Compact Lens-less Digital Holographic Microscope de Inspeção MEMS e Caracterização
5 de julho de 2016
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.
O objetivo geral deste procedimento é testar estruturas microeletromecânicas destinadas a aplicações estáticas e dinâmicas, utilizando medições ópticas de campo completo com técnicas computacionais e experimentais. Este método pode auxiliar na resposta de questões fundamentais na indústria de semicondutores e, mais especificamente, na inspeção de sistemas microeletromecânicos, como a caracterização das propriedades mecânicas de estruturas MEMS em diferentes estágios da fabricação. A principal vantagem desta técnica é que ela é de campo completo, sem contato, em tempo real, de alta resolução e fornece um mapa tridimensional totalmente quantitativo do objeto refletivo.
O sistema foi desenvolvido sem lente e, portanto, é realmente compacto. Assim, este método pode fornecer informações sobre a caracterização de MEMS. Também pode ser utilizado para inspeção de wafer ou testes de referência em óptica.
Se configurado em uma geometria transparente, também é possível inspecionar microópticas, ópticas difrativas ou até mesmo utilizá-lo para bioimagem. Este procedimento utiliza um microscópio holográfico digital compacto, ou CDHM, para caracterizar um dispositivo micro-eletro-mecânico ou MEMS. Para esta demonstração, será caracterizada uma pastilha de silício de 11 milímetros quadrados com eletrodos de ouro quadrados posicionados a cada 0,25 milímetros.
Usando pinças, coloque a amostra de MEMS no suporte da amostra. Ajuste o suporte da amostra para que o feixe de laser atinja os eletrodos. O maior campo de visão possível é limitado pelo sensor da câmera e, neste caso, é de 2,3 por 1,8 milímetros.
Posicione verticalmente o sistema a cerca de 1,5 centímetro da amostra e prossiga com a configuração do software 3D View. Este pacote foi desenvolvido em C+Comece clicando no ícone do quadrado verde para selecionar o dispositivo de imagem por vídeo. Escolha a câmera de origem de imagem DMx 41BU02 no menu suspenso.
Em seguida, nas Configurações do Dispositivo, selecione a opção Formato de Vídeo Y800 e defina a taxa de captura para 15 Quadros Por Segundo. Pressione OK e inicie a câmera usando o botão de reprodução amarelo. Uma imagem de vídeo ao vivo da amostra deve aparecer.
A imagem exibida deve ser uma imagem desfocada da amostra. Ajuste o tempo de exposição e o contraste da imagem, se necessário. Agora, centralize a amostra o melhor possível e acesse as opções de Configurações.
Ali, defina o Tipo de Sistema como Reflexão ou Transmissão. Verifique se o comprimento de onda do laser está definido em 633 nm, o Tamanho do Pixel da câmera em 4.650 nm e a ampliação em duas vezes. Em seguida, selecione o algoritmo de Reconstrução por Convolução e defina a Distância de Reconstrução em 100 mm e o Passo de Reconstrução em um.
A distância de reconstrução pode ser ajustada posteriormente para ajustar a imagem de intensidade a um foco nítido, enquanto o parâmetro Passo indica quantas vezes a operação de convolução é realizada para simular a propagação do feixe. Esse parâmetro pode ser alterado para ajustar com precisão a distância de reconstrução na imagem de intensidade. Por fim, nas opções de Pós-processamento, defina o algoritmo de Desenrolamento para a opção Mapeada por Qualidade.
Certifique-se de que as opções Filtro de Intensidade e Filtro de Fase estejam definidas como Nenhum. Em seguida, pressione OK. Comece acessando o software Visualização 3D e abrindo a janela do espectro de Fourier. Se um espectro de ordem zero e dois espectros de ordem mais um e menos um não aparecerem, verifique se a amostra está posicionada abaixo do feixe de laser vermelho.
A reflexão do laser pode ser facilmente vista no amostra. Agora, pare o modo de medição contínua e selecione uma das ordens difratadas utilizando a ferramenta de filtro. Selecione uma área suficientemente grande para abranger todas as frequências necessárias para a recuperação de fase.
Selecione a opção SET para aplicar o filtro. Em seguida, reinicie o modo de medição em tempo real. Com a seleção feita e a aquisição de imagens em andamento, abra a janela Phase e certifique-se de que o modo não envolvido (unwrapped) não esteja habilitado.
Em seguida, ajuste o estágio vertical para reduzir o número de franjas na imagem de fase, de modo que apenas uma ou duas franjas permaneçam. Deixe o sistema se ajustar após cada movimentação do estágio. Para encontrar a melhor distância de reconstrução, utilize a opção de foco automático.
Pode ser necessário realizar várias etapas de refocagem para alcançar a distância de reconstrução ideal. Em última análise, a imagem deve ficar nítida e clara. Ajustes finos de foco podem ser feitos utilizando a barra deslizante de foco, caso o foco automático não forneça o melhor resultado.
