Compact Lens-less Digital Holographic Microscope de Inspeção MEMS e Caracterização

Resumo

Nós apresentamos um sistema holográfico digital compacta reflexão (CDHM) para inspeção e caracterização de dispositivos de MEMS. Um design de lente-less usando uma onda de entrada divergentes proporcionando ampliação geométrica natural é demonstrado. Ambos os estudos estáticos e dinâmicos são apresentados.

Resumo

Um sistema micro-eletromecânico (MEMS) é um componente amplamente utilizado em muitas indústrias, incluindo energia, biotecnologia, médica, comunicações e automotiva. No entanto, sistemas eficazes de metrologia de inspeção e caracterização são necessários para garantir a confiabilidade funcional do MEMS. Este estudo apresenta um sistema baseado na holografia digital como ferramenta para metrologia MEMS. A holografia digital ganhou cada vez mais atenção nos últimos 20 anos. Com o rápido desenvolvimento e a diminuição do custo das matrizes de sensores, a resolução de tais sistemas aumentou as aplicações potenciais de ampliação. Assim, tem atraído a atenção tanto do lado da pesquisa quanto da indústria como uma ferramenta potencialmente confiável para a metrologia industrial. De fato, registrando o padrão de interferência entre um feixe de objeto (que contém informações de altura de amostra) e um feixe de referência em uma câmera CCD, pode-se recuperar as informações quantitativas de fase de um objeto. No entanto, a maioria dos sistemas holográficos digitais são volumosos e, portanto, não são fáceis de implementar nas linhas de produção da indústria. A novidade do sistema apresentado é que ele não tem lentes e, portanto, é muito compacto. Neste estudo, mostra-se que o Microscópio Holográfico Digital Compacto (CDHM) pode ser utilizado para avaliar diversas características tipicamente consideradas como critérios em inspeções MEMS. Os perfis de superfície de MEMS em condições estáticas e dinâmicas são apresentados. A comparação com o AFM é investigada para validar a precisão do CDHM.

Introdução

Metrologia de micro e nano objetos é de grande importância para a indústria e pesquisadores. Na verdade, a miniaturização de objetos representa um novo desafio para metrologia óptica. sistemas micro eletro mecânicos (MEMS) são geralmente definidos tem miniaturizado sistemas eletromecânicos e normalmente compreende componentes, tais como micro-sensores, atuadores micro, microeletrônica e microestruturas. Ele encontrou muitas aplicações em diversos campos como a biotecnologia, medicina, comunicação e detecção ^1. Recentemente, a crescente complexidade, bem como a miniaturização progressiva do objeto de teste apresenta apelo ao desenvolvimento de técnicas de caracterização adequados para MEMS. Fabricação de alto rendimento desses microsistemas complexos requer a implementação de técnicas de medição em linha avançados, para quantificar parâmetros característicos e defeitos relacionados causados ​​pelas condições do processo ^2. Por exemplo, o desvio do parâmetro geométricatros em um dispositivo MEMS afeta as propriedades do sistema e tem de ser caracterizada. Além disso, a indústria exige desempenho de medição de alta resolução, tais como metrologia completa em três dimensões (3D), grande eld fi de vista, de alta resolução de imagem e análise em tempo real. Assim, é essencial para assegurar um controlo de qualidade e processo de controlo fiável. Além disso, exige que o sistema de medição para ser facilmente implementável numa linha de produção e, portanto, relativamente compacto para ser instalado em infra-estruturas existentes.

