Kompaktowy cyfrowy mikroskop holograficzny bez soczewek do kontroli i charakteryzacji MEMS

Ogólnym celem niniejszej procedury jest testowanie mikrostruktur elektromechanicznych przeznaczonych do zastosowań statycznych i dynamicznych przy użyciu pomiarów optycznych całego pola z wykorzystaniem technik obliczeniowych i eksperymentalnych. Metoda ta może pomóc w udzieleniu odpowiedzi na kluczowe pytania w przemyśle półprzewnikowym, a w szczególności w zakresie inspekcji mikroelektromechanicznych systemów (MEMS), takich jak charakteryzacja właściwości mechanicznych struktur MEMS na różnych etapach produkcji. Główną zaletą tej techniki jest to, że jest ona bezkontaktowa, wysokorozdzielcza, odbywa się w czasie rzeczywistym, obejmuje całe pole pomiarowe i dostarcza w pełni ilościowej mapy 3D obiektu odbijającego.

System został skonstruowany bez użycia soczewek i dzięki temu jest wyjątkowo kompaktowy. W związku z tym metoda ta może dostarczyć cennych informacji w zakresie charakterystyki systemów MEMS. Może być ona również wykorzystywana do inspekcji wafli krzemowych lub testów referencyjnych optyki.

Przy zastosowaniu przezroczystej geometrii układu możliwe jest również badanie mikrooptyki, optyki dyfrakcyjnej, a nawet wykorzystanie go w obrazowaniu biologicznym. Niniejsza procedura wykorzystuje kompaktowy cyfrowy mikroskop holograficzny (CDHM) do charakterystyki mikroelektromechanicznego systemu lub urządzenia MEMS. W ramach tej demonstracji przeprowadzona zostanie charakterystyka płytki krzemowej o powierzchni 11 mm², z kwadratowymi elektrodami złota rozmieszczonymi co 0,25 mm.

Za pomocą pęsety umieść próbkę MEMS na uchwycie do próbek. Wyreguluj uchwyt tak, aby wiązka lasera była skierowana na elektrody. Maksymalne pole widzenia jest ograniczone przez matrycę kamery i w tym przypadku wynosi 2,3 na 1,8 milimetra.

Ustaw system pionowo w odległości około 1.5 centymetrów od próbki, a następnie przystąp do konfiguracji oprogramowania 3D View. Pakiet ten został opracowany w języku C+. Zacznij od kliknięcia zielonej ikony pola, aby wybrać urządzenie do obrazowania wideo. Z menu rozwijanego wybierz kamerę obrazującą DMx 41BU02.

Następnie w ustawieniach urządzenia (Device Settings) wybierz opcję formatu wideo Y800 Video Format i ustaw częstotliwość próbkowania na 15 Frames Per Second. Naciśnij OK i uruchom kamerę za pomocą żółtego przycisku odtwarzania. Powinien pojawić się obraz z kamery na żywo przedstawiający próbkę.

Wyświetlony obraz powinien być obrazem próbki w defokusie. W razie potrzeby dostosuj czas ekspozycji i kontrast obrazu. Następnie wycentruj próbkę tak dokładnie, jak to możliwe, i przejdź do opcji Ustawienia.

Następnie ustaw Typ Systemu (System Type) na Odbicie (Reflection) lub Transmisję (Transmission). Sprawdź, czy długość fali lasera jest ustawiona na 633 nm, rozmiar piksela kamery na 4,650 nm, a powiększenie na 2x. Następnie wybierz algorytm Rekonstrukcji Splotowej (Convolution Reconstruction) i ustaw Odległość Rekonstrukcji (Reconstruction Distance) na 100 mm oraz Krok Rekonstrukcji (Reconstruction Step) na 1.

Odległość rekonstrukcji można później skorygować, aby uzyskać ostry obraz natężenia, natomiast parametr Step określa liczbę wykonanych operacji splotu w celu symulacji propagacji wiązki. Parametr ten można zmieniać, aby precyzyjnie dostroić odległość rekonstrukcji na obrazie natężenia. Na koniec, w opcjach Post Processing, ustaw algorytm Unwrapping na opcję Quality mapped.

Upewnij się, że opcje filtra intensywności (Intensity filter) oraz filtra fazy (Phase filter) są ustawione na None. Następnie naciśnij OK. Rozpocznij od uruchomienia oprogramowania 3D View i otwarcia okna widma Fouriera. Jeśli nie pojawią się widma rzędu zero oraz dwa widma rzędów plus jeden i minus jeden, sprawdź, czy próbka znajduje się pod czerwoną wiązką lasera.

Odbicie lasera jest wyraźnie widoczne na próbce. Teraz należy wyłączyć tryb pomiaru w czasie rzeczywistym i wybrać jeden z rzędów dyfrakcyjnych za pomocą narzędzia filtra. Należy zaznaczyć obszar wystarczająco duży, aby objął wszystkie częstotliwości niezbędne do odzyskania fazy.

Wybierz opcję SET, aby zastosować filtr. Następnie zrestartuj tryb pomiaru w czasie rzeczywistym. Po dokonaniu wyboru i uruchomieniu obrazowania na żywo, otwórz okno Phase i upewnij się, że tryb unwrapped nie jest włączony.

Następnie dostosuj pozycję stolika w pionie, aby zmniejszyć liczbę prążków na obrazie fazowym, tak aby pozostały tylko jeden lub dwa prążki. Pozostaw system na ustabilizowanie się po każdym ruchu stolika. Aby znaleźć optymalną odległość rekonstrukcji, skorzystaj z opcji automatycznego ustawiania ostrości.

