Compact numérique Holographic Microscope pour les MEMS Inspection et caractérisation de Lens-moins

L'objectif général de cette procédure est de tester des structures micro-électro-mécaniques destinées à des applications statiques et dynamiques, en utilisant des mesures optiques de champ complet combinées à des techniques expérimentales et computationnelles. Cette méthode permet de répondre à des questions clés dans l'industrie des semi-conducteurs, et plus particulièrement pour l'inspection des systèmes micro-électro-mécaniques, telles que la caractérisation des propriétés mécaniques des structures MEMS à différents stades de fabrication. Le principal avantage de cette technique réside dans le fait qu'elle est sans contact, en champ complet, en temps réel, à haute résolution, et qu'elle fournit une carte 3D entièrement quantitative de l'objet réfléchissant.

Le système a été conçu sans lentille et est donc vraiment compact. Cette méthode peut ainsi fournir des informations sur la caractérisation des MEMS. Elle peut également être utilisée pour l'inspection de wafers ou pour des tests de référence en optique.

Si elle est configurée en géométrie transparente, il est également possible d'inspecter des micro-optiques, des optiques diffractives, ou même de l'utiliser pour l'imagerie biologique. Cette procédure utilise un microscope holographique numérique compact, ou CDHM, pour caractériser un système micro-électro-mécanique ou dispositif MEMS. Pour cette démonstration, une plaquette de silicium de 11 millimètres carrés comportant des électrodes carrées en or positionnées tous les 0,25 millimètre sera caractérisée.

À l’aide de pinces, placer l’échantillon MEMS sur le porte-échantillon. Ajuster le porte-échantillon de manière à ce que le faisceau laser vise les électrodes. Le champ de vision maximal possible est limité par le capteur de la caméra et, dans ce cas, est de 2,3 sur 1,8 millimètres.

Positionnez verticalement le système à environ 1,5 centimètre du prélèvement, puis passez à la configuration du logiciel 3D View. Ce logiciel a été développé en C+. Commencez par cliquer sur l'icône de la boîte verte pour sélectionner le dispositif d'imagerie vidéo. Choisissez la caméra source d'imagerie DMx 41BU02 dans le menu déroulant.

Ensuite, dans les Paramètres de l'appareil, sélectionnez l'option Format vidéo Y800 et réglez la fréquence de capture sur 15 images par seconde. Appuyez sur OK, puis démarrez la caméra à l'aide du bouton jaune de lecture. Une image vidéo en direct de l'échantillon devrait apparaître.

L'image affichée doit être une image défocalisée de l'échantillon. Ajustez le temps d'exposition et le contraste de l'image si nécessaire. Centrez maintenant l'échantillon du mieux possible et accédez aux options de Réglages.

Là, définir le type de système sur Réflexion ou Transmission. Vérifier que la longueur d'onde du laser est réglée à 633 nm, que la taille des pixels de la caméra est de 4 650 nm et que le grossissement est de deux fois. Ensuite, sélectionner l'algorithme de reconstruction par convolution et régler la distance de reconstruction à 100 mm et le pas de reconstruction à un.

La distance de reconstruction peut être ajustée ultérieurement afin de mettre l'image d'intensité au point net, tandis que le paramètre Pas indique combien de fois l'opération de convolution est effectuée pour simuler la propagation du faisceau. Ce paramètre peut être modifié afin d'ajuster finement la distance de reconstruction dans l'image d'intensité. Enfin, dans les options de post-traitement, réglez l'algorithme de déroulage sur l'option cartographiée par qualité.

Veillez à ce que les options Filtre d'intensité et Filtre de phase soient réglées sur Aucun. Ensuite, appuyez sur OK. Commencez par accéder au logiciel Vue 3D et ouvrez la fenêtre du spectre de Fourier. Si un ordre zéro et deux ordres plus un et moins un ne s'affichent pas, vérifiez que l'échantillon est placé sous le faisceau laser rouge.

Le reflet du laser est facilement visible sur l'échantillon. Arrêtez maintenant le mode de mesure en direct et sélectionnez l'un des ordres diffractés à l'aide de l'outil de filtrage. Sélectionnez une zone suffisamment grande pour inclure toutes les fréquences nécessaires à la récupération de la phase.

Sélectionnez l'option SET pour appliquer le filtre. Ensuite, redémarrez le mode de mesure en direct. Une fois la sélection effectuée et l'acquisition en direct activée, ouvrez la fenêtre Phase et assurez-vous que le mode déroulé n'est pas activé.

Ensuite, ajustez le plateau vertical pour réduire le nombre de franges dans l'image de phase afin qu'une ou deux franges seulement restent visibles. Laissez le système s'ajuster après chaque déplacement du plateau. Pour déterminer la distance de reconstruction optimale, utilisez l'option de mise au point automatique.