A holografia, que foi introduzido pela primeira vez por Gabor ^3, é uma técnica que permite a recuperação da informação quantitativa completa de um objecto através da gravação de interferência entre uma referência e uma onda de objecto para um meio fotossensível. Durante este processo conhecido como a gravação, a amplitude, fase e polarização de um campo são armazenados no meio. Em seguida, o campo de onda objecto pode ser recuperada, enviando o feixe de referência para o medio, um processo conhecido como a leitura óptica do holograma. Uma vez que um detector convencional só registra a intensidade da onda, a holografia tem sido um assunto de grande interesse nos últimos cinquenta anos, uma vez que dá acesso a informações adicionais sobre o campo elétrico. No entanto, vários aspectos da holografia convencional tornam impraticável para aplicações na indústria. Com efeito, materiais fotossensíveis são caros e o processo de gravação em geral exige um grau elevado de estabilidade. Avanços em sensores de câmera de alta resolução, tais como dispositivos de acoplamento de cargas (CCD) abriram uma nova abordagem para a metrologia digital. Uma dessas técnicas é conhecida como holografia digital de ^4. Em holografia digital (DH), o holograma é gravado numa câmara (meio de registo) e processos numéricos são utilizados para reconstruir a informação de fase e intensidade. Tal como acontece com a holografia convencional, o resultado pode ser obtido após dois procedimentos principais: a gravação e de reconstrução, como mostrado na Figura 1. No entanto, se a gravação é semelhante à holografia convencional, a reconstrução é única numérica ^5. O processo de reconstrução numérica é mostrado na Figura 2. Dois processos estão envolvidos no processo de reconstrução. Em primeiro lugar, o campo de onda objecto é recuperado a partir do holograma. O holograma é multiplicado com uma onda de referência numérico para chegar a frente de onda objeto no plano holograma. Em segundo lugar, a frente de onda objecto complexa é numericamente propagada para o plano da imagem. No nosso sistema, esta etapa é realizada usando o método de convolução ^6. O campo reconstruída obtida é uma função complexa e, portanto, a intensidade de fase e pode ser extraída fornecer informação quantitativa sobre a altura do objecto de interesse. A capacidade de armazenamento de informação toda campo no método de holografia e o uso da tecnologia de computador para o processamento rápido de dados oferecem mais flexibilidade na configuração experimental e aumentar significativamente o speed do processo experimental, abrindo novas possibilidades para desenvolver DH como uma ferramenta metrológica dinâmico para MEMS e micro-sistemas ^7,8.

Uso de holografia digital na imagem de contraste de fase está agora bem estabelecida e foi apresentada pela primeira vez mais de dez anos atrás ^9. Na verdade, a investigação de dispositivos microscópicos, combinando a holografia digital e microscopia foi realizada em diversos estudos ^{10, 11, 12, 13.} Vários sistemas baseados em alta coerência ¹⁴ e baixa coerência ¹⁵ fontes, bem como diferentes tipos de geometria ^{13, 16, 17} (em linha, fora do eixo, caminho comum ...) têm sido apresentados. Além disso, de acordo holografia digital tem sido utilizada anteriormente para a caracterização do dispositivo MEMS ^{18, 19.} No entanto, esses sistemas são geralmente difíceis de implementar e volumoso, tornando-os inadequados para aplicações industriais. Neste estudo, propomos um sistema compacto, simples e lente livre com base em off axis holografia digital capaz de inspecção MEMS tempo real e caracterização. O microscópio digital compacta Holographic (CDHM) é uma lente menos sistema holográfico digital desenvolvido e patenteado para obter a morfologia 3D de objectos especulares micro-size. No nosso sistema, a 10 mW, altamente estável, com temperatura controlada de laser de diodo operando a 638 nm, é acoplado numa fibra mono-modo. Como mostrado na Figura 3, o feixe divergente que emana a partir da fibra é dividida em uma referência e um feixe de objecto por um divisor de feixe. O caminho do feixe de referência compreende um espelho inclinado para realizar o eixo geométrico de folga. O feixe objecto é dispersa e refletida pela amostra. Os dois feixes interferir no CCD dando o holograma. O padrão de interferência impressa na imagem é chamada um veículo espacial e permite a recuperação da informação de fase quantitativa com apenas uma imagem. A reconstrução numérica é realizada utilizando um comum de Fourier transformar e algoritmo de convolução como STAted anteriormente. A configuração de lente-less tem várias vantagens tornando-o atraente. Como não há lentes são utilizados, o feixe de entrada é uma onda divergente proporcionando uma ampliação geométrica natural e, assim, melhorar a resolução do sistema. Além disso, é livre de aberrações encontradas em sistemas ópticos típicos. Como pode ser observado na Figura 3B, o sistema pode ser feito compacto (55x75x125 mm ³⁾ e leve (400 g), e, portanto, pode ser facilmente integrado na linha de produção industrial.

Protocolo

1. Preparação preliminar da Medição

Nota: A amostra utilizada para o experimento é um eletrodo de MEMS. Os eletrodos de ouro são fabricados em um wafer de silício usando lift off processo. A amostra é um 18 milímetros wafer x 18 mm com estruturas periódicas (eletrodos) com prazo de 1 milímetro

1. Entre no diário de bordo antes de usar o sistema.
2. Ligue a alimentação do computador, laser e fase de tradução.
3. Colocar a amostra MEMS eletrodo / micro-diafragma.
   1. Colocar a amostra de MEMS no meio de suporte da amostra usando uma pinça.
   2. Ajustar o suporte de amostras para posicionar os eléctrodos no caminho do feixe. O campo máximo de visão da medição é definida pelo tamanho do sensor da câmera. É um rectângulo de 2,3 mm x 1,8 mm.
4. Usando a direção motorizado estágio vertical, mova o sistema approximatively 1,5 cm de distância da amostra.

