MEMS 검사 및 특성화를위한 소형 렌즈가없는 디지털 홀로그램 현미경

이 실험 절차의 전체적인 목표는 계산 및 실험 기법을 이용한 광학 전영역 측정으로 정적 및 동적 응용 분야에 사용될 미세 전기 기계 구조를 테스트하는 것입니다. 이 방법은 반도체 산업, 특히 제조의 다양한 단계에서 MEMS 구조의 기계적 특성 분석과 같은 미세 전기 기계 시스템 검사의 핵심적인 질문에 답하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이 기술의 주요 장점은 전영역, 비접촉, 실시간, 고해상도 측정이라는 점이며, 반사 물체의 완전한 정량적 3D 맵을 제공한다는 것입니다.

이 시스템은 렌즈 없이 제작되어 매우 소형입니다. 따라서 이 방법은 MEMS 특성 분석에 대한 통찰을 제공할 수 있습니다. 또한 웨이퍼 검사 또는 광학 참조 테스트에도 사용할 수 있습니다.

투명한 기하학적 구조로 설정하면 마이크로 광학, 회절 광학을 검사하거나 바이오 이미징에 사용하는 것도 가능합니다. 본 절차에서는 소형 디지털 홀로그래픽 현미경(CDHM)을 사용하여 미세 전기 기계 시스템 또는 MEMS 장치를 특성화합니다. 이번 시연에서는 0.25 mm 간격으로 정사각형 금 전극이 배치된 11 mm² 크기의 실리콘 웨이퍼를 특성화하겠습니다.

핀셋을 사용하여 MEMS 샘플을 샘플 홀더 위에 놓습니다. 레이저 빔이 전극을 겨냥하도록 샘플 홀더를 조정합니다. 가능한 최대 시야각은 카메라 센서에 의해 제한되며, 이 경우 2.3 by 1.8 millimeters입니다.

시스템을 샘플에서 약 1.5 centimeters 떨어진 위치에 수직으로 배치하고, 3D View 소프트웨어 설정을 진행합니다. 이 패키지는 C+로 개발되었습니다. 먼저 녹색 상자 아이콘을 클릭하여 비디오 이미징 장치를 선택합니다. 드롭다운 메뉴에서 DMx 41BU02 이미징 소스 카메라를 선택하십시오.

다음으로, 장치 설정(Device Settings)에서 Y800 비디오 형식(Video Format) 옵션을 선택하고, 캡처 속도를 15 Frames Per Second로 설정하십시오. OK를 누르고 노란색 재생 버튼을 사용하여 카메라를 시작합니다. 그러면 샘플의 실시간 비디오 이미지가 나타납니다.

표시된 이미지는 시료의 디포커스(defocus) 이미지여야 합니다. 필요에 따라 이미지의 노출 시간과 대비를 조정하십시오. 이제 시료를 최대한 중앙에 맞추고 설정(Settings) 옵션으로 이동하십시오.

그곳에서 시스템 유형(System Type)을 반사(Reflection) 또는 투과(Transmission)로 설정하십시오. 레이저 파장이 633 nm로, 카메라의 픽셀 크기가 4.650 µm로, 그리고 배율이 2배로 설정되어 있는지 확인하십시오. 다음으로, 컨볼루션 재구성(Convolution Reconstruction) 알고리즘을 선택하고, 재구성 거리(Reconstruction Distance)를 100 mm로, 재구성 단계(Reconstruction Step)를 1로 설정하십시오.

재구성 거리는 이후 강도 이미지가 선명하게 초점이 맞도록 조절할 수 있으며, Step 매개변수는 빔 전파를 시뮬레이션하기 위해 컨볼루션 연산을 수행하는 횟수를 나타냅니다. 이 매개변수를 변경하여 강도 이미지의 재구성 거리를 미세 조정할 수 있습니다. 마지막으로, Post Processing 옵션에서 Unwrapping 알고리즘을 Quality mapped 옵션으로 설정하십시오.

Intensity 필터와 Phase 필터 옵션이 None으로 설정되어 있는지 확인하십시오. 그런 다음 OK를 누르십시오. 3D View 소프트웨어에 접속하여 Fourier 스펙트럼 창을 여는 것부터 시작하십시오. 0차 스펙트럼 하나와 +1, -1차 스펙트럼 두 개가 나타나지 않으면, 샘플이 적색 레이저 빔 아래에 배치되었는지 확인하십시오.

샘플에서 레이저 반사광을 쉽게 확인할 수 있습니다. 이제 실시간 측정 모드를 중지하고 필터 도구를 사용하여 회절 차수 중 하나를 선택하십시오. 위상 복구에 필요한 모든 주파수를 포함할 수 있을 만큼 충분히 넓은 영역을 선택하십시오.

필터를 적용하려면 SET 옵션을 선택하십시오. 그 다음, 실시간 측정 모드를 재시작하십시오. 선택이 완료되고 이미지가 실시간으로 표시되면, Phase 창을 열고 unwrapped 모드가 활성화되어 있지 않은지 확인하십시오.

다음으로, 위상 이미지의 간섭무늬 수를 줄여 한두 개의 무늬만 남도록 수직 스테이지를 조정합니다. 스테이지를 이동할 때마다 시스템이 조정될 때까지 기다립니다. 최적의 재구성 거리를 찾으려면 자동 초점 옵션을 사용하십시오.

