Compact Lens-less Digitale Holografische Microscoop voor MEMS Inspectie en karakterisering

Het algemene doel van deze procedure is het testen van micro-elektromechanische structuren voor statische en dynamische toepassingen met behulp van optische full-field metingen via computationele en experimentele technieken. Deze methode kan helpen bij het beantwoorden van kernvragen in de halfgeleiderindustrie, en meer specifiek voor de inspectie van micro-elektromechanische systemen, zoals de karakterisering van de mechanische eigenschappen van MEMS-structuren in verschillende fasen van het productieproces. Het belangrijkste voordeel van deze techniek is dat deze full-field, contactloos en real-time is, een hoge resolutie biedt en een volledig kwantitatieve 3D-kaart van het reflecterende object oplevert.

Het systeem is zonder lens gemaakt en is daarom zeer compact. Deze methode kan dus inzicht bieden in de karakterisering van MEMS. Het kan ook worden gebruikt voor waferinspectie of referentietests voor optica.

Wanneer een transparante geometrie wordt gebruikt, is het ook mogelijk om micro-optica of diffractieve optica te inspecteren, of het zelfs in te zetten voor bio-imaging. Deze procedure maakt gebruik van een compacte digitale holografische microscoop, of CDHM, om een micro-elektromechanisch systeem of MEMS-apparaat te karakteriseren. Voor deze demonstratie wordt een siliciumwafer van 11 vierkante millimeter gekarakteriseerd, met vierkante gouden elektroden die om de 0,25 millimeter zijn geplaatst.

Plaats de MEMS-sample met een pincet op de samplehouder. Pas de samplehouder aan zodat de laserstraal op de elektroden is gericht. Het grootste mogelijke gezichtsveld wordt beperkt door de camerasensor en bedraagt in dit geval 2,3 bij 1,8 millimeter.

Positioneer het systeem verticaal op ongeveer 1,5 centimeter van het monster en ga verder met het instellen van de 3D View-software. Dit pakket is ontwikkeld in C+Begin met het klikken op het groene vak-icoon om het video-beeldapparaat te selecteren. Kies de DMx 41BU02 imaging source camera in het vervolgkeuzemenu.

Selecteer vervolgens onder de Apparaatinstellingen de optie Y800 Videoformaat en stel de opnamesnelheid in op 15 Frames Per Seconde. Druk op OK en start de camera met de gele afspeelknop. Er zou nu een live videobeeld van het monster moeten verschijnen.

De weergegeven afbeelding moet een defocus-afbeelding van het monster zijn. Pas indien nodig de belichtingstijd en het contrast van de afbeelding aan. Centreer nu het monster zo goed mogelijk en open de opties voor Instellingen.

Stel daar het Systeemtype in op Reflectie of Transmissie. Controleer of de golflengte van de laser is ingesteld op 633 nm, de pixelgrootte van de camera op 4,650 nm en de vergroting op twee keer. Selecteer vervolgens het Convolution Reconstruction-algoritme en stel de Reconstrueerafstand in op 100 mm en de Reconstructiestap op één.

De reconstructieafstand kan later worden aangepast om het intensiteitsbeeld scherp te stellen, terwijl de parameter Stap aangeeft hoe vaak de convolutiebewerking wordt uitgevoerd om de bundelvoortplanting te simuleren. Deze parameter kan worden gewijzigd om de reconstructieafstand in het intensiteitsbeeld nauwkeurig af te stellen. Stel tot slot, onder de opties voor Nabewerking, het Unwrapping-algoritme in op de optie Quality mapped.

Zorg ervoor dat de opties voor het intensiteitsfilter en het fasefilter op 'None' staan. Klik vervolgens op OK. Begin met het openen van de 3D View-software en het openen van het venster met het Fourier-spectrum. Als er geen nulde orde en twee plus één min één orde spectra verschijnen, controleer dan of het monster zich onder de rode laserstraal bevindt.

De laserreflectie is duidelijk zichtbaar vanuit het monster. Stop nu de live-meetmodus en selecteer een van de diffractie-ordes met behulp van de filtertool. Selecteer een gebied dat groot genoeg is om alle frequenties te omvatten die nodig zijn voor de fasereconstructie.

Selecteer de optie SET om het filter toe te passen. Start daarna de live-meetmodus opnieuw op. Zodra de selectie is gemaakt en de beeldvorming live is, opent u het Phase-venster en controleert u of de unwrapped-modus niet is ingeschakeld.

Pas vervolgens de verticale stage aan om het aantal fringes in het fasebeeld te verminderen, zodat er slechts één of twee fringes overblijven. Laat het systeem zich na elke beweging van de stage stabiliseren. Gebruik de auto-focus optie om de optimale reconstructieafstand te bepalen.

Er kunnen meerdere herfocusstappen nodig zijn om de optimale reconstructieafstand te bereiken. Uiteindelijk moet het beeld scherp en helder worden. Indien de autofocus niet het beste resultaat geeft, kunnen fijne focusaanpassingen worden gedaan met behulp van de focus-schuifbalk.

