个温度点，以.JPEG格式保存相位图。
6. 将其他温度下记录的相位图减去初始环境温度下的相位图，以获得变形数据。
   注意：该后处理步骤可通过简单的MATLAB代码实现。将获得的不同相位图加载至MATLAB中，进行矩阵相减运算，随后可得到不同变形阶段的截面图。

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