MEMS検査および特性評価のためのコンパクトなレンズレスデジタルホログラフィック顕微鏡

サマリー

私たちは、MEMSデバイスの検査および特徴付けのためにコンパクトな反射デジタルホログラフィックシステム（CDHM）を提示します。自然の幾何学的な倍率を提供発散入力波を用いたレンズレス設計が実証されています。静的および動的の両方の研究が提示されています。

要約

A micro-electro-mechanical-system）は、エネルギー、バイオテクノロジー、医療、通信、自動車など、多くの業界で広く使用されているコンポーネントです。しかし、MEMSの機能的信頼性を確保するためには、効果的な検査および特性評価計測システムが必要です。本研究では、MEMS計測のツールとしてデジタルホログラフィに基づくシステムを紹介します。デジタルホログラフィは、この20年間でますます注目を集めています。センサーアレイの急速な開発とコストの低下により、このようなシステムの解像度は向上し、潜在的なアプリケーションが広がっています。そのため、産業計測の信頼性の高いツールとして、研究と産業界の両方から注目を集めています。実際、試料の高さ情報を含む物体ビームと基準ビームとの間の干渉パターンをCCDカメラで記録することで、物体の定量的な位相情報を取得することができます。ただし、ほとんどのデジタルホログラフィックシステムはかさばるため、業界の生産ラインに実装するのは簡単ではありません。提示されたシステムの目新しさは、レンズレスであるため、非常にコンパクトであることです。この研究では、コンパクトデジタルホログラフィックマイクロスコープ(CDHM)を使用して、MEMS検査の基準として一般的に考慮されるいくつかの特性を評価できることが示されています。静的条件と動的条件の両方におけるMEMSの表面プロファイルを示します。AFMとの比較は、CDHMの精度を検証するために調査されます。

概要

マイクロおよびナノ物体の計測技術は、業界や研究者の両方にとって非常に重要です。実際、オブジェクトの小型化が光学測定のための新たな挑戦を表します。微小電気機械システム（MEMS）は、一般的に定義されている電気機械システムを小型化し、通常、マイクロセンサ、マイクロアクチュエータ、マイクロエレクト​​ロニクスおよび微細構造などのコンポーネントを備えています。このようなバイオテクノロジー、医療、通信などの多様な分野で多くのアプリケーションを発見し^、1を検出しました。最近、ますます複雑だけでなく、試験対象物の漸進的な小型化がMEMSに適した特性評価技術の開発のための呼び出しを提供しています。これらの複雑なマイクロシステムの高スループット製造プロセス条件²による特性パラメータと関連する欠陥を定量化するために、高度なインライン測定技術の実装を必要とします。幾何学的パラメーターの例えば、偏差MEMSデバイスにおけるメータは、システムの特性に影響を与える、特徴付けされなければなりません。加えて、産業界は、完全な三次元（3D）計測、ビュー、高撮像分解能の大型のfi ELD、リアルタイム分析のような高解像度の測定性能を必要とします。これにより、品質管理や検査工程信頼性を確保するために不可欠です。また、既存のインフラストラクチャにインストールするために生産ライン上で容易に実現可能と、比較的コンパクトに測定システムを必要とします。

最初のガボール³によって導入されたホログラフィは、参照および感光媒体への物体波との干渉を記録することによって、オブジェクトの完全な定量的情報の回復を可能にする技術です。記録として知られるこのプロセスの間に、電界の振幅、位相及び偏光を媒体に格納されています。次に物体波フィールドは、私の上に基準ビームを送信することによって回収することができますdium、ホログラムの光学読み取りとして知られているプロセス。従来の検出器が唯一の波の強度を記録するので、それは電界に関する追加情報へのアクセスを提供しますので、ホログラフィは、過去50年間に大きな関心の対象となっています。しかし、従来のホログラフィーのいくつかの側面は、業界のアプリケーションに非実用的にします。実際には、感光材料が高価であり、記録処理は、一般的に高い安定性を必要とします。このような電荷結合素子（CCD）のような高解像度のカメラセンサーの進歩は、デジタル計測のための新しいアプローチを開いています。これらの技術の一つは、デジタルホログラフィ⁴として知られています。デジタルホログラフィ（DH）において、ホログラムは、カメラ（記録媒体）に記録され、数値処理は、位相および強度情報を再構築するために使用されます。 Fiのに示すように、記録再生：従来のホログラフィと同様に、結果は2つの主要な手順の後に得ることができます記録は、従来のホログラフィに類似している場合グレ1。しかし、再構成は⁵のみの数値です。数値的再構成プロセスは、 図2に示されている。2つの手順は、再構築プロセスに関与しています。まず、物体波フィールドは、ホログラムから取得されます。ホログラムは、ホログラム面でのオブジェクトの波面を取得するには、数値基準波と乗算されます。第二に、複雑なオブジェクトの波面は、数値的に画像平面に伝播されます。我々のシステムでは、このステップは、コンボリューション法^6を用いて行われます。得られた再構成されたフィールドは、複雑な関数であり、従って、位相および強度は、関心対象の定量的高さの情報を提供する抽出することができます。ホログラフィ方式で全体のfi ELD情報記憶能力および高速データ処理のためのコンピュータ技術の使用は、実験的な構成の柔軟性を提供し、大幅にSPEEを高めます実験的プロセスの開発、MEMSおよびマイクロシステム^7,8のための動的計量ツールとしてDHを開発するために新たな可能性を開きます。

