Kompaktowy cyfrowy mikroskop holograficzny bez soczewek do kontroli i charakteryzacji MEMS
July 5th, 2016
Prezentujemy kompaktowy cyfrowy system holograficzny (CDHM) do inspekcji i charakteryzacji urządzeń MEMS. Zademonstrowano konstrukcję bez soczewek wykorzystującą rozbieżną falę wejściową zapewniającą naturalne powiększenie geometryczne. Prezentowane są zarówno badania statyczne, jak i dynamiczne.
Ogólnym celem tej procedury jest przetestowanie struktur mikroelektromechanicznych do zastosowań statycznych i dynamicznych przy użyciu optycznych pomiarów pełnego pola z technikami obliczeniowymi i eksperymentalnymi. Metoda ta może pomóc w znalezieniu odpowiedzi na kluczowe pytania w branży półprzewodników, a w szczególności w zakresie kontroli systemów mikroelektromechanicznych, takich jak charakterystyka właściwości mechanicznych struktur MEMS na różnych etapach produkcji. Główną zaletą tej techniki jest to, że jest ona pełnopolowa, bezkontaktowa, w czasie rzeczywistym, o wysokiej rozdzielczości i zapewnia w pełni ilościową mapę 3D obiektu odbijającego światło.
System został wykonany bez obiektywu, dzięki czemu jest naprawdę kompaktowy. Tak więc ta metoda może zapewnić wgląd w charakterystykę MEMS. Może być również stosowany do kontroli płytek półprzewodnikowych lub testów referencyjnych optyki.
W przypadku ustawienia w przezroczystej geometrii możliwa jest również inspekcja mikrooptyki, optyki dyfrakcyjnej, a nawet wykorzystanie do bioobrazowania. W tej procedurze wykorzystuje się kompaktowy cyfrowy mikroskop holograficzny (CDHM) do scharakteryzowania systemu mikroelektromechanicznego lub urządzenia MEMS. Na potrzeby tej demonstracji zostanie scharakteryzowana płytka krzemowa o powierzchni 11 milimetrów kwadratowych z kwadratowymi złotymi elektrodami umieszczonymi co 0,25 milimetra.
Za pomocą pęsety umieść próbkę MEMS na uchwycie na próbkę. Wyreguluj uchwyt próbki tak, aby wiązka lasera była skierowana na elektrody. Największe możliwe pole widzenia jest ograniczone przez matrycę aparatu i w tym przypadku wynosi 2,3 na 1,8 milimetra.
Ustaw system w pionie w odległości około 1,5 centymetra od próbki i kontynuuj konfigurację oprogramowania 3D View. Ten pakiet został opracowany w C+Begin po kliknięciu ikony zielonego pola, aby wybrać urządzenie do obrazowania wideo. Z menu rozwijanego wybierz kamerę źródłową obrazu DMx 41BU02.
Następnie w obszarze Ustawienia urządzenia wybierz opcję Format wideo Y800 i ustaw szybkość przechwytywania na 15 klatek na sekundę. Naciśnij przycisk OK i uruchom aparat za pomocą żółtego przycisku odtwarzania. Powinien pojawić się obraz wideo na żywo próbki.
Wyświetlany obraz powinien być obrazem rozmytej próbki. W razie potrzeby dostosuj czas naświetlania i kontrast obrazu. Teraz wyśrodkuj przykład tak dobrze, jak to możliwe, i uzyskaj dostęp do opcji Ustawienia.
Tam ustaw typ systemu na Odbicie lub Transmisja. Sprawdź, czy długość fali lasera jest ustawiona na 633 nm, rozmiar piksela kamery na 4, 650 nm, a powiększenie jest razy dwa. Następnie wybierz algorytm Rekonstrukcja konwolucji i ustaw Odległość rekonstrukcji na 100 mm, a Krok rekonstrukcji na jeden.
