Compacto holográfica microscopio digital Lente menos por MEMS Inspección y Caracterización
5 de julio de 2016
Presentamos un sistema holográfico digital de reflexión compacto (CDHM) para la inspección y caracterización de dispositivos MEMS. Un diseño de lente de menor a través de una onda de entrada divergente proporciona magnificación geométrica natural se demostró. Ambos se presentan los estudios estáticos y dinámicos.
El objetivo general de este procedimiento es probar estructuras microelectromecánicas que se utilizarán en aplicaciones estáticas y dinámicas mediante mediciones ópticas de campo completo con técnicas computacionales y experimentales. Este método puede ayudar a responder preguntas clave en la industria de semiconductores y más específicamente en la inspección de sistemas microelectromecánicos, como la caracterización de las propiedades mecánicas de las estructuras MEMS en diferentes etapas de fabricación. La principal ventaja de esta técnica es que es de campo completo, sin contacto, en tiempo real, de alta resolución y proporciona un mapa tridimensional completamente cuantitativo del objeto reflectante.
El sistema se ha realizado sin lentes y, por lo tanto, es realmente compacto. Así, este método puede proporcionar información sobre la caracterización de MEMS. También puede utilizarse para la inspección de obleas o para pruebas de referencia óptica.
Si se configura en una geometría transparente, también es posible inspeccionar microóptica, óptica difractiva, o incluso utilizarlo para bioimagen. Este procedimiento utiliza un microscopio compacto de holografía digital, o CDHM, para caracterizar un sistema microelectromecánico o dispositivo MEMS. Para esta demostración, se caracterizará una oblea de silicio de 11 milímetros cuadrados con electrodos cuadrados de oro colocados cada 0,25 milímetros.
Utilizando pinzas, coloque la muestra de MEMS en el soporte de la muestra. Ajuste el soporte de la muestra para que el haz láser incida sobre los electrodos. El campo de visión más grande posible está limitado por el sensor de la cámara, y en este caso, es de 2,3 por 1,8 milímetros.
Coloque verticalmente el sistema aproximadamente a 1,5 centímetros de la muestra y continúe con la configuración del software 3D View. Este paquete fue desarrollado en C+Comience haciendo clic en el icono del cuadro verde para seleccionar el dispositivo de imagen por video. Elija la cámara de origen de imagen DMx 41BU02 en el menú desplegable.
A continuación, en la Configuración del dispositivo, seleccione la opción Formato de video Y800 y establezca la velocidad de captura en 15 cuadros por segundo. Pulse Aceptar e inicie la cámara utilizando el botón amarillo de reproducción. Debería aparecer una imagen de video en vivo de la muestra.
La imagen mostrada debe ser una imagen desenfocada de la muestra. Ajuste el tiempo de exposición y el contraste de la imagen si es necesario. Ahora, centre la muestra lo mejor posible y acceda a las opciones de Configuración.
Allí, configure el Tipo de Sistema en Reflexión o Transmisión. Verifique que la longitud de onda del láser esté ajustada a 633 nm, el tamaño de píxel de la cámara a 4.650 nm y la ampliación sea de dos veces. A continuación, seleccione el algoritmo de Reconstrucción por Convolución y establezca la Distancia de Reconstrucción en 100 mm y el Paso de Reconstrucción en uno.
La distancia de reconstrucción puede ajustarse posteriormente para enfocar nítidamente la imagen de intensidad, mientras que el parámetro Paso indica cuántas veces se realiza la operación de convolución para simular la propagación del haz. Este parámetro puede modificarse para ajustar finamente la distancia de reconstrucción en la imagen de intensidad. Por último, en las opciones de Procesamiento posterior, establezca el algoritmo de desenrollado en la opción Mapeado por calidad.
Asegúrese de que las opciones de filtro de Intensidad y filtro de Fase estén configuradas en Ninguno. Luego, presione Aceptar. Comience accediendo al software de vista 3D y abriendo la ventana del espectro de Fourier. Si no aparecen un orden cero y dos más un orden menos uno, verifique que la muestra esté colocada debajo del haz láser rojo.