位相コントラストイメージングにおけるデジタルホログラフィの使用は、現在十分に確立され、最初の十年以上前に⁹提示されました。実際、デジタルホログラフィと顕微鏡を組み合わせて、微小デバイスの調査は、多くの研究^{10、11、12、13}で行われた。高コヒーレンス¹⁴と、低コヒーレンス¹⁵ソースならびに幾何^13、16の異なるタイプに基づいて、いくつかのシステムで^、17 （ラインで、軸、共通のパスから...）提示されています。また、ラインのデジタルホログラフィは、MEMSデバイス^18、19の特性に以前に使用されてきた。しかし、これらのシステムは、一般に実現するのが困難とかさばる工業的用途に適しません。本研究では、オフAXIに基づく自由な、コンパクトでシンプルなレンズシステムを提案しますリアルタイムMEMS検査および特性評価のためのデジタルホログラフィが可能です。コンパクトデジタルホログラフィック顕微鏡（CDHM）は、マイクロサイズの鏡面物体の3次元形態を得るために開発し、特許を取得したレンズ少ないデジタルホログラフィックシステムです。我々のシステムでは、638 nmで動作する10mWで、非常に安定し、温度制御されたダイオードレーザは、単一モード光ファイバに結合されます。 図3に示すように 、ファイバから発する発散ビームは、ビームスプリッタによって基準と物体光に分割されます。参照光路ジオメトリ軸オフを実現するために傾斜ミラーを含みます。物体光は散乱し、サンプルによって反射されます。 2つのビームは、ホログラムを与えるCCDに干渉する。画像上に刷り込ま干渉パターンが空間キャリアと呼ばれ、1つの画像のみで定量的位相情報の回復を可能にされています。数値再構成は、一般的なフーリエ変換や駅などの畳み込みアルゴリズム使用して実行されます以前テッド。レンズレスの構成は、それが魅力的ないくつかの利点を有します。いかなるレンズが使用されないように、入力ビームは、天然の幾何学的倍率を提供し、従って、システムの解像度を向上させる発​​散波です。また、一般的な光学系で遭遇する諸収差の自由です。 図3Bに見られるように、システムは、（400nm G）、（55x75x125ミリ^3）軽量コンパクトにすることができ、容易に工業生産ラインに組み込むことができます。

プロトコル

測定の1.前準備

注記：この実験に用いたサンプルは、MEMS電極です。金電極は、リフトオフプロセスを用いてシリコンウェーハ上に製造されます。サンプルを1mm期間18 mmの周期構造（電極）で×18ミリウエハーであります

1. システムを使用する前に、ログブックにサインインします。
2. コンピュータ、LASERと並進ステージ電源をオンにします。
3. MEMS電極/マイクロダイアフラムサンプルを置きます。
   1. ピンセットを用いて、試料ホルダーの中央にMEMSのサンプルを配置します。
   2. ビーム経路に電極を配置するために、試料ホルダーを調整します。ビューの最大測定フィールドは、カメラセンサのサイズによって定義されます。これは、2.3ミリメートルX 1.8ミリメートルの長方形です。
4. 垂直方向電動ステージを用いて、近似的1.5センチメートルサンプルからシステムを移動します。

