Compact-Objektiv lose digitale holografische Mikroskop für MEMS-Inspektion und Charakterisierung
July 5th, 2016
Wir präsentieren eine kompakte Reflexion digitale holografische System (CDHM) zur Inspektion und Charakterisierung von MEMS-Bauelementen. Ein linsenloses Design einen divergierenden Eingangswelle bietet natürliche geometrische Vergrößerung verwendet wird demonstriert. Sowohl statische als auch dynamische Studien vorgestellt.
Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist es, mikroelektromechanische Strukturen, die in statischen und dynamischen Anwendungen eingesetzt werden sollen, mittels optischer Vollfeldmessungen mit rechnerischen und experimentellen Techniken zu testen. Diese Methode kann dazu beitragen, Schlüsselfragen in der Halbleiterindustrie und insbesondere bei der mikroelektromechanischen Systeminspektion zu beantworten, wie z. B. die Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften von MEMS-Strukturen in verschiedenen Phasen der Herstellung. Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass sie vollflächig, berührungslos, in Echtzeit und mit hoher Auflösung ist und eine vollständig quantitative 3D-Karte des reflektierenden Objekts liefert.
Das System wurde ohne Objektiv hergestellt und ist daher sehr kompakt. Diese Methode kann also einen Einblick in die MEMS-Charakterisierung geben. Es kann auch für die Waferinspektion oder Optik-Referenztests verwendet werden.
In einer transparenten Geometrie ist es auch möglich, Mikrooptiken, diffraktive Optiken oder sogar für die Biobildgebung zu inspizieren. Bei diesem Verfahren wird ein kompaktes digitales holografisches Mikroskop (CDHM) verwendet, um ein mikroelektromechanisches System oder MEMS-Gerät zu charakterisieren. Für diese Demonstration wird ein 11 Quadratmillimeter großer Siliziumwafer mit quadratischen Goldelektroden charakterisiert, die alle 0,25 Millimeter positioniert sind.
Legen Sie die MEMS-Probe mit einer Pinzette auf den Probenhalter. Stellen Sie den Probenhalter so ein, dass der Laserstrahl auf die Elektroden gerichtet ist. Das größtmögliche Sichtfeld wird durch den Kamerasensor begrenzt und liegt in diesem Fall bei 2,3 mal 1,8 Millimetern.
Positionieren Sie das System vertikal etwa 1,5 Zentimeter von der Probe entfernt und fahren Sie mit der Einrichtung der 3D-Ansichtssoftware fort. Dieses Paket wurde in C+Beginnen Sie mit einem Klick auf das grüne Kästchen, um das Videobildgerät auszuwählen. Wählen Sie im Dropdown-Menü die Kamera DMx 41BU02 aus.
Wählen Sie anschließend in den Geräteeinstellungen die Option Y800-Videoformat aus und stellen Sie die Aufnahmerate auf 15 Bilder pro Sekunde ein. Drücken Sie OK und starten Sie die Kamera mit der gelben Wiedergabetaste. Es sollte ein Live-Videobild der Probe angezeigt werden.
Das angezeigte Bild sollte ein Defokussierungsbild der Probe sein. Passen Sie bei Bedarf die Belichtungszeit und den Kontrast des Bildes an. Zentrieren Sie nun das Beispiel so gut wie möglich, und greifen Sie auf die Einstellungsoptionen zu.
Legen Sie dort den Systemtyp auf Reflexion oder Übertragung fest. Überprüfen Sie, ob die Wellenlänge des Lasers auf 633 nm, die Pixelgröße der Kamera auf 4.650 nm und die Vergrößerung mal zwei eingestellt ist. Wählen Sie als Nächstes den Algorithmus Faltungsrekonstruktion aus, und legen Sie den Rekonstruktionsabstand auf 100 mm und den Rekonstruktionsschritt auf eins fest.
