עדשה-פחות קומפקטי מיקרוסקופ הולוגרפי הדיגיטלי פיקוח MEMS ואפיון

המטרה הכוללת של הליך זה היא לבחון מבנים מיקרו-אלקטרו-מכניים המיועדים ליישומים סטטיים ודינמיים, באמצעות מדידות אופטיות של שדה מלא בטכניקות חישוביות וניסיוניות. שיטה זו יכולה לסייע במתן מענה לשאלות מפתח בתעשיית המוליכים למחצה, ובאופן ספציפי יותר לבדיקת מערכות מיקרו-אלקטרו-מכניות, כגון אפיון התכונות המכניות של מבני MEMS בשלבים שונים של הייצור. היתרון המרכזי של טכניקה זו הוא היותה בשיטת שדה מלא, ללא מגע, בזמן אמת וברזולוציה גבוהה, והיא מספקת מפה תלת-ממדית כמותית מלאה של האובייקט המחזיר.

המערכת נבנתה ללא עדשה, ולכן היא קומפקטית מאוד. לפיכך, שיטה זו יכולה לספק תובנות לגבי אפיון MEMS. ניתן להשתמש בה גם לבדיקת פרוסות סיליקון (wafers) או לבדיקות ייחוס אופטיות.

אם המערך מוגדר בגיאומטריה שקופה, ניתן לבצע בו גם בדיקה של מיקרו-אופטיקה, אופטיקה דיפרקטיבית, או אף להשתמש בו לביואימג'ינג. פרוצדורה זו משתמשת במיקרוסקופ הולוגרפי דיגיטלי קומפקטי, או CDHM, לאפיון של מערכת מיקרו-אלקטרו-מכנית או התקן MEMS. לצורך הדגמה זו, יאופיין פרוס של סיליקון בשטח של 11 square millimeter עם אלקטרודות זהב ריבועיות הממוקמות כל 0.25 millimeters.

בעזרת פינצטה, הניחו את דגימת ה-MEMS על תומך הדגימה. כוונו את תומך הדגימה כך שקרן הלייזר תכוון אל האלקטרודות. שדה הראייה הגדול ביותר האפשרי מוגבל על ידי חיישן המצלמה, ובמקרה זה, הוא 2.3 על 1.8 מילימטרים.

מקמו את המערכת באופן אנכי במרחק של כ-1.5 centimeters מהדגימה, והמשיכו בהגדרת תוכנת ה-3D View. חבילה זו פותחה ב-C+ התחילו בלחיצה על סמל התיבה הירוקה כדי לבחור את התקן דימוי הווידאו. בחרו במצלמת מקור הדימוי DMx 41BU02 בתפריט הנפתח.

בשלב הבא, תחת הגדרות המכשיר (Device Settings), בחרו באפשרות Y800 Video Format, והגדירו את קצב הלכידה ל-15 Frames Per Second. לחצו על OK, והפעילו את המצלמה באמצעות כפתור ההפעלה הצהוב. תמונה חיה של הדגימה אמורה להופיע.

התמונה המוצגת צריכה להיות תמונת defocus של הדגימה. יש להתאים את זמן החשיפה והניגודיות של התמונה במידת הצורך. כעת, מרכזו את הדגימה כמיטב יכולתכם והיכנסו לאפשרויות ההגדרות (Settings).

שם, הגדירו את סוג המערכת (System Type) ל-Reflection או Transmission. ודאו שאורך הגל של הלייזר מוגדר ל-633 nm, גודל הפיקסל של המצלמה ל-4, 650 nm, וההגדלה היא פי שניים. לאחר מכן, בחרו באלגוריתם Convolution Reconstruction, והגדירו את מרחק השחזור (Reconstruction Distance) ל-100 mm ואת שלב השחזור (Reconstruction Step) ל-1.

ניתן להתאים את מרחק השחזור מאוחר יותר כדי להביא את תמונת העוצמה למיקוד חד, בעוד שפרמטר ה-Step מציין כמה פעמים תבוצע פעולת הקונבולוציה כדי לדמות את התפשטות הקרן. ניתן לשנות פרמטר זה כדי לבצע כיוונון עדין של מרחק השחזור בתמונת העוצמה. לבסוף, תחת אפשרויות ה-Post Processing, הגדירו את אלגוריתם ה-Unwrapping לאפשרות ה-Quality mapped.

וודאו כי אפשרויות מסנן העוצמה (Intensity filter) ומסנן הפאזה (Phase filter) מוגדרות כ-None. לאחר מכן, לחצו על OK. התחילו בגישה לתוכנת ה-3D View ופתיחת חלון ספקטרום פורייה. אם לא מופיעים ספקטרום אחד מסדר אפס ושני ספקטרומים של סדר פלוס אחד ומינוס אחד, בדקו שהדגימה ממוקמת מתחת לקרן הלייזר האדומה.

ניתן לראות בקלות את החזר הלייזר מהדגימה. כעת, הפסיקו את מצב המדידה בזמן אמת ובחרו באחת מסדרי העקיפה באמצעות כלי הסינון. בחרו שטח גדול מספיק כדי להכיל את כל התדרים הדרושים לשחזור הפאזה.

בחר באפשרות SET כדי להחיל את המסנן. לאחר מכן, הפעל מחדש את מצב המדידה בזמן אמת. כאשר הבחירה בוצעה והדמיון פועל בזמן אמת, פתח את חלון ה-Phase וודא שמצב ה-unwrapped אינו מופעל.

לאחר מכן, כווננו את הבמה האנכית כדי להפחית את מספר פסי ההתאבכות בתמונת הפאזה, כך שיישארו רק פס אחד או שניים. המתינו לייצוב המערכת לאחר כל תזוזה של הבמה. כדי למצוא את מרחק השחזור המיטבי, השתמשו באפשרות המיקוד האוטומטי (auto-focus).

