Compact-Objektiv lose digitale holografische Mikroskop für MEMS-Inspektion und Charakterisierung

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens besteht darin, mikroelektromechanische Strukturen, die in statischen und dynamischen Anwendungen eingesetzt werden sollen, mithilfe optischer Vollfeldmessungen in Kombination mit rechnergestützten und experimentellen Techniken zu prüfen. Diese Methode kann helfen, zentrale Fragen in der Halbleiterindustrie und insbesondere bei der Inspektion von mikroelektromechanischen Systemen zu beantworten, beispielsweise die Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften von MEMS-Strukturen in verschiedenen Fertigungsstadien. Der Hauptvorteil dieser Technik liegt darin, dass sie berührungslos, echtzeitfähig, hochauflösend und ein Vollfeldverfahren ist und zudem eine vollständig quantitative 3D-Karte des reflektierenden Objekts liefert.

Das System wurde ohne Linse konstruiert und ist daher äußerst kompakt. Diese Methode kann daher Einblicke in die Charakterisierung von MEMS liefern. Sie kann auch für die Waferinspektion oder als Referenztest für optische Systeme verwendet werden.

Wenn eine transparente Geometrie verwendet wird, ist es ebenfalls möglich, Mikrooptiken, diffraktive Optiken oder sogar die Bioabbildung zu untersuchen. Dieses Verfahren nutzt ein kompaktes digitales holographisches Mikroskop (CDHM), um ein mikroelektromechanisches System, oder MEMS-Bauelement, zu charakterisieren. Für diese Demonstration wird ein 11 Quadratmillimeter großer Siliziumwafer mit quadratischen Goldelektroden, die jeweils alle 0,25 Millimeter angeordnet sind, charakterisiert.

Platzieren Sie die MEMS-Probe mit einer Pinzette auf dem Probenhalter. Justieren Sie den Probenhalter so, dass der Laserstrahl auf die Elektroden trifft. Das größtmögliche Sichtfeld ist durch den Kamerasensor begrenzt und beträgt in diesem Fall 2,3 bei 1,8 Millimetern.

Positionieren Sie das System vertikal etwa 1,5 Zentimeter vom Probensatz entfernt und fahren Sie mit der Einrichtung der 3D-View-Software fort. Dieses Softwarepaket wurde in C+ entwickelt. Beginnen Sie damit, auf das grüne Kästchensymbol zu klicken, um das Videobildaufnahmegerät auszuwählen. Wählen Sie in der Dropdown-Liste die Bildaufnahmekamera DMx 41BU02 aus.

Als Nächstes im Geräte-Menü die Y800-Videodatei-Option auswählen und die Aufnahmegeschwindigkeit auf 15 Bilder pro Sekunde einstellen. Auf „OK“ klicken und die Kamera über den gelben Wiedergabeknopf starten. Ein Live-Video des Probenobjekts sollte erscheinen.

Das angezeigte Bild sollte ein Defokus-Bild der Probe sein. Passen Sie gegebenenfalls die Belichtungszeit und den Kontrast des Bildes an. Zentrieren Sie nun die Probe so gut wie möglich und rufen Sie die Einstellungsoptionen auf.

Stellen Sie dort den Systemtyp auf Reflexion oder Transmission ein. Überprüfen Sie, dass die Wellenlänge des Lasers auf 633 nm, die Pixelgröße der Kamera auf 4.650 nm und die Vergrößerung auf das Zweifache eingestellt ist. Wählen Sie anschließend den Faltungs-Rekonstruktionsalgorithmus aus und setzen Sie den Rekonstruktionsabstand auf 100 mm sowie die Rekonstruktionsschrittweite auf eins.