La reflexión del láser puede verse fácilmente en la muestra. Ahora, detenga el modo de medición en vivo y seleccione uno de los órdenes difractados utilizando la herramienta de filtro. Seleccione un área lo suficientemente grande como para incluir todas las frecuencias necesarias para la recuperación de fase.
Seleccione la opción SET para aplicar el filtro. Luego, reinicie el modo de medición en vivo. Con la selección realizada y la imagen en tiempo real, abra la ventana de Fase y asegúrese de que el modo sin envolver no esté habilitado.
A continuación, ajuste el eje vertical del portaobjetos para reducir el número de franjas en la imagen de fase, de modo que solo permanezca una o dos franjas. Permita que el sistema se estabilice tras cada movimiento del eje. Para encontrar la mejor distancia de reconstrucción, utilice la opción de enfoque automático.
Pueden ser necesarios varios pasos de reenfoque para alcanzar la distancia de reconstrucción óptima. En última instancia, la imagen debe volverse nítida y clara. Se pueden realizar ajustes finos de enfoque utilizando la barra deslizante de enfoque si el enfoque automático no proporciona el mejor resultado.
Para ajustes de enfoque muy finos, el paso de reconstrucción se puede cambiar en la configuración. Con la imagen preparada, active el modo desenrollado para ver la imagen de fase desenrollada. En el software de vista 3D, abra la ventana de imagen 3D para ver la imagen final de la muestra, y utilice los ajustes de imagen disponibles para observar el resultado.
En la imagen de fase sin envolver, seleccione el icono de regla y dibuje una línea en el área de interés para obtener un gráfico transversal en la ventana de gráficos de línea. A continuación, en la ventana de gráficos de línea, utilice los dos marcadores de línea verdes para obtener una altura aproximada del objeto. Para organizar las ventanas y poder verlas simultáneamente, seleccione la opción Organizar ventanas.
La rugosidad de la superficie también puede calcularse en la parte plana de la muestra utilizando el software MATLAB. Guarde la imagen de fase final como un mapa de bits para su visualización posterior en otro software. Para preparar la muestra para el análisis dinámico, colóquela sobre la plataforma de la muestra para su análisis.
En este caso, la muestra es un microdiafragma. Conecte los electrodos de la muestra a las pinzas cocodrilo del generador. Siguiendo los procedimientos descritos, registre un holograma del microdiafragma a temperatura ambiente como referencia.
Haga clic en el icono Delta para eliminar la fase inicial y así observar únicamente la deformación. Luego, encienda el generador de corriente continua y aumente gradualmente el voltaje de cero a 12 voltios, tomando imágenes del mapa de fase en cada incremento de 1 voltio. Posteriormente, utilizando un código sencillo en MATLAB, represente las diferentes deformaciones del mapa de fase en una sola gráfica para observar mejor la deformación total y caracterizar la deformación del MEMS frente a la carga eléctrica.
Se utilizó un sistema CDHM para caracterizar un dispositivo MEMS según lo descrito, empleando una fibra monomodo acoplada a un láser de diodo que opera a una longitud de onda de 633 nanómetros. Se igualaron la trayectoria del haz objeto y la del haz de referencia para obtener una imagen de holograma del dispositivo MEMS. La línea amarilla representa la ubicación de la sección transversal en la muestra, y las dos líneas marcadoras verdes se utilizaron para estimar la altura de la muestra.
Para validar los resultados del sistema de holografía digital, se utilizó un microscopio de fuerza atómica para medir la misma estructura. Se encontró una diferencia de altura de 2,1 nanómetros entre la medición del microscopio de fuerza atómica y la medición del CDHM. Un electrodo MEMS fabricado mediante un proceso de levantamiento está sujeto a variaciones en la morfología de la muestra que requieren cuantificación.