Voor zeer fijne focusaanpassingen kan de reconstructiestap in de instellingen worden gewijzigd. Zodra het beeld is voorbereid, activeert u de modus voor ontwikkeling (unwrapped mode) om het ontwikkelde fasenbeeld te zien. Open in de 3D View-software het 3D-beeldvenster om het uiteindelijke beeld van het monster te zien, en gebruik de beschikbare beelaanpassingen om het resultaat te observeren.

Selecteer op de uitgevouwen fase-afbeelding het liniaal-icoon en trek een lijn over het gebied van belang om een dwarsdoorsnede-plot in het lijnplot-venster te verkrijgen. Gebruik nu, in het lijnplot-venster, de twee groene lijnmarkeringen om een benadering van de hoogte van het object te bepalen. Om de vensters zo te schikken dat ze gelijktijdig zichtbaar zijn, selecteert u de optie Vensters Tegelen.

De oppervlakteruwheid kan ook worden berekend op het vlakke deel van het monster met behulp van MATLAB-software. Sla het uiteindelijke fasebeeld op als bitmap voor verdere weergave in andere software. Om het monster voor te bereiden voor dynamische analyse, plaatst u het op de monsterhouder voor analyse.

In dit geval is het monster een microdiafragma. Verbind de elektroden van het monster met de krokodillenklemmen van de generator. Registreer, volgens de beschreven procedures, een hologram van het microdiafragma bij omgevingstemperatuur ter referentie.

Klik op het Delta-icoon om de beginfase te verwijderen, zodat alleen de vervorming wordt waargenomen. Zet vervolgens de DC-generator aan en verhoog geleidelijk het voltage van nul naar 12 volt, waarbij fasekaartbeelden worden genomen bij elke toename van 1 volt. Gebruik daarna een eenvoudige MATLAB-code om de verschillende vervormingen van de fasekaart in één grafiek uit te zetten om de totale vervorming beter te kunnen observeren en de MEMS-vervorming ten opzichte van de elektrische belasting te karakteriseren.

Een CDHM-systeem werd gebruikt om een MEMS-apparaat te karakteriseren zoals beschreven, met gebruik van een monomode-vezel gekoppeld aan een diodelaser die werkt op een golflengte van 633 nanometer. Het pad van de objectstraal en de referentiestraal werden gelijkgeschakeld om een hologrambeeld van het MEMS-apparaat te verkrijgen. De gele lijn geeft de locatie van de dwarsdoorsnede op het monster aan, en de twee groene markerlijnen werden gebruikt om de monsterhoogte te schatten.

Om de resultaten van het digitale holografische systeem te valideren, werd een atoomkrachtmicroscoop gebruikt om dezelfde structuur te meten. Er werd een hoogteverschil van 2,1 nanometer vastgesteld tussen de meting met de atoomkrachtmicroscoop en de CDHM-meting. Een MEMS-elektrode die via een lift-off-proces is vervaardigd, is onderhevig aan variaties in de morfologie van het monster die gekwantificeerd moeten worden.

Met behulp van het beschreven protocol is hiervoor een def-kaart gemaakt. Een plot in de andere dimensie laat zien dat de ruwheid van het oppervlak van de elektrode met het systeem eveneens waarneembaar is. In een dynamisch systeem, waarbij de temperatuur steeg van 50 naar 300 °C, werden morfologische veranderingen gemeten in een micro-diafragma dat was vervaardigd door een dunne plaat op een SOI-wafermonster te hechten.

Deze thermische vervorming werd vervolgens samengevat in een lijngrafiek die een dwarsdoorsnede van de verschillende vervormingstoestanden toont. Na het bekijken van deze video zou u een duidelijk inzicht moeten hebben in hoe u het systeem instelt en morfologische studies uitvoert met betrekking tot reflecterende monsters, zoals 3D-profielen, vervormingskaarten en oppervlakteruwheid. Zodra men is getraind, kan iedereen de software en het systeem gebruiken, zodat het eenvoudig kan worden geïmplementeerd in productieketens en kan worden bediend door technici.

Tijdens het uitvoeren van deze procedure is het belangrijk om te onthouden dat het monster op de juiste afstand van het systeem moet worden geplaatst. Dit is een cruciale stap die een aanzienlijke invloed heeft op de uiteindelijke resultaten.

Na de ontwikkeling biedt deze techniek onderzoekers op het gebied van optische en elektrische techniek de mogelijkheid om het gedrag van MEMS-monsters onder statische en dynamische omstandigheden te categoriseren. Volgens deze procedure kunnen andere experimenten, zoals de observatie van de resonantiemodus tijdens het aanleggen van een hoogfrequente wisselstroom of het kwantificeren van de doorbuiging van de cantilever, worden uitgevoerd om een kalibratie van een packed column MEMS-apparaat te verkrijgen.