Der Rekonstruktionsabstand kann später angepasst werden, um das Intensitätsbild scharf einzustellen, während der Schritt-Parameter angibt, wie oft die Faltungsoperation durchgeführt wird, um die Strahlausbreitung zu simulieren. Dieser Parameter kann geändert werden, um den Rekonstruktionsabstand im Intensitätsbild feinabzustimmen. Zuletzt wählen Sie unter den Optionen zur Nachbearbeitung den Entfaltungs-Algorithmus „Quality mapped“.

Stellen Sie sicher, dass die Optionen für den Intensitätsfilter und den Phasenfilter auf „Keiner“ eingestellt sind. Drücken Sie dann auf OK. Starten Sie zunächst die 3D-Ansicht-Software und öffnen Sie das Fourier-Spektrum-Fenster. Wenn ein Null-Ordnung- und zwei Plus-Eins- und Minus-Eins-Ordnung-Spektren nicht erscheinen, überprüfen Sie, ob die Probe unterhalb des roten Laserstrahls positioniert ist.

Die Laserreflexion ist leicht vom Probematerial aus zu erkennen. Beenden Sie nun den Live-Messmodus und wählen Sie mithilfe des Filterwerkzeugs eine der gebeugten Ordnungen aus. Wählen Sie einen Bereich, der groß genug ist, um alle für die Phasenrekonstruktion benötigten Frequenzen einzuschließen.

Wählen Sie die SET-Option, um den Filter anzuwenden. Starten Sie anschließend den Live-Messmodus neu. Nach der Auswahl und bei laufender Live-Bildgebung öffnen Sie das Phasen-Fenster und stellen Sie sicher, dass der „unwrapped“-Modus nicht aktiviert ist.

Als Nächstes passen Sie den vertikalen Tisch an, um die Anzahl der Streifen im Phasenbild zu verringern, sodass nur noch ein oder zwei Streifen sichtbar sind. Lassen Sie das System nach jeder Tischbewegung justieren. Um die optimale Rekonstruktionsdistanz zu finden, verwenden Sie die Autofokus-Funktion.

Mehrere Nachfokussierungsschritte sind möglicherweise erforderlich, um den optimalen Rekonstruktionsabstand zu erreichen. Letztendlich sollte das Bild scharf und klar werden. Feine Fokuseinstellungen können mithilfe der Fokus-Schiebereglerleiste vorgenommen werden, falls der Autofokus nicht das beste Ergebnis liefert.

Für sehr feine Fokusnachjustierungen kann der Rekonstruktionsschritt in den Einstellungen geändert werden. Nachdem das Bild vorbereitet wurde, aktivieren Sie den entfalteten Modus, um das entfaltete Phasenbild zu sehen. Öffnen Sie im 3D-Ansicht-Software das 3D-Bildfenster, um das endgültige Bild der Probe zu betrachten, und verwenden Sie die verfügbaren Bildanpassungen, um das Ergebnis zu beobachten.

Wählen Sie auf dem entpackten Phasenbild das Lineal-Symbol aus und zeichnen Sie eine Linie über den Bereich von Interesse, um im Liniendiagramm-Fenster eine Querschnittsdarstellung zu erhalten. Verwenden Sie nun im Liniendiagramm-Fenster die beiden grünen Linienmarkierungen, um eine ungefähre Höhe des Objekts zu ermitteln. Um die Fenster für eine gleichzeitige Ansicht anzuordnen, wählen Sie die Option „Fenster kacheln“.

Die Oberflächenrauheit kann auch auf dem flachen Teil der Probe mithilfe der MATLAB-Software berechnet werden. Speichern Sie das endgültige Phasenbild als Bitmap, um es in anderer Software weiterzuverwenden. Um die Probe für die dynamische Analyse vorzubereiten, platzieren Sie sie zur Analyse auf dem Probenhalter.

In diesem Fall handelt es sich bei der Probe um eine Mikromembran. Verbinden Sie die Probenelektroden mit den Krokodilklemmen des Generators. Nehmen Sie gemäß den beschriebenen Verfahren ein Hologramm der Mikromembran bei Umgebungstemperatur als Referenz auf.