Utilizando el protocolo descrito, se elaboró un mapa def con este propósito. Un gráfico en la otra dimensión muestra que la rugosidad superficial del electrodo también es observable mediante el sistema. En un sistema dinámico, con la temperatura aumentando de 50 a 300 grados Celsius, se midieron cambios morfológicos en un diafragma microfabricado mediante la unión de una placa delgada a una muestra de oblea SOI.
Esta deformación térmica se resumió luego en un gráfico de líneas que muestra una vista transversal de los diferentes estados de deformación. Después de ver este video, debería tener una comprensión clara de cómo configurar el sistema y realizar estudios morfológicos relacionados con muestras reflectantes, como perfil 3D, mapas de deformación y rugosidad superficial. Una vez capacitado, cualquier persona puede utilizar el software y el sistema, de modo que pueda implementarse fácilmente en cadenas de producción y ser operado por técnicos.
Al intentar este procedimiento, es importante recordar colocar la muestra a la distancia adecuada del sistema. Este es un paso crucial y tiene un impacto real en los resultados finales.
Después de su desarrollo, esta técnica resultó valiosa para investigadores en el campo de la ingeniería óptica y eléctrica a fin de categorizar el comportamiento de muestras de MEMS bajo condiciones estáticas y dinámicas. Tras seguir este procedimiento, se pueden realizar otros experimentos, como la observación del modo resonante mientras se aplica una corriente alterna de alta frecuencia o la cuantificación de la deflexión del micropalanca, con el fin de proporcionar una calibración de un dispositivo MEMS de columna empaquetada.
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Descripción general
Este artículo presenta un sistema compacto de holografía digital por reflexión (CDHM) diseñado para la inspección y caracterización de dispositivos MEMS. El diseño sin lentes utiliza una onda de entrada divergente, lo que permite una ampliación geométrica natural para estudios estáticos y dinámicos.
Componentes Clave del Estudio
Área de la Ciencia
- Sistemas microelectromecánicos (MEMS)
- Técnicas de medición óptica
- Caracterización de propiedades mecánicas
Antecedentes
- La industria semiconductor requiere métodos de inspección precisos para los MEMS.
- La caracterización de las estructuras de MEMS es crucial en diversas etapas de fabricación.
- Las técnicas completas de campo y sin contacto proporcionan información de alta resolución.
- Los sistemas compactos mejoran la facilidad de uso en diversas aplicaciones.
Objetivo del estudio
- Desarrollar un método para probar MEMS en aplicaciones estáticas y dinámicas.
- Proporcionar mapas cuantitativos tridimensionales de objetos reflectantes.
- Mejorar la inspección de obleas y las pruebas de referencia óptica.
Métodos Utilizados
- Mediciones ópticas de campo completo
- Técnicas computacionales y experimentales
- Diseño sin lentes para mayor compacidad
- Adquisición de datos en tiempo real
Resultados principales
- Demostración exitosa de un sistema holográfico sin lentes.
- Caracterización de alta resolución de estructuras MEMS.
- Información en tiempo real sobre las propiedades mecánicas durante la fabricación.
- Aplicaciones potenciales en la inspección de obleas y pruebas ópticas.
Conclusiones
- El CDHM proporciona un enfoque novedoso para la caracterización de MEMS.
- Ofrece ventajas en términos de compacidad y capacidades de medición.
- Este método puede tener un impacto significativo en los procesos de fabricación de semiconductores.
Preguntas frecuentes
Relevancia Ejecutiva para la Industria
Este microscopio holográfico digital compacto permite el perfilado tridimensional de toda la superficie sin contacto de dispositivos MEMS, apoyando la validación funcional en etapas tempranas en la fabricación de semiconductores y biotecnología. Al proporcionar datos cuantitativos de altura y deformación bajo condiciones estáticas y dinámicas, reduce la dependencia de métodos de metrología destructivos o de bajo rendimiento, acelerando la iteración de diseños y el control de procesos. Su formato compacto y sin lentes facilita la integración en entornos de producción para el monitoreo en tiempo real de atributos críticos de los MEMS.