Odległość rekonstrukcji można później dostosować, aby dostosować intensywność obrazu do ostrości, podczas gdy parametr Step wskazuje, ile razy operacja konwolucji jest wykonywana w celu symulacji propagacji wiązki. Ten parametr można zmienić, aby precyzyjnie dostroić odległość rekonstrukcji na obrazie intensywności. Na koniec w opcjach przetwarzania końcowego ustaw algorytm rozpakowywania na opcję Mapowanie jakości.
Upewnij się, że opcje Intensywność i Faza są ustawione na Brak. Następnie naciśnij przycisk OK. Zacznij od uzyskania dostępu do oprogramowania 3D View i otwarcia okna widma Fouriera. Jeśli widma jednego rzędu zerowego i dwa plus jeden minus jeden rząd nie pojawiają się, sprawdź, czy próbka jest umieszczona poniżej czerwonej wiązki laserowej.
Odbicie lasera można łatwo zobaczyć w próbce. Teraz zatrzymaj tryb pomiaru na żywo i wybierz jedno z rzędów dyfrakcji za pomocą narzędzia filtrującego. Wybierz obszar wystarczająco duży, aby objąć wszystkie częstotliwości potrzebne do odzyskania fazy.
Wybierz opcję SET, aby zastosować filtr. Następnie uruchom ponownie tryb pomiaru na żywo. Po dokonaniu wyboru i obrazowaniu na żywo otwórz okno Faza i upewnij się, że tryb nieopakowany nie jest włączony.
Następnie dostosuj pionowy stół montażowy, aby zmniejszyć liczbę otoczek na obrazie fazy, tak aby pozostała tylko jedna lub dwie otoczki. Pozwól systemowi dostosować się po każdym stage ruch. Aby znaleźć najlepszą odległość rekonstrukcji, użyj opcji automatycznego ustawiania ostrości.
Aby uzyskać optymalną odległość rekonstrukcji, może być konieczne wykonanie kilku etapów ponownego ustawiania ostrości. Ostatecznie obraz powinien stać się ostry i wyraźny. Precyzyjną regulację ostrości można dokonać za pomocą suwaka ostrości, jeśli autofokus nie zapewnia najlepszych rezultatów.
W przypadku bardzo precyzyjnej regulacji ostrości krok rekonstrukcji można zmienić w ustawieniach. Po przygotowaniu obrazu włącz tryb rozpakowany, aby zobaczyć nieopakowany obraz fazy. W oprogramowaniu 3D View otwórz okno obrazu 3D, aby zobaczyć ostateczny obraz próbki, a następnie użyj dostępnych korekt obrazu, aby obserwować wynik.
Na nieopakowanym obrazie fazy wybierz ikonę linijki i narysuj linię w obszarze zainteresowania, aby uzyskać wykres przekroju poprzecznego w oknie wykresu liniowego. Teraz w oknie wykresu liniowego użyj dwóch zielonych znaczników linii, aby uzyskać przybliżoną wysokość obiektu. Aby rozmieścić okna do jednoczesnego wyświetlania, wybierz opcję Okna sąsiadujące.
Chropowatość powierzchni można również obliczyć na płaskiej części próbki za pomocą oprogramowania MATLAB. Zapisz obraz ostatniej fazy jako mapę bitową do dalszego przeglądania w innym oprogramowaniu. Aby przygotować próbkę do analizy dynamicznej, umieść ją na stoliku na próbkę w celu analizy.
W tym przypadku próbką jest mikromembrana. Podłącz elektrody próbki do zacisków krokodylkowych generatora. Postępując zgodnie z opisanymi procedurami, zapisz hologram mikromembrany w temperaturze otoczenia w celach informacyjnych.
Kliknij ikonę Delta, aby usunąć początkową fazę, a tym samym obserwować tylko deformację. Następnie włącz generator prądu stałego i stopniowo zwiększaj napięcie od zera do 12 woltów, wykonując obrazy mapy fazowej co 1 wolt. Później, korzystając z prostego kodu MATLAB, wykreśl różne deformacje mapy fazowej na jednym wykresie, aby lepiej obserwować całkowite odkształcenie i scharakteryzować deformację MEMS na obciążenie elektryczne.