Der Rekonstruktionsabstand kann später angepasst werden, um das Intensitätsbild auf einen scharfen Fokus einzustellen, während der Parameter Step angibt, wie oft die Faltungsoperation durchgeführt wird, um die Strahlausbreitung zu simulieren. Dieser Parameter kann geändert werden, um den Rekonstruktionsabstand im Intensitätsbild fein abzustimmen. Legen Sie abschließend unter den Optionen für die Nachbearbeitung den Unwrapping-Algorithmus auf die Option Quality maped fest.
Stellen Sie sicher, dass die Optionen "Intensitätsfilter" und "Phasenfilter" auf "Keine" eingestellt sind. Drücken Sie dann OK. Beginnen Sie mit dem Zugriff auf die 3D-Ansicht-Software und dem Öffnen des Fourier-Spektrum-Fensters. Wenn Spektren eins null Ordnung und zwei plus eins minus eins Ordnung nicht angezeigt werden, überprüfen Sie, ob die Probe unter dem roten Laserstrahl platziert ist.
Die Laserreflexion ist an der Probe gut zu erkennen. Stoppen Sie nun den Live-Messmodus und wählen Sie mit dem Filterwerkzeug eine der gebeugten Ordnungen aus. Wählen Sie einen Bereich, der groß genug ist, um alle Frequenzen zu umfassen, die für den Phasenabruf benötigt werden.
Wählen Sie die Option SET aus, um den Filter anzuwenden. Starten Sie dann den Live-Messmodus neu. Wenn Sie die Auswahl getroffen und das Imaging live ausgeführt haben, öffnen Sie das Phasenfenster und stellen Sie sicher, dass der Unwrapper-Modus nicht aktiviert ist.
Passen Sie als Nächstes den vertikalen Tisch an, um die Anzahl der Säume im Phasenbild zu reduzieren, sodass nur ein oder zwei Säume übrig bleiben. Lassen Sie das System nach jeder Schrittbewegung anpassen. Um den besten Rekonstruktionsabstand zu finden, verwenden Sie die Autofokus-Option.
Möglicherweise sind mehrere Refokussierungsschritte erforderlich, um den optimalen Rekonstruktionsabstand zu erreichen. Letztendlich soll das Bild scharf und klar werden. Feineinstellungen des Fokussierers können mit dem Schieberegler für den Fokus vorgenommen werden, wenn der Autofokus nicht das beste Ergebnis liefert.
Für sehr feine Fokuseinstellungen kann der Rekonstruktionsschritt in den Einstellungen geändert werden. Wenn das Bild vorbereitet ist, aktivieren Sie den Umschlossen-Modus, um das umschlossene Phasenbild anzuzeigen. Öffnen Sie in der 3D-Ansicht-Software das 3D-Bildfenster, um das endgültige Bild der Probe anzuzeigen, und verwenden Sie die verfügbaren Bildanpassungen, um das Ergebnis zu beobachten.
Wählen Sie auf dem Bild mit der nicht umbrochenen Phase das Linealsymbol aus und zeichnen Sie eine Linie auf den Interessenbereich, um ein Querschnittsdiagramm im Liniendiagrammfenster zu erhalten. Verwenden Sie nun im Fenster Liniendiagramm die beiden grünen Linienmarkierungen, um eine ungefähre Höhe des Objekts zu erhalten. Um die Fenster für die gleichzeitige Anzeige anzuordnen, wählen Sie die Option Fenster kacheln.
Die Oberflächenrauheit kann mit der MATLAB-Software auch am flachen Teil der Probe berechnet werden. Speichern Sie das Bild der Endphase als Bitmap, um es in einer anderen Software weiter anzuzeigen. Um die Probe für die dynamische Analyse vorzubereiten, positionieren Sie sie für die Analyse auf dem Probentisch.
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 Gleichstromgenerator ein und erhöhen Sie die Spannung allmählich von null auf 12 Volt, indem Sie alle 1-Volt-Schritte Phasenabbildungsbilder aufnehmen. Später können Sie mit einem einfachen MATLAB-Code die verschiedenen Verformungen der Phasenkarte in einem Diagramm darstellen, um die Gesamtverformung besser zu beobachten und die MEMS-Verformung gegenüber elektrischer Belastung zu charakterisieren.