2.ソフトウェアの設定の調整

1. 3DViewを開きます。ソフトウェア。 3DViewは、C ++で開発され、社内のプログラムです。
2. 実験のために適切なカメラを選択するために、イメージングソースボタンをクリックします。モノクロCCDカメラを選択してください。単色ダイオードレーザーを用いているので、このセットアップではカラーカメラを避けてください。カラーカメラを使用する場合に加えて、同じ画素数では、解像度が低くなります。
   1. デバイスの設定]タブで、[¥800（1280×960）ビデオフォーマットおよび第2のビデオレートあたり15フレーム。
3. カメラを起動するには、黄色の再生ボタンをクリックします。インプリントされた干渉縞（ホログラム）を持つオブジェクトの画像が表示されます。
   1. 必要に応じて画像の飽和を回避するために、最適なゲインと露出パラメータを調整します。
4. ライブビデオウィンドウのカメラビューを使用して、サンプルに調査するために正確な領域を選択するための試料位置を調整します。
5. オープン設定]タブ。
   1. 設定]タブでは、（反射または透過）面の種類を選択し、ラの波長カメラのSER、およびピクセルサイズ。レーザーは、633nmで動作するダイオードレーザです。カメラの画素サイズは、4,650 nmです。サンプルモードが選択されるべきであるので、反射鏡面MEMS電極装置です。
      注：CDHM構成は、反射面を測定することができます。しかし、ソフトウェアは、異なるデジタルホログラフィシステムは^13を使用する場合に透明なサンプルを測定するために使用することができます。この設定の変更は、相​​からの高さ計算式を変更します。それは物体の屈折率を含むように、実際に、光路差の計算は、透明なサンプルについてわずかに異なります。
   2. コンボリューション再構成アルゴリズムを選択して、ゼロに復興の距離を設定します。 1または2の再構築ステップを選択してください。
      注：再構成距離パラメータは、ホログラムから得られた強度画像を考慮すると、オートフォーカスを使用することによって、後で定義することができます。再構成ステップは、の数を定義しますフレネル積分を実施し、ビーム伝搬をシミュレートするために使用される手順。最初の方法は、単一のフーリエ変換として一度不可欠な評価します。 2の工程を2回積分を評価します。これは、グリッド間隔でより多くの柔軟性を追加しますが、計算上²⁰あまり効率的です。
   3. 後処理]タブでは、最終的に開封された画像を取得するために必要なアンラッピングアルゴリズムを選択します。選択品質はアルゴリズムをマッピングされました。
      注：ソフトウェアでは、ゴールドスタインと品質の間の選択は、アルゴリズムを行うことができるマップされました。それ以降は、堅牢かつ迅速な空間位相アンラップを示しています。品質マッピングされたアルゴリズムは^、21で説明したようにアンラップ導かれた位相に基づいています。

3.データ集録

1. フーリエ変換フーリエスペクトルウィンドウを開くには、アイコンを変換押します。 One 0次と2 +1、-1受注が表示されます。そうでない場合、サンプルは正しい位置にあることを確認し、ゲイン調整再びD露光時間。
2. ライブ測定モードを停止します。フィルタツールを使用して、回折次数（正または負の周波数）のいずれかを選択します。位相回復のために必要なすべての周波数が存在するように選択した領域が十分大きくなければなりません。再びライブモードに切り替えます。
   注：負の順序の選択はちょうど最終結果の位相の符号に影響を与える、 すなわち、最終的な3D画像が反転します。
3. 位相ウィンドウを開きます。開封されたモードが有効になっていないことを確認してください。ラップされた縞刻印オブジェクトのグレーの位相画像が表示されます。
4. 位相画像における縞の数を減らすために、電動垂直ステージを利用します。唯一の1または2縞が画像上に残っている場合には、電動ステージを停止します。
   注意：システムが干渉に基づいています。したがって、振動に敏感です。ラップされた位相画像がagai表示される前に、z方向電動ステージを移動した後、ユーザーは、1または2秒を待つ必要がありますn個。安定した位相画像を得るために、測定時の振動を回避することも重要です。
5. 最高の復興距離を見つけるために、オートフォーカス²²ボタンをクリックします。一つは、強度画像がシャープでクリアな表示されるまで、最適な復興距離に近づくようにオートフォーカスを数回使用する必要があります。オートフォーカス²²で説明したように、効率的かつ時間効果的な角度スペクトル法に基づくものです。
   注：フォーカススライドバーは、微調整のために使用することができます。次に、現在の復興距離を記録するために中央のフォーカスボタンをクリックします。最良の焦点は、オートフォーカスオプションで発見されていないことを時々表示されます。この場合、手動で入力復興距離が最良の焦点を見つけるために。
6. アンラップ]ボタンをクリックして、アンラップされた位相画像を見るために開封されたモードを有効にします。

静的測定4.データの可視化と分析

1. 最終的な3Dを見るために3D画像ウィンドウを開きます。サンプルの画像。 （...、カラーマップ、スケール表示を回転させる）、最終的な結果を観察するために利用可能なオプションを使用します。
2. 重複しないように窓を配置し、すべての測定ウィンドウを表示するには、タイルウィンドウ]ボタンをクリックしてください。
3. アンラップされた位相画像上の関心領域に線を描画するラインルーラーを使用してください。折れ線グラフウィンドウで、関心領域の断面形状のプロットを観察することができます。オブジェクトのおおよその高さ（ 図5）を抽出するために、2つの緑色のラインマーカーを使用してください。
   表面粗さは、試料の平坦な頂部で得ることができます。
4. 必要に応じて他のソフトウェアにインポートする.JPEG形式で、最終的な位相画像を保存します。