ייתכן שיהיה צורך במספר שלבי מיקוד מחדש כדי להגיע למרחק השחזור האופטימלי. בסופו של דבר, התמונה צריכה להפוך לחדה וברורה. ניתן לבצע כוונוני מיקוד עדינים באמצעות סרגל גלישת המיקוד אם המיקוד האוטומטי אינו מספק את התוצאה הטובה ביותר.

עבור כיוונוני פוקוס עדינים מאוד, ניתן לשנות את שלב השחזור (Reconstruction Step) בהגדרות. לאחר שהתמונה מוכנה, הפעילו את מצב הפריסה (unwrapped mode) כדי לראות את תמונת הפאזה הפרוסה. בתוכנת ה-3D View, פתחו את חלון התמונה בתלת-ממד כדי לראות את התמונה הסופית של הדגימה, והשתמשו בכיוונוני התמונה הזמינים כדי לבחון את התוצאה.

בתמונת הפאזה הפרוסה (unwrapped phase image), בחרו באייקון הסרגל ושרטטו קו על אזור העניין כדי לקבל גרף חתך בחלון גרף הקו. כעת, בחלון גרף הקו, השתמשו בשני סימני הקו הירוקים כדי לקבל גובה מקורב של האובייקט. כדי לסדר את החלונות לצפייה בו-זמנית, בחרו באפשרות Tile Windows.

ניתן לחשב את חספוס הפני השטח גם בחלק השטוח של הדגימה באמצעות תוכנת MATLAB. שמרו את תמונת הפאזה הסופית כקובץ bitmap לצפייה נוספת בתוכנות אחרות. כדי להכין את הדגימה לניתוח דינמי, מקמו אותה על במת הדגימה לצורך הניתוח.

במקרה זה, הדגימה היא מיקרו-דיאפרגמה. חברו את אלקטרודות הדגימה לתפסני התנימים של הגנרטור. בהתאם לנהלים המתוארים, רשמו הולוגרמה של המיקרו-דיאפרגמה בטמפרטורת הסביבה לצורך התייחסות.

לחצו על סמל הדלתא כדי להסיר את הפאזה הראשונית, ובכך לצפות בעיוות בלבד. לאחר מכן, הפעילו את גנרטור ה-DC והגבירו בהדרגה את המתח מאפס ל-12 וולט, תוך צילום תמונות של מפות פאזה בכל עלייה של 1 וולט. בהמשך, באמצעות קוד MATLAB פשוט, שרטטו את העיוותים השונים של מפות הפאזה לתוך גרף אחד כדי לצפות טוב יותר בעיוות הכולל, ואפיינו את עיוות ה-MEMS בתגובה לעומס חשמלי.

מערכת CDHM שימשה לאפיון התקן MEMS כפי שתיאור, תוך שימוש בסיב מונו-מוד (monomode fiber) המחובר ללייזר דיודה הפועל באורך גל של 633 nanometer. נתיבי קרן העצם וקרן הייחוס הותאמו כדי לקבל תמונת הולוגרמה של התקן ה-MEMS. הקו הצהוב מייצג את מיקום חתך הרוחב בדגימה, ושני קווי הסימון הירוקים שימשו להערכת גובה הדגימה.

כדי לתקף את תוצאות המערכת ההולוגרפית הדיגיטלית, נעשה שימוש במיקרוסקופ כוח אטומי כדי למדוד את אותו מבנה. נמצא הפרש גובה של 2.1 nanometers בין המדידה במיקרוסקופ כוח אטומי לבין המדידה ב-CDHM. אלקטרודת MEMS שיוצרה בתהליך lift-off נתונה לשונות במורפולוגיה של הדגימה שדורשת כימות.

באמצעות הפרוטוקול המתואר, הוכנה מפת פגמים (def map) למטרה זו. גרף בממד השני מראה כי ניתן להבחין בחספוס פני השטח של האלקטרודה באמצעות המערכת. במערכת דינמית, שבה הטמפרטורה עלתה מ-50 ל-300 degrees Celsius, נמדדו שינויים מורפולוגיים בדיאפרגמה מיקרוסקופית שיוצרה על ידי הצמדה של לוח דק לדגימת SOI wafer.

עיוות תרמי זה סוכם לאחר מכן בתרשים קווי המציג מבט בחתך רוחב של מצבי העיוות השונים. לאחר צפייה בסרטון זה, תהיה לכם הבנה ברורה כיצד להקים את המערכת ולבצע מחקרים מורפולוגיים הקשורים לדגימות מחזירות, כגון פרופיל תלת-ממדי, מפות עיוות וחספוס פני השטח. לאחר ההדרכה, כל אחד יכול להשתמש בתוכנה ובמערכת, כך שניתן להטמיע אותן בקלות בשרשראות ייצור ולהפעילן על ידי טכנאים.

בעת ביצוע פרוצדורה זו, חשוב לזכור להניח את הדגימה במרחק הנכון מהמערכת. זהו שלב חשוב, ויש לו השפעה ממשית על התוצאות הסופיות.

לאחר פיתחו, טכניקה זו מאפשרת לחוקרים בתחומי ההנדסה האופטית והחשמלית לסווג את התנהגותם של דגימות MEMS בתנאים סטטיים ודינמיים. בהמשך לנהל זה, ניתן לבצע ניסויים נוספים, כגון תצפית על מצב תהודה בעת הפעלת זרם חילופין בתדר גבוה או כימות סטיית הקנטילבר, וזאת במטרה לספק כיול של התקן MEMS בעל עמוד דחוס.