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

この手順の全体的な目的は、計算および実験的な手法を用いた光学的なフルフィールド測定により、静的および動的なアプリケーションに使用される微小電気機械構造をテストすることです。この手法は、半導体産業における重要な課題、特に製造のさまざまな段階におけるMEMS構造の機械的特性の評価といった、微小電気機械システム（MEMS）の検査に関する課題の解決に寄与します。本手法の主な利点は、フルフィールドかつ非接触であり、リアルタイムで高解像度な測定が可能で、反射物体の完全な定量的な3Dマップを提供できる点にあります。

本システムはレンズを使用せずに構成されているため、非常にコンパクトです。そのため、本手法はMEMSの特性評価に有用な知見を提供できます。また、ウェハー検査や光学リファレンステストにも利用可能です。

透過性の光学系を構築すれば、マイクロ光学素子や回折光学素子の検査、さらにはバイオイメージングへの利用も可能です。本手順では、小型デジタルホログラフィック顕微鏡（CDHM）を用いて、微小電気機械システム（MEMS）デバイスの特性評価を行います。このデモンストレーションでは、0.25 mm間隔で正方形の金電極が配置された11 mm²のシリコンウェハーを評価します。

ピンセットを使用して、MEMSサンプルをサンプルホルダー上に配置します。レーザービームが電極に当たるようにサンプルホルダーを調整してください。最大視野はカメラセンサーによって制限されており、この場合は2.3 by 1.8 millimetersとなります。

システムをサンプルから約1.5 cm離して垂直に配置し、3D Viewソフトウェアの設定を行います。このパッケージはC+で開発されました。まず、緑色のボックスアイコンをクリックしてビデオイメージングデバイスを選択します。ドロップダウンメニューからDMx 41BU02イメージングソースカメラを選択してください。

次に、「デバイス設定（Device Settings）」で「Y800ビデオフォーマット（Y800 Video Format）」オプションを選択し、キャプチャレートを15 Frames Per Secondに設定します。「OK」を押し、黄色の再生ボタンを使用してカメラを開始します。サンプルのライブビデオ画像が表示されます。

表示された画像は、サンプルのデフォーカス画像である必要があります。必要に応じて、画像の露光時間とコントラストを調整してください。次に、サンプルを可能な限り中心に合わせ、「Settings」オプションにアクセスしてください。

そこで、システムタイプ（System Type）を反射（Reflection）または透過（Transmission）に設定します。レーザーの波長が 633 nm に、カメラのピクセルサイズ（Pixel size）が 4.650 µm に、倍率が 2 倍に設定されていることを確認してください。次に、畳み込み再構成（Convolution Reconstruction）アルゴリズムを選択し、再構成距離（Reconstruction Distance）を 100 mm に、再構成ステップ（Reconstruction Step）を 1 に設定します。

再構成距離は、強度画像のピントを鋭く調整するために後で変更することができ、「Step」パラメータは、ビーム伝搬をシミュレートするために畳み込み演算を何回行うかを示します。このパラメータを変更することで、強度画像内の再構成距離を微調整できます。最後に、「Post Processing」オプションで、「Unwrapping」アルゴリズムを「Quality mapped」オプションに設定します。

IntensityフィルターとPhaseフィルターのオプションがNoneに設定されていることを確認してください。次に、OKを押します。3D Viewソフトウェアにアクセスし、フーリエスペクトルウィンドウを開くことから始めてください。0次スペクトル1つと、+1次および-1次のスペクトル2つが表示されない場合は、サンプルが赤色レーザービームの下に配置されているかを確認してください。

サンプルからのレーザー反射を容易に確認することができます。ここで、ライブ測定モードを停止し、フィルターツールを使用して回折次数のいずれかを選択します。位相回復に必要なすべての周波数を含むのに十分な大きさの領域を選択してください。

SETオプションを選択してフィルターを適用します。次に、ライブ測定モードを再起動します。選択を完了させ、イメージングをライブ状態にしたまま、Phaseウィンドウを開き、unwrappedモードが有効になっていないことを確認してください。