ダイナミック測定用のサンプルとデータ分析の5準備

1. 加熱ステーションプレート上のマイクロ振動板を配置します。実験が終了するまで、サンプルをプレートから除去されることはありません。
2. MICRのホログラムを記録しますO絞り部2,3それは変形解析のための基準として使用されて上述し​​た手順に従うことにより、周囲温度で。
3. コンピュータ上の位相データを保存します。
4. 実験室の加熱プレートをオンにします。
5. 温度ノブを使用して、50℃から300℃まで50℃刻みで温度を変化させます。各温度ステップでは、.JPEG形式の位相マップ画像を保存します。
6. 変形データを取得するために記録された他の位相マップから初期周囲温度の位相マップを減算します。
   注：この後処理工程が単純なMATLABコードで実現することができます。得られた別の相はMATLABにロードされ、単純マトリクス減算が行われます。次に別の変形段階の断面プロットを得ることができます。

結果

上記のプロトコルは、CDHMシステムを用いたMEMSとマイクロデバイスを検査し、特徴付けるために設計されました。我々のシステムでは、単一モード光ファイバは、633nmの波長で動作するダイオードレーザに結合されています。発散ビーム構成には、再構成することができるホログラムを得るために、物体光と参照光路を一致させることが重要です。これは、システムに対するサンプルの慎重な垂直位置によって達成されます。計算されたラップされた位相画像では、縞の数は、システムの高さ位置を変更することにより、最小限に低減されます。これは、光路が一致することを保証する。 図4は、試料の適切な軸方向の位置決め後CDHMを用いた測定から得られた結果を示しています。データは、単一の画像からリアルタイムに得られます。この実験では、異なる高値と周期の格子パターンで構成されるUSAFターゲットはサンプルとして選択されます。上述したように、位相マップ（ 図4A）は、単一の画像ホログラムから抽出されます。特定パターンの...

ディスカッション

このレビューでは、我々は正確にデジタルホログラフィに頼ってコンパクトなシステムを使用して、別のMEMSデバイスの定量的な形態を回復するためのプロトコルを提供します。静的および動的の両方のモードでMEMSの特徴付けが実証されています。マイクロチャネルMEMSの定量的な3次元データが得られます。システムの精度を検証するために、結果がCDHMとAFMの間で比較しました。良好な一致は、デジタルホログラフィは3D撮像のための信頼できる技術であることを意味見出されます。その結果、システムが10 nmの深さ分解能が可能であることを示しています。さらに、マイクロチャネルで得られた結果は、試料の形態がMEMS製造プロセス中に制御することができるように、システムは、MEMSの特徴付けに使用することができることを示しています。また、CDHMを用いて得られた倍率がMEMSサイズ（4.2倍）のために使用されるべきであるものに相当します。システムはまた、全視野計測が可能です。 COMこれはかなりの資産であります長いスキャン測定を必要とするような共焦点顕微鏡など通常のMEMS検査のために使用される技術に削減します。また、システムの横方向の分解能を容易UVレーザーに赤...

材料

この記事で使用された材料の一覧

名前	会社	カタログ番号	コメント
2 MP カメラ	イメージング ソース	DMX 41BU02	4.65 ミクロンピクセルサイズ
電動X、Y、Z翻訳ステージ	Zaberテクノロジー	システム用TLS28-M	ホルダー
ビームスプリッター	エドモンド光学	49-003	キューブ ビームスプリッター。対象物と基準ビームを分離して再結合
レーザー	マイクロレーザーシステムズ株式会社	SRT-F635S-20/OSYS	ダイオード レーザー
ミラー	Edmund Optics	#43-412-566	1" Dia. 保護金、 λ/20 フラット Zerodur
モノモード ファイバー	Thorlabs	S405-XP	シングル モード光ファイバー、400 - 680 nm、 Ø 125 µm クラッディング
サンプルホルダー	Edmund Optics	#39-930	理想的なポジショニングプラットフォーム、±35 mmトラベル XとYの両方の
ホットプレート	サーモリン Mirakホットプレート	バーンステッドインターナショナル HP72935-60	温度範囲 40-370 °C
Holoscope Software	d'Optron Pte Ltd		NTUの研究者が開発したソフトウェア

ホログラムの記録に使用した する