Lens-meno compatta digitale olografico microscopio per MEMS di ispezione e caratterizzazione

L'obiettivo generale di questa procedura è quello di testare strutture micro-elettro-meccaniche da utilizzare in applicazioni statiche e dinamiche utilizzando misure ottiche a campo pieno con tecniche computazionali e sperimentali. Questo metodo può aiutare a rispondere a domande chiave nell'industria dei semiconduttori e più specificamente per l'ispezione di sistemi micro-elettromeccanici, come la caratterizzazione delle proprietà meccaniche delle strutture MEMS in diverse fasi della produzione. Il vantaggio principale di questa tecnica è che è a campo intero, senza contatto, in tempo reale, ad alta risoluzione e fornisce una mappa 3D completamente quantitativa dell'oggetto riflettente.

Il sistema è stato realizzato senza lente e, quindi, è davvero compatto. Quindi questo metodo può fornire informazioni sulla caratterizzazione dei MEMS. Può essere utilizzato anche per l'ispezione di wafer o per i test di riferimento ottici.

Se impostato in una geometria trasparente, è anche possibile ispezionare micro-ottiche, ottiche diffrattive o anche utilizzate per il bioimaging. Questa procedura utilizza un microscopio olografico digitale compatto, o CDHM, per caratterizzare un sistema micro-elettromeccanico o un dispositivo MEMS. Per questa dimostrazione, verrà caratterizzato un wafer di silicio da 11 millimetri quadrati con elettrodi quadrati in oro posizionati ogni 0,25 millimetri.

Utilizzando una pinzetta, posizionare il campione MEMS sul supporto del campione. Regolare il portacampioni in modo che il raggio laser miri agli elettrodi. Il campo visivo più ampio possibile è limitato dal sensore della fotocamera e, in questo caso, è di 2,3 per 1,8 millimetri.

Posizionare verticalmente il sistema a circa 1,5 centimetri dal campione e procedere con la configurazione del software 3D View. Questo pacchetto è stato sviluppato in C+Begin facendo clic sull'icona della casella verde per selezionare il dispositivo di imaging video. Scegliere la telecamera con sorgente di imaging DMx 41BU02 nel menu a discesa.

Successivamente, nelle Impostazioni del dispositivo, seleziona l'opzione Formato video Y800 e imposta la velocità di acquisizione su 15 fotogrammi al secondo. Premere OK e avviare la fotocamera utilizzando il pulsante di riproduzione giallo. Dovrebbe apparire un'immagine video in tempo reale del campione.

L'immagine visualizzata deve essere un'immagine sfocata del campione. Se necessario, regolare il tempo di esposizione e il contrasto dell'immagine. Ora, centra il campione nel miglior modo possibile e accedi alle opzioni Impostazioni.

Lì, imposta il tipo di sistema su Riflessione o Trasmissione. Verificare che la lunghezza d'onda del laser sia impostata su 633 nm, la dimensione dei pixel della fotocamera su 4, 650 nm e l'ingrandimento sia moltiplicato per due. Quindi, selezionare l'algoritmo di ricostruzione della convoluzione e impostare la distanza di ricostruzione su 100 mm e la fase di ricostruzione su uno.

La distanza di ricostruzione può essere regolata in un secondo momento per regolare l'intensità dell'immagine su una messa a fuoco nitida, mentre il parametro Step indica quante volte viene eseguita l'operazione di convoluzione per simulare la propagazione del raggio. Questo parametro può essere modificato per regolare con precisione la distanza di ricostruzione nell'immagine di intensità. Infine, nelle opzioni di post-elaborazione, impostare l'algoritmo di srotolamento sull'opzione Mappatura qualità.

Assicurati che le opzioni Filtro intensità e Filtro fase siano impostate su Nessuno. Quindi, premere OK. Iniziare con l'accesso al software 3D View e l'apertura della finestra dello spettro di Fourier. Se non compaiono gli spettri di uno ordine zero e due più uno meno uno, verificare che il campione sia posizionato sotto il raggio laser rosso.

La riflessione del laser può essere facilmente vista dal campione. Ora, interrompi la modalità di misurazione in tempo reale e seleziona uno degli ordini diffratti utilizzando lo strumento di filtro. Selezionare un'area sufficientemente ampia da comprendere tutte le frequenze necessarie per il recupero di fase.

Selezionare l'opzione SET per applicare il filtro. Quindi, riavviare la modalità di misurazione in tempo reale. Una volta effettuata la selezione e l'imaging in tempo reale, aprire la finestra Fase e assicurarsi che la modalità unwrapped non sia abilitata.

Quindi, regolare il tavolino verticale per ridurre il numero di frange nell'immagine di fase in modo che rimangano solo una o due frange. Lascia che il sistema si regoli dopo ogni movimento di fase. Per trovare la migliore distanza di ricostruzione, utilizzare l'opzione di messa a fuoco automatica.