Do scharakteryzowania urządzenia MEMS zgodnie z opisem wykorzystano system CDHM przy użyciu światłowodu jednomodowego sprzężonego z laserem diodowym działającym na długości fali 633 nanometrów. Wiązka obiektu i ścieżka wiązki referencyjnej zostały dopasowane w celu uzyskania hologramowego obrazu urządzenia MEMS. Żółta linia reprezentuje położenie przekroju poprzecznego na próbce, a dwie zielone linie znacznikowe zostały użyte do oszacowania wysokości próbki.
Aby zweryfikować wyniki cyfrowego systemu holograficznego, użyto mikroskopu sił atomowych do zmierzenia tej samej struktury. Stwierdzono różnicę wysokości wynoszącą 2,1 nanometra między pomiarem mikroskopowym sił atomowych a pomiarem CDHM. Elektroda MEMS wykonana w procesie lift-off podlega wariancji morfologii próbki, która wymaga kwantyfikacji.
Korzystając z opisanego protokołu, wykonano w tym celu mapę def. Wykres w drugim wymiarze pokazuje, że chropowatość powierzchni elektrody jest również obserwowalna za pomocą systemu. W systemie dynamicznym, w którym temperatura wzrastała od 50 do 300 stopni Celsjusza, zmierzono zmiany morfologiczne w mikromembranie wytworzonej przez przyklejenie cienkiej płytki do próbki wafla SOI.
To odkształcenie termiczne zostało następnie podsumowane na wykresie liniowym przedstawiającym przekrój poprzeczny różnych stanów odkształcenia. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś mieć jasne zrozumienie, jak skonfigurować system i przeprowadzić badania morfologiczne związane z próbkami odblaskowymi, takimi jak profil 3D, mapy deformacji i chropowatość powierzchni. Po przeszkoleniu każdy może korzystać z oprogramowania i systemu, dzięki czemu może on być łatwo wdrożony w łańcuchach produkcyjnych i obsługiwany przez techników.
Podczas wykonywania tej procedury należy pamiętać o umieszczeniu próbki w odpowiedniej odległości od układu. To ważny krok. I ma to realny wpływ na końcowe efekty.
Po jej opracowaniu, technika ta jest przeznaczona dla naukowców z dziedziny inżynierii optycznej i elektrycznej do kategoryzacji zachowania próbek MEMS w warunkach statycznych i dynamicznych. Zgodnie z tą procedurą, można przeprowadzić inne eksperymenty, takie jak obserwacja trybu rezonansowego podczas odtwarzania alternatywnego prądu o wysokiej częstotliwości lub ilościowe określenie ugięcia wspornika, aby zapewnić kalibrację urządzenia MEMS z wypełnioną kolumną.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Przegląd
Ten artykuł przedstawia zwarty cyfrowy system holograficzny (CDHM) przeznaczony do inspekcji i charakteryzacji urządzeń MEMS. Bezsoczewkowa konstrukcja wykorzystuje rozchodzącą się falę wejściową, umożliwiając naturalne powiększenie geometryczne zarówno do badań statycznych, jak i dynamicznych.
Kluczowe elementy badania
Obszar nauki
- Mikroelektromechaniczne systemy (MEMS)
- Techniki pomiarowe optyczne
- Charakteryzacja właściwości mechanicznych
Tło
- Przemysł półprzewodnikowy wymaga precyzyjnych metod inspekcji MEMS.
- Charakteryzacja struktur MEMS jest kluczowa na różnych etapach produkcji.
- Pełnopolowe, bezdotykowe techniki zapewniają wysoką rozdzielczość wglądu.
- Kompaktowe systemy poprawiają użyteczność w różnych zastosowaniach.
Cel badania
- Opracować metodę testowania MEMS w zastosowaniach statycznych i dynamicznych.
- Dostarczyć ilościowe 3D mapy obiektów odbijanych.