Ein CDHM-System wurde verwendet, um ein MEMS-Bauelement wie beschrieben zu charakterisieren, wobei eine Monomode-Faser verwendet wurde, die mit einem Diodenlaser gekoppelt war, der bei einer Wellenlänge von 633 Nanometern arbeitete. Der Objektstrahl und der Referenzstrahlengang wurden abgeglichen, um ein Hologrammbild des MEMS-Geräts zu erhalten. Die gelbe Linie stellt die Querschnittsposition 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 die gleiche Struktur zu vermessen. Es wurde ein Höhenunterschied von 2,1 Nanometern zwischen der Rasterkraftmikroskop-Messung und der CDHM-Messung festgestellt. Eine MEMS-Elektrode, die mit einem Lift-off-Verfahren hergestellt wird, unterliegt einer Morphologievarianz der Probe, die quantifiziert werden muss.
Unter Verwendung des beschriebenen Protokolls wurde zu diesem Zweck eine Def-Map erstellt. Ein Diagramm in der anderen Dimension zeigt, dass die Oberflächenrauheit der Elektrode ebenfalls mit dem System beobachtbar ist. In einem dynamischen System, bei dem die Temperatur von 50 auf 300 Grad Celsius ansteigt, wurden morphologische Veränderungen in einer Mikromembran gemessen, die durch Aufkleben einer dünnen Platte auf eine SOI-Waferprobe hergestellt wurde.
Diese thermische Verformung wurde dann in einem Liniendiagramm zusammengefasst, das eine Querschnittsansicht der verschiedenen Verformungszustände zeigt. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein klares Verständnis dafür haben, wie Sie das System einrichten und morphologische Studien in Bezug auf reflektierende Proben wie 3D-Profil, Verformungskarten und Oberflächenrauheit durchführen. Einmal geschult, kann jeder die Software und das System so nutzen, dass es einfach in Produktionsketten implementiert und von Technikern bedient werden kann.
Wenn Sie dieses Verfahren versuchen, ist es wichtig, daran zu denken, die Probe im richtigen Abstand zum System zu platzieren. Dies ist ein wichtiger Schritt. Und das hat einen echten Einfluss auf das Endergebnis.
Nach ihrer Entwicklung dient diese Technik Forschern im Bereich der optischen und elektrischen Technik zur Kategorisierung des Verhaltens von MEMS-Proben für statische und dynamische Bedingungen. Nach diesem Verfahren können weitere Experimente wie die Beobachtung der Resonanzmode während des Abspielens von hochfrequentem Alternativstrom oder die Quantifizierung der Cantilever-Auslenkung durchgeführt werden, um eine Kalibrierung eines gepackten Säulen-MEMS-Bauelements zu ermöglichen.
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Überblick
Dieser Artikel präsentiert ein kompaktes digitales holografisches System (CDHM), das für die Inspektion und Charakterisierung von MEMS-Geräten konzipiert wurde. Das linsenlose Design nutzt eine divergierende Eingangswelle und ermöglicht eine natürliche geometrische Vergrößerung für sowohl statische als auch dynamische Studien.
Wichtige Studienkomponenten
Wissenschaftsbereich
- Mikro-elektro-mechanische Systeme (MEMS)
- Optische Messtechniken
- Charakterisierung mechanischer Eigenschaften
Hintergrund
- Die Halbleiterindustrie benötigt präzise Inspektionsmethoden für MEMS.
- Die Charakterisierung von MEMS-Strukturen ist in verschiedenen Fertigungsstufen entscheidend.
- Vollflächige, berührungslose Techniken bieten hochauflösende Einblicke.
- Kompakte Systeme verbessern die Nutzbarkeit in verschiedenen Anwendungen.
Zweck der Studie
- Eine Methode zur Prüfung von MEMS in statischen und dynamischen Anwendungen zu entwickeln.
- Quantitative 3D-Karten reflektierender Objekte bereitzustellen.
