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

L'obiettivo generale di questa procedura è testare strutture micro-elettro-meccaniche destinate a impieghi statici e dinamici, utilizzando misurazioni ottiche su tutto il campo con tecniche sperimentali e computazionali. Questo metodo può contribuire a rispondere a domande fondamentali nel settore dei semiconduttori e, più specificamente, nell'ispezione dei sistemi micro-elettro-meccanici, come la caratterizzazione delle proprietà meccaniche delle strutture MEMS in diverse fasi della produzione. Il principale vantaggio di questa tecnica è che essa è su tutto il campo, senza contatto, in tempo reale, ad alta risoluzione e fornisce una mappa tridimensionale completamente quantitativa dell'oggetto riflettente.

Il sistema è stato realizzato senza lenti e, pertanto, è estremamente compatto. Questo metodo può quindi fornire informazioni utili per la caratterizzazione dei MEMS. Può inoltre essere utilizzato per l'ispezione di wafer o per test di riferimento ottici.

Se configurato in una geometria trasparente, è inoltre possibile ispezionare microottiche, ottiche diffrattive o persino utilizzarlo per l'immagine biologica. Questa procedura utilizza un microscopio olografico digitale compatto, o CDHM, per caratterizzare un sistema micro-elettro-meccanico o dispositivo MEMS. Per questa dimostrazione, verrà caratterizzato un wafer di silicio di 11 millimetri quadrati con elettrodi quadrati in oro posizionati ogni 0,25 millimetri.

Utilizzando pinzette, posizionare il campione MEMS sul portacampione. Regolare il portacampione in modo che il fascio laser colpisca gli elettrodi. Il campo visivo più ampio possibile è limitato dal sensore della telecamera 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+. Iniziare facendo clic sull'icona del riquadro verde per selezionare il dispositivo di acquisizione video. Scegliere la telecamera sorgente di acquisizione DMx 41BU02 dal menu a discesa.

Successivamente, nelle Impostazioni del dispositivo, selezionare l'opzione Formato video Y800 e impostare la frequenza di acquisizione a 15 fotogrammi al secondo. Premere OK e avviare la videocamera utilizzando il pulsante giallo di riproduzione. Dovrebbe apparire un'immagine video in tempo reale del campione.

L'immagine visualizzata deve essere un'immagine defuocata del campione. Regolare il tempo di esposizione e il contrasto dell'immagine se necessario. Ora, centrare il campione il più possibile e accedere alle opzioni delle Impostazioni.

Impostare il Tipo di sistema su Riflessione o Trasmissione. Verificare che la lunghezza d'onda del laser sia impostata a 633 nm, la dimensione del pixel della telecamera a 4.650 nm e l'ingrandimento sia pari a due volte. Successivamente, selezionare l'algoritmo di ricostruzione per convoluzione e impostare la Distanza di ricostruzione a 100 mm e il Passo di ricostruzione a uno.

La distanza di ricostruzione può essere regolata successivamente per mettere a fuoco con precisione l'immagine di intensità, mentre il parametro Passo indica quante volte viene eseguita l'operazione di convoluzione per simulare la propagazione del fascio. Questo parametro può essere modificato per regolare finemente la distanza di ricostruzione nell'immagine di intensità. Infine, nelle opzioni di Post-elaborazione, impostare l'algoritmo di srotolamento sull'opzione Mappatura della qualità.

Assicurarsi che le opzioni del filtro Intensità e del filtro Fase siano impostate su Nessuno. Quindi, premere OK. Iniziare accedendo al software della vista 3D e aprendo la finestra dello spettro di Fourier. Se non appare un ordine zero e due ordini più uno meno uno, verificare che il campione sia posizionato al di sotto del fascio laser rosso.

La riflessione del laser può essere facilmente osservata sul campione. Ora, interrompere la modalità di misurazione in tempo reale e selezionare uno degli ordini diffratti utilizzando lo strumento filtro. Selezionare un'area sufficientemente ampia da includere tutte le frequenze necessarie per il recupero della fase.

Selezionare l'opzione SET per applicare il filtro. Quindi, riavviare la modalità di misurazione in tempo reale. Dopo aver effettuato la selezione e con l'acquisizione in corso, aprire la finestra Phase e assicurarsi che la modalità unwrapped non sia abilitata.