Aby uzyskać optymalną odległość rekonstrukcji, może być koniecznych kilka kroków ponownego ustawiania ostrości. Ostatecznie obraz powinien stać się ostry i wyraźny. Jeśli autofokus nie zapewnia najlepszego rezultatu, można dokonać precyzyjnych korekt ostrości za pomocą suwaka ustawiania ostrości.

W celu bardzo precyzyjnej regulacji ostrości w ustawieniach można zmienić krok rekonstrukcji (Reconstruction Step). Po przygotowaniu obrazu należy włączyć tryb rozwijania (unwrapped mode), aby zobaczyć obraz fazy rozwiniętej. W oprogramowaniu 3D View otwórz okno obrazu 3D, aby zobaczyć końcowy obraz próbki, i skorzystaj z dostępnych funkcji regulacji obrazu, aby zaobserwować wynik.

Na obrazie fazy po rozpakowaniu (unwrapped phase image) wybierz ikonę linijki i narysuj linię na obszarze zainteresowania, aby uzyskać wykres przekroju w oknie wykresu liniowego. Następnie w oknie wykresu liniowego użyj dwóch zielonych znaczników linii, aby odczytać przybliżoną wysokość obiektu. Aby ustawić okna do jednoczesnego podglądu, wybierz opcję Kafelkowanie okien (Tile Windows).

Chropowatość powierzchni można również obliczyć dla płaskiej części próbki przy użyciu oprogramowania MATLAB. Zapisz końcowy obraz fazowy jako plik bitmapy w celu dalszego przeglądania w innym oprogramowaniu. Aby przygotować próbkę do analizy dynamicznej, umieść ją na stole przedmiotowym do analizy.

W tym przypadku próbką jest mikropowłoka membranowa. Należy podłączyć elektrody próbki do krokodylków generatora. Zgodnie z opisanymi procedurami, należy zarejestrować hologram mikropowłoki membranowej w temperaturze otoczenia w celu uzyskania referencji.

Kliknij ikonę Delta, aby usunąć fazę początkową i w ten sposób obserwować wyłącznie deformację. Następnie włącz generator prądu stałego (DC) i stopniowo zwiększaj napięcie od 0 do 12 V, wykonując obrazy mapy fazy co 1 V. Później, przy użyciu prostego kodu MATLAB, nanieś różne deformacje mapy fazy na jeden wykres, aby lepiej zaobserwować całkowitą deformację i scharakteryzować deformację MEMS pod wpływem obciążenia elektrycznego.

Do charakterystyki urządzenia MEMS wykorzystano system CDHM, zgodnie z opisem, używając światłowodu jednomodowego sprzężonego z laserem diodowym pracującym na długości fali 633 nanometrów. Ścieżki wiązki obiektu i wiązki odniesienia zostały dopasowane w celu uzyskania obrazu hologramu urządzenia MEMS. Żółta linia reprezentuje położenie przekroju na próbce, a dwie zielone linie znacznikowe zostały wykorzystane do oszacowania wysokości próbki.

Aby zweryfikować wyniki systemu holografii cyfrowej, do pomiaru tej samej struktury wykorzystano mikroskop sił atomowych. Pomiędzy pomiarem wykonanym za pomocą mikroskopu sił atomowych a pomiarem CDHM stwierdzono różnicę wysokości wynoszącą 2,1 nanometra. Elektroda MEMS wykonana metodą lift-off jest podatna na zmienność morfologii próbki, która wymaga ilościowego określenia.

W celu przeprowadzenia tych pomiarów, zgodnie z opisanym protokołem, sporządzono mapę odkształceń. Wykres w innym wymiarze pokazuje, że za pomocą tego systemu można również zaobserwować chropowatość powierzchni elektrody. W układzie dynamicznym, przy wzroście temperatury od 50 do 300 °C, zmierzono zmiany morfologiczne w mikroprzeponie wykonanej poprzez przyłączenie cienkiej płytki do próbki wafla SOI.

Tę deformację termiczną przedstawiono następnie na wykresie liniowym ukazującym przekrój poprzeczny różnych stanów deformacji. Po obejrzeniu tego filmu powinni Państwo mieć jasne wyobrażenie o tym, jak skonfigurować system i przeprowadzić badania morfologiczne próbek refleksyjnych, obejmujące m.in. profil 3D, mapy deformacji oraz chropowatość powierzchni. Po odpowiednim przeszkoleniu każdy może korzystać z oprogramowania i systemu, co umożliwia ich łatwe wdrożenie w liniach produkcyjnych oraz obsługę przez techników.

Podczas wykonywania tej procedury należy pamiętać o umieszczeniu próbki w odpowiedniej odległości od systemu. Jest to istotny krok, który ma rzeczywisty wpływ na końcowe wyniki.

Po opracowaniu technika ta umożliwiła badaczom z zakresu inżynierii optycznej i elektrycznej kategoryzację zachowania próbek MEMS w warunkach statycznych i dynamicznych. Zgodnie z tą procedurą można przeprowadzić inne eksperymenty, takie jak obserwacja modów rezonansowych podczas przykładania prądu przemiennego o wysokiej częstotliwości lub ilościowe określenie ugięcia wspornika, w celu kalibracji urządzenia MEMS z upakowaną kolumną.