Klicken Sie auf das Delta-Symbol, um die Anfangsphase zu entfernen und somit nur die Verformung zu beobachten. Schalten Sie dann den DC-Generator ein und erhöhen Sie die Spannung schrittweise von null auf 12 Volt, wobei Sie bei jedem 1-Volt-Schritt Phasenkartenbilder aufnehmen. Verwenden Sie anschließend einen einfachen MATLAB-Code, um die verschiedenen Verformungen der Phasenkarten in einem einzigen Diagramm darzustellen, um die Gesamtverformung besser beobachten und die Verformung des MEMS unter elektrischer Belastung charakterisieren zu können.

Ein CDHM-System wurde verwendet, um ein MEMS-Bauelement zu charakterisieren, wie beschrieben, unter Verwendung einer Monomode-Faser, die mit einem Diodenlaser gekoppelt war, der bei einer Wellenlänge von 633 Nanometern arbeitete. Der Objektstrahl und der Referenzstrahlengang wurden angepasst, um ein Hologrammbild des MEMS-Bauelements zu erhalten. Die gelbe Linie stellt die Position des Querschnitts auf der Probe dar, und die beiden grünen Markierungslinien wurden zur Schätzung der Probenhöhe verwendet.

Um die Ergebnisse des digitalen holographischen Systems zu validieren, wurde ein Rasterkraftmikroskop verwendet, um dieselbe Struktur zu vermessen. Bei der Messung zeigte sich ein Höhenunterschied von 2,1 Nanometern zwischen den Ergebnissen des Rasterkraftmikroskops und der CDHM-Messung. Eine mit einem Lift-off-Verfahren hergestellte MEMS-Elektrode unterliegt morphologischen Abweichungen der Probe, deren Quantifizierung erforderlich ist.

Mithilfe des beschriebenen Protokolls wurde eine Def-Karte für diesen Zweck angefertigt. Eine Darstellung in der anderen Dimension zeigt, dass auch die Oberflächenrauhigkeit der Elektrode mit dem System beobachtet werden kann. In einem dynamischen System, bei dem die Temperatur von 50 auf 300 Grad Celsius ansteigt, wurden morphologische Veränderungen in einem mikrofabrizierten Membran durch Messung erfasst, das durch das Verbinden einer dünnen Platte mit einer SOI-Waferprobe hergestellt wurde.

Diese thermische Verformung wurde anschließend in einem Liniendiagramm zusammengefasst, das eine Querschnittsansicht der verschiedenen Verformungszustände zeigt. Nach dem Anschauen dieses Videos sollten Sie ein klares Verständnis dafür haben, wie man das System einrichtet und morphologische Untersuchungen an reflektierenden Proben durchführt, wie beispielsweise 3D-Profil, Verformungskarten und Oberflächenrauhigkeit. Einmal geschult, kann jeder die Software und das System nutzen, sodass es problemlos in Produktionsketten integriert und von Technikern bedient werden kann.

Bei der Durchführung dieses Verfahrens ist es wichtig, daran zu denken, die Probe in der richtigen Entfernung zum System zu platzieren. Dies ist ein entscheidender Schritt, der einen tatsächlichen Einfluss auf die endgültigen Ergebnisse hat.

Nach ihrer Entwicklung steht diese Technik Forschern auf dem Gebiet der optischen und elektrischen Messtechnik zur Verfügung, um das Verhalten von MEMS-Proben unter statischen und dynamischen Bedingungen zu kategorisieren. Mithilfe dieses Verfahrens können weitere Experimente durchgeführt werden, beispielsweise die Beobachtung von Resonanzmodi bei Anlegen eines hochfrequenten Wechselstroms oder die Quantifizierung der Auslenkung eines Kragträgers, um eine Kalibrierung eines verpackten MEMS-Geräts mit Säulenanordnung zu ermöglichen.