用于MEMS检测与表征的紧凑型无透镜数字全息显微镜

本实验的总体目标是利用计算与实验技术结合的光学全场测量方法，对用于静态和动态应用的微机电系统结构进行测试。该方法有助于回答半导体行业中的一些关键问题，特别是在微机电系统（MEMS）检测方面，例如在制造过程的不同阶段对MEMS结构的力学性能进行表征。该技术的主要优势在于其具备全场测量、非接触式、实时性、高分辨率等特点，并可提供反射物体完全定量的三维形貌图。

该系统采用无透镜设计，因此结构非常紧凑。该方法可为微机电系统（MEMS）的表征提供洞察，也可用于晶圆检测或光学参考测试。

若采用透射式光路结构，该系统还可用于检测微光学元件、衍射光学元件，甚至可用于生物成像。本实验采用紧凑型数字全息显微镜（CDHM）对微机电系统（MEMS）器件进行表征。在本演示中，将对一片面积为11平方毫米、每隔0.25毫米分布有方形金电极的硅片进行表征。

使用镊子将 MEMS 样品放置在样品 holder 上。调整样品 holder，使激光束对准电极。最大可能的视野受相机传感器限制，在本例中为 2.3 毫米 × 1.8 毫米。

将系统垂直定位在距离样品约1.5厘米处，然后继续设置3D View软件。该软件包使用C++开发，首先单击绿色方框图标以选择视频成像设备。在下拉菜单中选择DMx 41BU02成像源相机。

接下来，在设备设置下，选择 Y800 视频格式选项，并将采集速率设置为 15 帧每秒。按下确定，然后使用黄色播放按钮启动相机。样品的实时视频图像应出现。

显示的图像应为样品的离焦图像。如有需要，调整图像的曝光时间和对比度。现在，尽可能将样品居中，并进入设置选项。

在此处，将系统类型设置为反射或透射。确认激光波长设置为 633 nm，相机像素尺寸设置为 4,650 nm，放大倍数为 2 倍。接下来，选择卷积重建算法，并将重建距离设置为 100 mm，重建步长设置为 1。

重建距离可后续调整，以使强度图像达到清晰聚焦，而“步长”参数表示执行卷积运算以模拟光束传播的次数。该参数可更改，用于精细调节强度图像中的重建距离。最后，在“后处理”选项下，将“解包裹算法”设置为“质量映射”选项。

确保强度滤波器和相位滤波器选项均设置为“无”，然后点击确定。首先启动3D视图软件并打开傅里叶频谱窗口。若未出现一个零级衍射斑和两个正负一级衍射斑，请检查样品是否位于红色激光束下方。

从样品中可以轻松观察到激光反射。现在，停止实时测量模式，并使用滤波工具选择其中一个衍射级次。选择一个足够大的区域，以包含相位恢复所需的所有频率。

选择“SET”选项以应用滤镜。然后，重新启动实时测量模式。在完成选择并进行实时成像时，打开“Phase”窗口，并确保未启用解包裹模式。

接下来，调节垂直载物台以减少相位图像中的条纹数量，直至仅剩一到两条条纹。每次移动载物台后，让系统进行调整。为确定最佳重建距离，请使用自动对焦功能。

可能需要多次重新对焦以达到最佳重建距离。最终图像应变得清晰锐利。如果自动对焦未能获得最佳效果，可使用对焦滑动条进行精细调焦。

对于非常精细的焦距调整，可以在设置中更改重建步长。图像准备就绪后，启用展开模式以查看相位展开图像。在3D视图软件中，打开3D图像窗口以查看样品的最终图像，并使用可用的图像调节功能观察结果。

在解包裹相位图像上，选择标尺图标，并在感兴趣区域绘制一条线，以在线条图窗口中获得该处的横截面图。随后，在线条图窗口中，使用两条绿色线标记来获取物体的近似高度。若需同时查看多个窗口，请选择“平铺窗口”选项。

可以使用 MATLAB 软件在样品的平坦区域计算表面粗糙度。将最终的相位图像保存为位图，以便在其他软件中进一步查看。为进行动态分析，需将样品放置在样品台上以准备分析。

本案例中，样品为微小的膜片。将样品电极连接至信号发生器的鳄鱼夹。按照所述步骤，在环境温度下记录该微膜片的全息图作为参考。

单击 Delta 图标以去除初始相位，从而仅观察形变。然后，打开直流电源，将电压从 0 伏特逐渐增加至 12 伏特，并在每增加 1 伏特时采集相位图图像。随后，使用一段简单的 MATLAB 代码，将不同相位图的形变绘制在同一张图中，以更清晰地观察总体形变，并表征 MEMS 在电载荷作用下的形变特性。

采用CDHM系统对MEMS器件进行表征，该系统使用单模光纤耦合的二极管激光器，工作波长为633纳米。通过匹配物光束与参考光束的光路，获得MEMS器件的全息图像。黄线表示样品上截面的位置，两条绿色标记线用于估算样品高度。

为了验证数字全息系统的测量结果，使用原子力显微镜对同一结构进行了测量。原子力显微镜与CDHM测量结果之间的高度差为2.1纳米。采用剥离工艺制备的MEMS电极易受样品形貌变异的影响，需要进行量化分析。

利用所述方案，为此目的制作了一张缺陷图。另一个维度的图显示，该系统还可观察电极表面的粗糙度。在动态系统中，当温度从50升至300摄氏度时，测量了通过将薄板键合到SOI晶圆样品上制备的微膜片的形貌变化。

随后，该热变形通过线图进行总结，展示不同变形状态的横截面视图。观看本视频后，您应能够清楚地理解如何设置系统并开展与反射样品相关的形貌研究，例如三维轮廓、变形图和表面粗糙度分析。经过培训后，任何人都可以使用该软件和系统，因此其可轻松集成到生产线中，并由技术人员操作。

在进行该操作时，务必记住将样品放置在距离系统适当的位置。这是至关重要的一步，会显著影响最终结果。

该技术开发完成后，可为光学与电气工程领域的研究人员提供一种对MEMS样品在静态和动态条件下的行为进行分类的方法。按照此操作流程，还可开展其他实验，例如在施加高频交流电流时观察共振模式，或量化悬臂梁的偏转，从而实现对封装柱状MEMS器件的校准。