Successivamente, regolare la piattaforma verticale per ridurre il numero di frange nell'immagine di fase, in modo che ne rimanga solo una o due. Attendere che il sistema si stabilizzi dopo ogni movimento della piattaforma. Per determinare la distanza di ricostruzione ottimale, utilizzare l'opzione di messa a fuoco automatica.

Potrebbero essere necessari diversi passaggi di rimesse a fuoco per raggiungere la distanza di ricostruzione ottimale. In definitiva, l'immagine dovrebbe diventare nitida e chiara. Ajustamenti fini del fuoco possono essere effettuati utilizzando la barra scorrevole del fuoco qualora l'autofocus non fornisca il risultato migliore.

Per regolazioni di messa a fuoco molto fini, il passo di ricostruzione può essere modificato nelle impostazioni. Una volta preparata l'immagine, attivare la modalità non avvolta per visualizzare l'immagine di fase non avvolta. Nel software di visualizzazione 3D, aprire la finestra dell'immagine tridimensionale per vedere l'immagine finale del campione e utilizzare le regolazioni disponibili per osservare il risultato.

Sull'immagine della fase non avvolta, selezionare l'icona del righello e tracciare una linea sull'area di interesse per ottenere un grafico trasversale nella finestra del grafico lineare. A questo punto, nella finestra del grafico lineare, utilizzare i due marcatori di linea verdi per ottenere un'altezza approssimativa dell'oggetto. Per disporre le finestre in modo da poterle visualizzare contemporaneamente, selezionare l'opzione Disponi finestre affiancate.

La rugosità superficiale può essere calcolata anche sulla parte piatta del campione utilizzando il software MATLAB. Salvare l'immagine di fase finale come bitmap per ulteriori visualizzazioni in altri software. Per preparare il campione all'analisi dinamica, posizionarlo sullo stage del campione per l'analisi.

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

Fare clic sull'icona Delta per rimuovere la fase iniziale e osservare così soltanto la deformazione. Successivamente, accendere il generatore di corrente continua e aumentare gradualmente la tensione da zero a 12 volt, acquisendo immagini della mappa di fase a ogni incremento di 1 volt. In seguito, utilizzando un semplice codice MATLAB, riportare le diverse deformazioni della mappa di fase in un unico grafico per osservare meglio la deformazione totale e caratterizzare la deformazione del MEMS in risposta al carico elettrico.

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

Per convalidare i risultati del sistema di olografia 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 effettuata con il microscopio a forza atomica e quella effettuata con il CDHM. Un elettrodo MEMS realizzato mediante un processo di lift-off è soggetto a variazioni della morfologia del campione che necessitano di quantificazione.

Utilizzando il protocollo descritto, è stata creata una mappa def a questo scopo. Un grafico nell'altra dimensione mostra che la rugosità superficiale dell'elettrodo è osservabile anche mediante il sistema. In un sistema dinamico, con la temperatura che aumenta da 50 a 300 gradi Celsius, sono state misurate variazioni morfologiche in un micro diaframma fabbricato unendo una piastra sottile a un campione di wafer SOI.

Questa deformazione termica è stata quindi riassunta in un grafico a linee che mostra una vista trasversale dei diversi stati di deformazione. Dopo aver visto questo video, si dovrebbe avere una chiara comprensione di come configurare il sistema ed eseguire studi morfologici relativi a campioni riflettenti, come profilo 3D, mappe di deformazione e rugosità superficiale. Una volta formati, chiunque può utilizzare il software e il sistema, consentendone una facile implementazione nelle catene produttive e l'utilizzo da parte di tecnici.

Quando si esegue questa procedura, è importante ricordare di posizionare il campione alla giusta distanza dal sistema. Questo è un passaggio fondamentale e ha un impatto reale sui risultati finali.

Dopo il suo sviluppo, questa tecnica è diventata fondamentale per i ricercatori nel campo dell'ingegneria ottica ed elettrica per classificare il comportamento di campioni MEMS in condizioni statiche e dinamiche. Seguendo questa procedura, possono essere eseguiti altri esperimenti, come l'osservazione della modalità risonante durante l'applicazione di una corrente alternata ad alta frequenza o la quantificazione della deflessione della mensola, al fine di fornire una calibrazione di un dispositivo MEMS a colonna impacchettata.