2. Software de Ajuste Configurações

1. Abra o 3DVisualizarProgramas. 3DVisualizar é o nosso programa in-house desenvolvido em C ++.
2. Clique no botão fonte de imagem para selecionar a câmera adequada para o experimento. Escolha a câmera CCD monocromática. Evitar uma câmera de cor nesta configuração uma vez que um diodo de laser monocromática é usada. Além disso, para o mesmo número de pixels, a resolução seria inferior ao usar câmaras a cores.
   1. Na guia configurações do dispositivo, formato de vídeo seleciona Y800 (1.280 x 960) e 15 frames por taxa de vídeo segundo.
3. Clique no botão amarelo play para iniciar a câmera. Uma imagem do objeto com padrões de franjas impressos (Holograma) deve aparecer.
   1. Ajustar os parâmetros ideais de ganho e de exposição para evitar a saturação da imagem, se necessário.
4. Usando a janela de vídeo da câmera com visualização ao vivo, ajustar a posição da amostra para selecionar a área exata para investigar sobre a amostra.
5. Abra a guia configurações.
   1. Na guia configuração, selecionar o tipo de superfície (reflexivo ou transparente), comprimento de onda de laSer, e de pixel tamanho da câmara. O laser é um laser de diodo operando a 633 nm. O tamanho do pixel da câmera é de 4.650 nm. A amostra é um dispositivo especular MEMS eletrodo de modo modo reflexivo deve ser selecionada.
      Nota: A configuração permite que apenas CDHM superfícies reflectoras a ser medido. No entanto, o software também pode ser usado para medir amostras transparentes quando um sistema de holografia digital diferente é usado ^13. Uma mudança neste cenário muda a fórmula de cálculo da altura da fase. Com efeito, o cálculo da diferença de trajecto óptico é ligeiramente diferente para amostras transparentes, uma vez que inclui o índice de refracção objecto.
   2. Escolha o algoritmo de reconstrução Convolution e definir a distância de reconstrução a zero. Escolha uma etapa de reconstrução de 1 ou 2.
      Nota: O paretro de reconstruo distância pode ser definida mais tarde, considerando a imagem de intensidade obtido a partir do holograma e utilizando o auto-foco. O passo de reconstrução define o número depassos utilizados para implementar o Fresnel integral e simular a propagação do feixe. O primeiro método avaliar a integral uma vez como um único Fourier Transform. Um passo de 2 irá avaliar a integral duas vezes. Isto adiciona uma maior flexibilidade no espaçamento da grelha, mas é menos eficiente computacionalmente ^20.
   3. Na guia de pós-processamento, selecione o algoritmo desembrulhar necessário para obter a imagem desembrulhado final. Selecionar a qualidade mapeado algoritmo.
      Nota: No software, a escolha entre Goldstein e Qualidade mapeada algoritmo pode ser feito. Quanto mais tarde mostrou fase espacial robusta e rápida desembrulhar. O algoritmo de qualidade mapeada é baseado em fase guiada desembrulhar como descrito no ^21.

3. Aquisição de Dados

1. Pressione a transformada de Fourier ícone para abrir a janela espectro de Fourier. Um 0 fim e dois +1, -1 ordens deve aparecer. Se este não for o caso, verificar que a amostra está na posição direita, e ajustar o ganho de umtempo de exposição d novamente.
2. Parar o modo de medição ao vivo. Selecione uma das ordens difratados (frequência positiva ou negativa), utilizando a ferramenta de filtro. A área seleccionada deve ser suficientemente grande de modo a que todas as frequências necessárias para a recuperação de fase estão presentes. Ligue o modo de viver novamente.
   Nota: A escolha da ordem negativa irá afectar apenas o sinal da fase no resultado final, ou seja, a imagem final 3D será invertida.
3. Abra a janela de fase. Verifique se o modo desembrulhado não está habilitado. imagem de fase de cinza do objeto impresso com franjas embrulhadas deve aparecer.
4. Utilizar a fase vertical motorizada para reduzir o número de franjas na imagem de fase. Quando apenas 1 ou 2 franjas são deixados sobre a imagem, parar o estágio motorizado.
   Nota: O sistema é baseado em interferometria. Assim, é sensível a vibrações. Depois de mover o estágio direção z motorizados, o usuário deve esperar 1 ou 2 segundos antes da imagem de fase envolveu aparece again. É também importante para evitar vibrações durante a medição para obter uma imagem de fase estável.
5. Clique no botão de auto-foco ²² para encontrar a melhor distância de reconstrução. Um pode precisar usar autofocus várias vezes para aproximar a distância reconstrução ideal até que a imagem intensidade aparece nítida e clara. A autofocagem é baseada num método de espectro angular eficaz e eficiente do tempo como descrito em ^22.
   Nota: A barra deslizante de foco pode ser usado para o ajuste fino. Em seguida, clique no botão de foco central para gravar a distância reconstrução atual. Parece às vezes que melhor foco não é encontrado com opção de focagem automática. Neste caso, a distância reconstrução de entrada manualmente para encontrar a melhor focagem.
6. Ativar o modo desembrulhado para ver a imagem a fase desenvolvida, clicando no botão desembrulhar.