Potrebbero essere necessari diversi passaggi di rimessa a fuoco per raggiungere la distanza di ricostruzione ottimale. In definitiva, l'immagine dovrebbe diventare nitida e chiara. Le regolazioni di precisione della messa a fuoco possono essere effettuate utilizzando la barra di scorrimento della messa a fuoco se la messa a fuoco automatica non fornisce il miglior risultato.

Per regolazioni molto precise della messa a fuoco, la fase di ricostruzione può essere modificata nelle impostazioni. Con l'immagine preparata, abilitare la modalità srotolata per visualizzare l'immagine della fase scartata. Nel software 3D View, aprire la finestra dell'immagine 3D per visualizzare l'immagine finale del campione e utilizzare le regolazioni dell'immagine disponibili per osservare il risultato.

Nell'immagine della fase scartata, selezionare l'icona del righello e tracciare una linea sull'area di interesse per ottenere un grafico in sezione trasversale nella finestra del grafico a linee. Ora, nella finestra del grafico a linee, utilizzare i due indicatori di linea verdi per ottenere un'altezza approssimativa dell'oggetto. Per disporre le finestre per la visualizzazione simultanea, selezionare l'opzione Affianca finestre.

La rugosità superficiale può essere calcolata anche sulla parte piana del campione utilizzando il software MATLAB. Salva l'immagine della fase finale come bitmap per un'ulteriore visualizzazione in altri software. Per preparare il campione per l'analisi dinamica, posizionarlo sul tavolino per l'analisi.

In questo caso, il campione è un micro diaframma. Collegare gli elettrodi del campione alle clip a coccodrillo del generatore. Seguendo le procedure descritte, registrare un ologramma del microdiaframma a temperatura ambiente come riferimento.

Fare clic sull'icona Delta per rimuovere la fase iniziale e quindi osservare solo la deformazione. Quindi, accendere il generatore CC e aumentare gradualmente la tensione da zero a 12 volt, scattando immagini della mappa di fase ad ogni incremento di 1 volt. Successivamente, utilizzando un semplice codice MATLAB, tracciare le diverse deformazioni della mappa di fase in un unico grafico per osservare meglio la deformazione totale e caratterizzare la deformazione MEMS in base al carico elettrico.

Un sistema CDHM è stato utilizzato per caratterizzare un dispositivo MEMS come descritto, utilizzando una fibra monomodale accoppiata a un laser a diodi operante a una lunghezza d'onda di 633 nanometri. Il fascio di oggetti e il percorso del fascio di riferimento sono stati abbinati per ottenere un'immagine olografica del dispositivo MEMS. La linea gialla rappresenta la posizione della sezione trasversale sul campione e le due linee di marcatura verdi sono state utilizzate per stimare l'altezza del campione.

Per convalidare i risultati del sistema olografico digitale, è stato utilizzato un microscopio a forza atomica per misurare la stessa struttura. È stata riscontrata una differenza di altezza di 2,1 nanometri tra la misurazione al microscopio a forza atomica e la misurazione CDHM. Un elettrodo MEMS realizzato con un processo di lift-off è soggetto a una varianza morfologica del campione che necessita di quantificazione.

Utilizzando il protocollo descritto, è stata creata una mappa def per questo scopo. Un grafico nell'altra dimensione mostra che la rugosità superficiale dell'elettrodo è osservabile anche utilizzando il sistema. In un sistema dinamico, con la temperatura che sale da 50 a 300 gradi Celsius, i cambiamenti morfologici sono stati misurati in un microdiaframma fabbricato legando una piastra sottile su un campione di wafer SOI.

Questa deformazione termica è stata poi riassunta in un grafico a linee che mostra una vista in sezione trasversale dei diversi stati di deformazione. Dopo aver visto questo video dovresti avere una chiara comprensione di come impostare il sistema ed eseguire studi morfologici relativi a campioni riflettenti come profilo 3D, mappe di deformazione e rugosità superficiale. Una volta formato, chiunque può utilizzare il software e il sistema in modo che possa essere facilmente implementato sulle catene di produzione e gestito dai tecnici.

Durante il tentativo di eseguire questa procedura, è importante ricordarsi di posizionare il campione alla giusta distanza dal sistema. Questo è un passo importante. E ha un impatto reale sui risultati finali.

Dopo il suo sviluppo, questa tecnica si rivolge ai ricercatori nel campo dell'ingegneria ottica ed elettrica per classificare il comportamento dei campioni MEMS per condizioni statiche e dinamiche. Seguendo questa procedura, è possibile eseguire altri esperimenti come l'osservazione della modalità risonante durante la riproduzione di una corrente alternativa ad alta frequenza o la quantificazione della deflessione a sbalzo per fornire una calibrazione di un dispositivo MEMS a colonna impaccata.