- Poprawić inspekcję płytek i testowanie referencyjne optyczne.
Zastosowane metody
- Pełnopolowe pomiary optyczne
- Techniki obliczeniowe i eksperymentalne
- Bezsoczewkowa konstrukcja dla zwartości
- Zbieranie danych w czasie rzeczywistym
Główne wyniki
- Sukcesywna demonstracja bezsoczewkowego systemu holograficznego.
- Wysokorozdzielczościowa charakteryzacja struktur MEMS.
- Wgląd w czasie rzeczywistym w właściwości mechaniczne podczas produkcji.
- Potencjalne zastosowania w inspekcji płytek i testowaniu optyki.
Wnioski
- CDHM zapewnia nowatorskie podejście do charakteryzacji MEMS.
- Oferuje zalety pod względem zwartości i możliwości pomiarowych.
- Ta metoda może znacząco wpłynąć na procesy produkcyjne w przemyśle półprzewodnikowym.
Często zadawane pytania
Executive Industry Relevance
This compact digital holographic microscope enables non-contact, full-field 3D surface profiling of MEMS devices, supporting early-stage functional validation in semiconductor and biotech manufacturing. By providing quantitative height and deformation data under static and dynamic conditions, it reduces reliance on destructive or low-throughput metrology, accelerating design iteration and process control. Its lens-less, compact form factor facilitates integration into production environments for real-time monitoring of critical MEMS attributes.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of MEMS structural behavior under electrical or thermal load, supporting functional hypothesis testing of micro-actuators and sensors.
- Operational Value: Provides label-free, real-time deformation mapping without sample preparation, preserving native device integrity for repeated measurement.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Delivers quantitative phase and height measurements with nanometer-scale resolution, enabling precise comparison of MEMS design variants across process conditions.
- Operational Value: Supports high-throughput inspection of wafer-scale MEMS arrays due to large field-of-view and rapid image acquisition at 15 fps.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Facilitates correlation of MEMS performance with fabrication parameters, aiding risk assessment in translational scaling from lab to pilot production.
- Operational Value: Enables dynamic characterization of MEMS under physiological-relevant stimuli (e.g., temperature, voltage) to predict in-field reliability.
Pipeline & Workflow Integration
The CDHM fits within the MEMS development continuum from early design validation through pre-release screening, offering a bridge between computational modeling and physical validation.
- Discovery Biology: Supports hypothesis-driven evaluation of MEMS mechanical response, reducing ambiguity in structure-function relationships during early design.
- Screening: Enables standardized, repeatable surface profiling across production lots, improving yield prediction and process control.
- Analytics: Generates deformation maps and roughness metrics that serve as quantitative endpoints for comparing design iterations or process changes.
- Translational Research: Connects bench-level MEMS characterization to manufacturing readiness by validating performance under simulated operational conditions.
- Enterprise Reuse: The software-driven, operator-independent workflow allows deployment across multiple sites and teams for consistent metrology.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Improves predictive confidence in MEMS design by providing direct, full-field validation of simulated mechanical behavior.
- Operational Value: Eliminates need for tip-based scanning, increasing throughput and reducing measurement artifacts on soft or delicate MEMS structures.
- Strategic Value: Enables earlier detection of fabrication defects, reducing costly late-stage failures and improving capital efficiency in MEMS development.
- Portfolio Impact: Supports data-driven go/no-go decisions by quantifying key performance indicators such as deflection, uniformity, and surface integrity.
Implementation Considerations
- Requires expertise in optical alignment and digital holography reconstruction principles.
- Needs stable vibration-isolated setup and coherent laser source (633 nm) for reliable interferometric measurements.
- Demands cross-team standardization of software settings (e.g., reconstruction distance, unwrapping algorithm) to ensure reproducibility across users.
- Adaptation to transmissive or bio-imaging modes may require reconfiguration of sample holder and illumination geometry.
- Surface reflectivity of the MEMS device must be sufficient to generate detectable interference signals, limiting application to reflective or coated structures.