4. Visualização de Dados e Análise para medição estática

1. Abra a janela de imagem 3D para ver o 3D finaisimagem da amostra. Use as opções disponíveis para observar o resultado final (girar, mapa de cores, o display da balança ...).
2. Clique no botão janelas lado a lado para organizar as janelas como não-sobreposição e exibir todas as janelas das medições.
3. Use a régua de linha para desenhar uma linha em uma área de interesse na imagem a fase desenvolvida. Na janela trama da linha, um mapa do perfil em corte transversal da área de interesse pode ser observada. Use os dois marcadores de linha verde para extrair uma altura aproximada do objecto (Figura 5).
   A rugosidade da superfície pode também ser obtido na parte superior plana da amostra.
4. Salve a imagem final de fase em formato JPEG para importá-lo para outro software, se necessário.

5. Preparação da Amostra e Análise de Dados para a medição dinâmica

1. Coloque a micro diafragma em uma placa central de aquecimento. A amostra não irá ser removido da placa até que a experiência termina.
2. Grave um holograma do micrO diafragma à temperatura ambiente, seguindo o procedimento descrito acima na secção 2 e 3. Ele será usado como uma referência para a análise de deformação.
3. Guardar os dados de fase no computador.
4. Ligar a placa de aquecimento de laboratório.
5. Usando o botão de temperatura, a temperatura pode variar em etapas de 50 ° C a partir de 50 ° C a 300 ° C. Para cada etapa de temperatura, salvar a imagem do mapa de fase em formato JPEG.
6. Subtrair o mapa de fase temperatura ambiente inicial do mapa outra fase gravada para obter os dados de deformação.
   Nota: Esta etapa de pós-processamento pode ser realizado com o código MATLAB simples. As diferentes fases obtidos são carregados em Matlab e subtracção matriz simples é realizado. Em seguida, pode ser obtido parcelas das secções transversais das diferentes fases de deformação.

Resultados

O protocolo acima descrito foi concebido para inspeccionar e caracterizar MEMS e dispositivos usando o sistema Micro CDHM. No nosso sistema, uma fibra mono-modo é acoplado a um diodo de laser que opera num comprimento de onda 633 nm. Devido à configuração de feixe divergente, é importante fazer corresponder o feixe de objecto e percurso do feixe de referência, a fim de obter um holograma que pode ser reconstruído. Isto é conseguido através de posicionamento vertical cuidadosa da amostra ...

Discussão

Nesta revisão, nós fornecemos um protocolo para recuperar com precisão a morfologia quantitativa de diferentes dispositivos MEMS usando um sistema compacto contando com holografia digital. caracterização MEMS no modo estático e dinâmico é demonstrada. dados 3D quantitativos de um micro MEMS canal é obtido. A fim de validar a precisão do sistema, os resultados têm sido comparadas entre o CDHM e a AFM. Bom acordo é encontrado o que significa que a holografia digital pode ser uma técnica confiável para imagens 3D. Os resul...

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo

Nome	Empresa	Número de catálogo	Comentários
Fonte de imagem	de câmera de 2 MP	DMX 41BU02	usada para gravar o holograma. 4.65  tamanho de pixel de mícrons
Estágio de Tradução Motorizado X,Y,Z	Tecnologia Zaber	Suporte TLS28-M	para o sistema
Divisor de feixe	Edmund óptica	49-003	Cubo Divisor de feixe. Separe e recombine o objeto e o feixe de referência
Laser	Micro Laser Systems, Inc.	SRT-F635S-20/OSYS	Diodo laser
Espelho	Edmund Optics	#43-412-566	1" Dia. Ouro Protegido, λ/20 Fibra monomodo plana Zerodur
Thorlabs	S405-XP	monomodo	, 400 - 680 nm, Ø 125 µ m
Suporte de amostra	Edmund Optics	#39-930	Plataforma de posicionamento ideal, ± 35  mm Curso em X e Y
Placa de aquecimento	Thermolyne Mirak placa de aquecimento	Barnstead International HP72935-60	faixa de temperatura 40-370 ° C
Holoscope Software	d'Optron Pte Ltd		software desenvolvido pelos pesquisadores da NTU

Fibra óptica de revestimento