최적의 재구성 거리에 도달하기 위해 여러 번의 초점 재설정 단계가 필요할 수 있습니다. 결과적으로 이미지는 선명하고 깨끗하게 나타나야 합니다. 자동 초점이 최선의 결과를 제공하지 않는 경우, 초점 슬라이더 바를 사용하여 미세 초점 조정이 가능합니다.

매우 정밀한 초점 조정이 필요한 경우, 설정에서 재구성 단계(Reconstruction Step)를 변경할 수 있습니다. 이미지가 준비되면 언랩 모드(unwrapped mode)를 활성화하여 언랩된 위상 이미지를 확인하십시오. 3D View 소프트웨어에서 3D 이미지 창을 열어 샘플의 최종 이미지를 확인하고, 제공되는 이미지 조정 기능을 사용하여 결과를 관찰하십시오.

언랩된(unwrapped) 위상 이미지에서 자 아이콘을 선택하고 관심 영역에 선을 그려 라인 플롯 창에 단면 플롯을 생성합니다. 이제 라인 플롯 창에서 두 개의 녹색 선 마커를 사용하여 객체의 대략적인 높이를 측정합니다. 창을 동시에 볼 수 있도록 배치하려면 창 바둑판식 배열(Tile Windows) 옵션을 선택하십시오.

표면 거칠기는 MATLAB 소프트웨어를 사용하여 시료의 평평한 부분에서 계산할 수도 있습니다. 추후 다른 소프트웨어에서 확인하기 위해 최종 위상 이미지를 비트맵 파일로 저장하십시오. 동적 분석을 위해 시료를 준비하려면, 분석을 위한 시료 스테이지 위에 시료를 배치하십시오.

본 사례에서 샘플은 마이크로 다이아프램입니다. 샘플 전극을 발생기의 악어 클립에 연결하십시오. 설명된 절차에 따라, 참조용으로 상온에서 마이크로 다이아프램의 홀로그램을 기록하십시오.

Delta 아이콘을 클릭하여 초기 위상을 제거하고 변형만을 관찰하십시오. 그 다음, DC 발전기를 켜고 전압을 0에서 12V까지 1V씩 증가시키며 각 단계에서 위상 맵 이미지를 촬영하십시오. 이후 간단한 MATLAB 코드를 사용하여 서로 다른 위상 맵 변형을 하나의 그래프로 플롯함으로써 전체 변형을 더 잘 관찰하고, 전기적 부하에 따른 MEMS 변형 특성을 분석하십시오.

설명된 바와 같이, 633 nanometer 파장에서 작동하는 다이오드 레이저에 결합된 단일 모드 광섬유를 사용하여 CDHM 시스템으로 MEMS 장치를 특성화했습니다. MEMS 장치의 홀로그램 이미지를 얻기 위해 물체 빔과 참조 빔의 경로를 일치시켰습니다. 노란색 선은 시료의 단면 위치를 나타내며, 두 개의 녹색 마커 선은 시료의 높이를 추정하는 데 사용되었습니다.

디지털 홀로그래픽 시스템의 결과를 검증하기 위해, 동일한 구조를 측정하는 데 원자 힘 현미경을 사용하였습니다. 원자 힘 현미경 측정값과 CDHM 측정값 사이에 2.1 nanometers의 높이 차이가 발견되었습니다. 리프트오프 공정을 통해 제작된 MEMS 전극은 정량화가 필요한 시료 형태의 편차에 영향을 받습니다.

설명된 프로토콜을 사용하여 이 목적을 위한 결함 지도를 작성하였습니다. 다른 차원의 도표를 통해 해당 시스템을 사용하여 전극의 표면 거칠기 또한 관찰할 수 있음을 보여줍니다. 온도가 50°C에서 300°C까지 상승하는 동적 시스템에서, SOI 웨이퍼 샘플 위에 박판을 접합하여 제작한 마이크로 다이아프램의 형태학적 변화를 측정하였습니다.

이 열 변형은 서로 다른 변형 상태의 단면도를 보여주는 선 그래프로 요약되었습니다. 이 영상을 시청한 후에는 시스템을 설정하고 3D 프로파일, 변형 맵, 표면 거칠기와 같은 반사성 시료와 관련된 형태학적 연구를 수행하는 방법에 대해 명확히 이해하게 될 것입니다. 숙련된 후에는 누구나 해당 소프트웨어와 시스템을 사용할 수 있으므로, 생산 공정에 쉽게 적용하여 기술자가 운용할 수 있습니다.

이 절차를 수행할 때, 샘플을 시스템으로부터 적절한 거리에 배치하는 것이 중요합니다. 이는 매우 중요한 단계이며, 최종 결과에 실질적인 영향을 미칩니다.

이 기술이 개발된 이후, 광학 및 전기 공학 분야의 연구자들은 정적 및 동적 조건에서 MEMS 샘플의 거동을 분류할 수 있게 되었습니다. 이 절차를 거치면 고주파 교류를 인가할 때의 공진 모드 관찰이나 캔틸레버 굴곡량의 정량화와 같은 다른 실험을 수행하여 충전 컬럼 MEMS 장치의 보정을 진행할 수 있습니다.