- Die Wafer-Inspektion und die Referenzprüfung von Optiken zu verbessern.
Verwendete Methoden
- Optische Vollfeldmessungen
- Berechnungs- und experimentelle Techniken
- Linsenloses Design für Kompaktheit
- Echtzeit-Datenerfassung
Hauptergebnisse
- Erfolgreiche Demonstration eines linsenlosen holografischen Systems.
- Hochauflösende Charakterisierung von MEMS-Strukturen.
- Echtzeit-Einblicke in mechanische Eigenschaften während der Herstellung.
- Potenzielle Anwendungen in der Wafer-Inspektion und Optik-Prüfung.
Schlussfolgerungen
- Das CDHM bietet einen neuartigen Ansatz zur MEMS-Charakterisierung.
- Es bietet Vorteile in Bezug auf Kompaktheit und Messfähigkeiten.
- Diese Methode kann die Halbleiter-Fertigungsprozesse erheblich beeinflussen.
Häufig gestellte Fragen
Executive Industry Relevance
This compact digital holographic microscope enables non-contact, full-field 3D surface profiling of MEMS devices, supporting early-stage functional validation in semiconductor and biotech manufacturing. By providing quantitative height and deformation data under static and dynamic conditions, it reduces reliance on destructive or low-throughput metrology, accelerating design iteration and process control. Its lens-less, compact form factor facilitates integration into production environments for real-time monitoring of critical MEMS attributes.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of MEMS structural behavior under electrical or thermal load, supporting functional hypothesis testing of micro-actuators and sensors.
- Operational Value: Provides label-free, real-time deformation mapping without sample preparation, preserving native device integrity for repeated measurement.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Delivers quantitative phase and height measurements with nanometer-scale resolution, enabling precise comparison of MEMS design variants across process conditions.
- Operational Value: Supports high-throughput inspection of wafer-scale MEMS arrays due to large field-of-view and rapid image acquisition at 15 fps.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Facilitates correlation of MEMS performance with fabrication parameters, aiding risk assessment in translational scaling from lab to pilot production.
- Operational Value: Enables dynamic characterization of MEMS under physiological-relevant stimuli (e.g., temperature, voltage) to predict in-field reliability.
Pipeline & Workflow Integration
The CDHM fits within the MEMS development continuum from early design validation through pre-release screening, offering a bridge between computational modeling and physical validation.
- Discovery Biology: Supports hypothesis-driven evaluation of MEMS mechanical response, reducing ambiguity in structure-function relationships during early design.
- Screening: Enables standardized, repeatable surface profiling across production lots, improving yield prediction and process control.
- Analytics: Generates deformation maps and roughness metrics that serve as quantitative endpoints for comparing design iterations or process changes.
- Translational Research: Connects bench-level MEMS characterization to manufacturing readiness by validating performance under simulated operational conditions.
- Enterprise Reuse: The software-driven, operator-independent workflow allows deployment across multiple sites and teams for consistent metrology.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Improves predictive confidence in MEMS design by providing direct, full-field validation of simulated mechanical behavior.
- Operational Value: Eliminates need for tip-based scanning, increasing throughput and reducing measurement artifacts on soft or delicate MEMS structures.
- Strategic Value: Enables earlier detection of fabrication defects, reducing costly late-stage failures and improving capital efficiency in MEMS development.
- Portfolio Impact: Supports data-driven go/no-go decisions by quantifying key performance indicators such as deflection, uniformity, and surface integrity.
Implementation Considerations
- Requires expertise in optical alignment and digital holography reconstruction principles.
- Needs stable vibration-isolated setup and coherent laser source (633 nm) for reliable interferometric measurements.
- Demands cross-team standardization of software settings (e.g., reconstruction distance, unwrapping algorithm) to ensure reproducibility across users.
- Adaptation to transmissive or bio-imaging modes may require reconfiguration of sample holder and illumination geometry.
- Surface reflectivity of the MEMS device must be sufficient to generate detectable interference signals, limiting application to reflective or coated structures.