次に、垂直ステージを調整して位相像の縞（フリンジ）の数を減らし、縞が1〜2本だけ残るようにします。ステージを動かすごとに、システムの安定を待ってください。最適な再構成距離を見つけるには、オートフォーカス機能を使用してください。

最適な再構成距離を得るために、リフォーカスを数回繰り返す必要がある場合があります。最終的に、画像が鮮明でクリアになれば完了です。オートフォーカスで最適な結果が得られない場合は、フォーカススライダーバーを使用して微調整を行うことができます。

非常に微細なフォーカス調整を行う場合は、設定で再構成ステップ（Reconstruction Step）を変更できます。画像が準備できたら、アンラップモードを有効にして、アンラップされた位相画像を確認します。3D Viewソフトウェアで3D画像ウィンドウを開き、サンプルの最終画像を確認し、利用可能な画像調整機能を用いて結果を観察してください。

アンラップ後の位相画像上で定規アイコンを選択し、関心領域に線を描画して、ラインプロットウィンドウに断面プロットを表示させます。次に、ラインプロットウィンドウにおいて2本の緑色のラインマーカーを使用し、対象物の概算の高さを求めます。ウィンドウを同時に表示させるには、「ウィンドウを並べて表示」オプションを選択してください。

表面粗さは、MATLABソフトウェアを使用してサンプルの平坦部分で算出することも可能です。最終的な位相画像をビットマップ形式で保存し、他のソフトウェアで閲覧できるようにします。動的解析の準備として、サンプルを解析用のサンプルステージ上に配置してください。

本ケースでは、サンプルとしてマイクロダイアフラムを使用します。サンプルの電極をジェネレーターのワニ口クリップに接続します。記述された手順に従い、参照用として、室温におけるマイクロダイアフラムのホログラムを記録します。

Deltaアイコンをクリックして初期位相を除去し、変形のみを観察します。次に、DC電源をオンにし、電圧を0Vから12Vまで1V刻みで徐々に上げながら、各段階で位相マップ画像を撮影します。その後、簡単なMATLABコードを用いて、異なる位相マップの変形を1つのグラフにプロットし、全体の変形をより詳細に観察して、電気的負荷に対するMEMSの変形特性を評価します。

記述の通り、633 nanometerの波長で動作するダイオードレーザーに結合したシングルモードファイバーを用いて、CDHMシステムによりMEMSデバイスの特性評価を行いました。MEMSデバイスのホログラム画像を得るために、物体光と参照光の光路を一致させました。黄色の線は試料上の断面位置を示しており、2本の緑色のマーカー線は試料の高さを推定するために使用されました。

デジタルホログラフィックシステムの結果を検証するため、原子間力顕微鏡を用いて同一の構造を測定しました。原子間力顕微鏡による測定値とCDHMによる測定値の間には、2.1 nanometersの高さの差が認められました。リフトオフ法を用いて作製されたMEMS電極は、定量化が必要な試料形態のばらつきが生じやすくなります。

記述されたプロトコルを用いて、この目的のためにdefマップを作成しました。別の次元のプロットからは、本システムを用いて電極の表面粗さも観察可能であることがわかります。温度を50から300℃まで上昇させた動的システムにおいて、SOIウェハサンプル上に薄板を接合して作製したマイクロダイヤフラムの形態変化を測定しました。

この熱変形は、異なる変形状態の断面図を示すラインプロットにまとめられました。このビデオを視聴することで、システムのセットアップ方法、および3Dプロファイル、変形マップ、表面粗さなどの反射性試料に関する形態学的研究の実施方法について明確に理解できるはずです。トレーニングを受ければ、誰でもソフトウェアとシステムを使用できるため、製造ラインに容易に導入し、技術者が操作することが可能です。

この手順を行う際は、サンプルをシステムから適切な距離に配置することを忘れないでください。これは重要なステップであり、最終的な結果に大きな影響を与えます。

この手法の開発により、光学および電気工学分野の研究者は、静的および動的条件下におけるMEMSサンプルの挙動を分類することが可能になりました。本手順に従うことで、高周波交流を印加した際の共振モードの観察や、カンチレバーのたわみ量の定量化といった他の実験を実施でき、充填カラムMEMSデバイスの校正を行うことができます。