Aplicaciones Estratégicas en I+D de Biotecnología Farmacéutica
Descubrimiento Temprano y Validación de Blancos
- Valor científico: Permite investigar el comportamiento estructural de los MEMS bajo carga eléctrica o térmica, apoyando la verificación de hipótesis funcionales de microactuadores y sensores.
- Valor operativo: Proporciona una cartografía sin marcadores y en tiempo real de la deformación sin preparación de la muestra, preservando la integridad nativa del dispositivo para mediciones repetidas.
Desarrollo de Cribado y Ensayos
- Valor científico: Proporciona mediciones cuantitativas de fase y altura con resolución a escala de nanómetros, lo que permite una comparación precisa de variantes de diseño de MEMS en diferentes condiciones de proceso.
- Valor operativo: Permite la inspección de alta productividad de matrices de MEMS a escala de oblea debido al gran campo de visión y a la adquisición rápida de imágenes a 15 fps.
Investigación Traductiva y Preclínica
- Valor científico: Facilita la correlación entre el rendimiento de los MEMS y los parámetros de fabricación, ayudando en la evaluación de riesgos durante la escala translacional desde el laboratorio hasta la producción piloto.
- Valor operativo: Permite la caracterización dinámica de los MEMS bajo estímulos fisiológicamente relevantes (por ejemplo, temperatura, voltaje) para predecir la confiabilidad en condiciones reales de funcionamiento.
Integración de la canalización y flujo de trabajo
El CDHM se integra en la continuidad del desarrollo MEMS, desde la validación inicial del diseño hasta el cribado previo al lanzamiento, ofreciendo un puente entre la modelización computacional y la validación física.
- Biología del Descubrimiento: Apoya la evaluación basada en hipótesis de la respuesta mecánica de los MEMS, reduciendo la ambigüedad en las relaciones estructura-función durante las primeras etapas del diseño.
- Selección: Permite perfiles superficiales estandarizados y repetibles en diferentes lotes de producción, mejorando la predicción de rendimiento y el control del proceso.
- Análisis: Genera mapas de deformación y métricas de rugosidad que sirven como puntos finales cuantitativos para comparar iteraciones de diseño o cambios en el proceso.
- Investigación Traductora: Conecta la caracterización de MEMS a nivel de laboratorio con la preparación para fabricación, validando el rendimiento bajo condiciones operativas simuladas.
- Reutilización Empresarial: El flujo de trabajo impulsado por software e independiente del operador permite su implementación en múltiples sitios y equipos para una metrología consistente.
Impacto Operativo y Empresarial
- Valor científico: Mejora la confianza predictiva en el diseño de MEMS al proporcionar una validación directa y de campo completo del comportamiento mecánico simulado.
- Valor operativo: Elimina la necesidad de escaneo basado en punta, aumentando el rendimiento y reduciendo los artefactos de medición en estructuras de MEMS blandas o delicadas.
- Valor estratégico: Permite la detección temprana de defectos de fabricación, reduciendo fallos costosos en etapas avanzadas y mejorando la eficiencia del capital en el desarrollo de MEMS.
- Impacto en la cartera: Apoya decisiones basadas en datos sobre continuar o no con un proyecto, al cuantificar indicadores clave de rendimiento como la deflexión, la uniformidad y la integridad superficial.
Consideraciones de Implementación
- Requiere experiencia en alineación óptica y principios de reconstrucción de holografía digital.
- Necesita un montaje estable aislado de vibraciones y una fuente láser coherente (633 nm) para mediciones interferométricas confiables.
- Exige la estandarización entre equipos de los parámetros del software (por ejemplo, distancia de reconstrucción, algoritmo de desenrollado de fase) para garantizar la reproducibilidad entre usuarios.
- La adaptación a modos transmisivos o de bioimagen puede requerir la reconfiguración del portamuestras y de la geometría de iluminación.
- La reflectividad superficial del dispositivo MEMS debe ser suficiente para generar señales de interferencia detectables, lo que limita su aplicación a estructuras reflectantes o recubiertas.