Plusieurs étapes de refocalisation peuvent être nécessaires pour atteindre la distance de reconstruction optimale. En fin de compte, l'image doit devenir nette et claire. Des ajustements fins de mise au point peuvent être effectués à l'aide de la barre de défilement de mise au point si la mise au point automatique ne fournit pas le meilleur résultat.

Pour des réglages de mise au point très précis, l'étape de reconstruction peut être modifiée dans les paramètres. Une fois l'image préparée, activez le mode déroulé pour visualiser l'image de phase déroulée. Dans le logiciel de vue 3D, ouvrez la fenêtre d'image 3D pour observer l'image finale de l'échantillon, et utilisez les ajustements d'image disponibles pour examiner le résultat.

Sur l'image de phase déroulée, sélectionnez l'icône de règle et tracez une ligne sur la zone d'intérêt pour obtenir un tracé en coupe dans la fenêtre de graphique linéaire. Ensuite, dans la fenêtre de graphique linéaire, utilisez les deux marqueurs de ligne verts pour obtenir une hauteur approximative de l'objet. Pour organiser les fenêtres afin de les visualiser simultanément, sélectionnez l'option Mosaïque des fenêtres.

La rugosité de surface peut également être calculée sur la partie plane de l'échantillon à l'aide du logiciel MATLAB. Enregistrez l'image de phase finale au format bitmap pour une visualisation ultérieure dans d'autres logiciels. Pour préparer l'échantillon en vue d'une analyse dynamique, placez-le sur le porte-échantillon pour analyse.

Dans ce cas, l'échantillon est un microdiaphragme. Connectez les électrodes de l'échantillon aux pinces crocodile du générateur. Suivez les procédures décrites pour enregistrer un hologramme du microdiaphragme à la température ambiante, à titre de référence.

Cliquez sur l'icône Delta pour supprimer la phase initiale, afin d'observer uniquement la déformation. Ensuite, activez le générateur de courant continu et augmentez progressivement la tension de zéro à 12 volts, en prenant des images de la carte de phase à chaque incrément de 1 volt. Par la suite, à l'aide d'un code MATLAB simple, tracez les différentes déformations de la carte de phase sur un seul graphique afin d'observer plus clairement la déformation totale et de caractériser la déformation du MEMS sous charge électrique.

Un système CDHM a été utilisé pour caractériser un dispositif MEMS comme décrit, en utilisant une fibre monomode couplée à un laser à diode fonctionnant à une longueur d'onde de 633 nanomètres. Le trajet du faisceau objet et celui du faisceau de référence ont été ajustés afin d'obtenir une image d'hologramme du dispositif MEMS. La ligne jaune représente l'emplacement de la coupe transversale sur l'échantillon, et les deux lignes vertes marquées ont été utilisées pour estimer la hauteur de l'échantillon.

Pour valider les résultats du système d'holographie numérique, un microscope à force atomique a été utilisé afin de mesurer la même structure. Une différence de hauteur de 2,1 nanomètres a été observée entre la mesure au microscope à force atomique et celle du CDHM. Un électrode MEMS fabriqué par un procédé de liftoff est sujet à une variance de la morphologie de l'échantillon qui nécessite une quantification.

À l'aide du protocole décrit, une carte def a été établie à cet effet. Un graphique dans l'autre dimension montre que la rugosité de surface de l'électrode est également observable à l'aide du système. Dans un système dynamique, avec une augmentation de température de 50 à 300 degrés Celsius, des changements morphologiques ont été mesurés sur un micro-diaphragme fabriqué par collage d'une plaque mince sur un échantillon de wafer SOI.

Cette déformation thermique a ensuite été résumée dans un graphique linéaire montrant une vue en coupe des différents états de déformation. Après avoir visionné cette vidéo, vous devriez avoir une compréhension claire de la manière de configurer le système et de réaliser des études morphologiques relatives à des échantillons réfléchissants, telles que le profil 3D, les cartes de déformation et la rugosité de surface. Une fois formé, n'importe qui peut utiliser le logiciel et le système, ce qui permet une intégration facile dans les chaînes de production et un fonctionnement par des techniciens.

Lors de la réalisation de cette procédure, il est important de se rappeler de placer l'échantillon à la bonne distance du système. Cette étape est cruciale et a un impact réel sur les résultats finaux.

Après son développement, cette technique s'est révélée essentielle pour les chercheurs dans le domaine du génie optique et électrique afin de classifier le comportement d'échantillons de MEMS dans des conditions statiques et dynamiques. Suite à cette procédure, d'autres expériences peuvent être réalisées, telles que l'observation du mode résonnant lors de l'application d'un courant alternatif haute fréquence ou la quantification de la déflexion d'une poutre encastrée, afin d'assurer l'étalonnage d'un dispositif MEMS à colonne compactée.