Para ajustes de foco muito finos, o Passo de Reconstrução pode ser alterado nas configurações. Com a imagem preparada, ative o modo desenrolado para visualizar a imagem de fase desenrolada. No software Visualização 3D, abra a janela de imagem 3D para ver a imagem final da amostra e utilize os ajustes de imagem disponíveis para observar o resultado.
No imagem de fase desenrolada, selecione o ícone de régua e desenhe uma linha na área de interesse para obter um gráfico em corte transversal na janela de gráfico linear. Agora, na janela de gráfico linear, use os dois marcadores de linha verdes para obter uma altura aproximada do objeto. Para organizar as janelas para visualização simultânea, selecione a opção Dispor Janelas.
A rugosidade da superfície também pode ser calculada na parte plana da amostra utilizando o software MATLAB. Salve a imagem de fase final como um bitmap para visualização posterior em outros softwares. Para preparar a amostra para análise dinâmica, posicione-a no estágio da amostra para análise.
Neste caso, a amostra é um microdiafragma. Conecte os eletrodos da amostra aos clipes de crocodilo do gerador. Após seguir os procedimentos descritos, grave um holograma do microdiafragma à temperatura ambiente para referência.
Clique no ícone Delta para remover a fase inicial e, assim, observar apenas a deformação. Em seguida, ligue o gerador de corrente contínua e aumente gradualmente a tensão de zero a 12 volts, capturando imagens do mapa de fase a cada incremento de 1 volt. Posteriormente, utilizando um código simples em MATLAB, plote as diferentes deformações do mapa de fase em um único gráfico para melhor observar a deformação total e caracterizar a deformação do MEMS em função do carregamento elétrico.
Um sistema CDHM foi utilizado para caracterizar um dispositivo MEMS conforme descrito, usando uma fibra monomodo acoplada a um laser de diodo operando em um comprimento de onda de 633 nanômetros. O feixe objeto e o caminho do feixe de referência foram ajustados para obter uma imagem de holograma do dispositivo MEMS. A linha amarela representa a localização da seção transversal na amostra, e as duas linhas verdes marcadoras foram usadas para estimar a altura da amostra.
Para validar os resultados do sistema de holografia digital, um microscópio de força atômica foi utilizado para medir a mesma estrutura. Foi encontrada uma diferença de altura de 2,1 nanômetros entre a medição do microscópio de força atômica e a medição do CDHM. Um eletrodo MEMS fabricado por meio de um processo de levantamento (lift-off) está sujeito a variações na morfologia da amostra que precisam ser quantificadas.
Utilizando o protocolo descrito, foi confeccionado um mapa def para esta finalidade. Um gráfico na outra dimensão mostra que a rugosidade da superfície do eletrodo também é observável utilizando o sistema. Em um sistema dinâmico, com a temperatura aumentando de 50 a 300 graus Celsius, foram medidas alterações morfológicas em um microdiafragma fabricado por ligação de uma placa fina a uma amostra de wafer SOI.
Essa deformação térmica foi então resumida em um gráfico de linhas mostrando uma vista em corte dos diferentes estados de deformação. Após assistir a este vídeo, você deverá ter uma compreensão clara de como configurar o sistema e realizar estudos morfológicos relacionados a amostras reflexivas, como perfil 3D, mapas de deformação e rugosidade superficial. Uma vez treinado, qualquer pessoa pode usar o software e o sistema, de modo que ele possa ser facilmente implementado em cadeias de produção e operado por técnicos.
Ao realizar este procedimento, é importante lembrar-se de posicionar a amostra à distância correta em relação ao sistema. Este é um passo fundamental e tem um impacto real nos resultados finais.
Após seu desenvolvimento, esta técnica tornou-se valiosa para pesquisadores na área de engenharia óptica e elétrica classificarem o comportamento de amostras de MEMS sob condições estáticas e dinâmicas. Após este procedimento, outros experimentos, como a observação do modo ressonante enquanto se aplica corrente alternada de alta frequência ou a quantificação da deflexão do cantilever, podem ser realizados com o objetivo de proporcionar uma calibração de um dispositivo MEMS com coluna empacotada.
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Visão Geral
Este artigo apresenta um sistema holográfico digital de reflexão compacto (CDHM) projetado para a inspeção e caracterização de dispositivos MEMS. O design sem lentes utiliza uma onda de entrada divergente, permitindo uma ampliação geométrica natural para estudos estáticos e dinâmicos.
Componentes Principais do Estudo
Área da Ciência
- Sistemas micro-eletromecânicos (MEMS)
- Técnicas de medição óptica
- Caracterização de propriedades mecânicas
Antecedentes
- A indústria de semicondutores exige métodos de inspeção precisos para MEMS.
- A caracterização de estruturas de MEMS é crucial em várias etapas de fabricação.
- Técnicas completas de campo e sem contato fornecem informações de alta resolução.
- Sistemas compactos aumentam a usabilidade em diversas aplicações.
Objetivo do Estudo
- Desenvolver um método para testar MEMS em aplicações estáticas e dinâmicas.
- Fornecer mapas tridimensionais quantitativos de objetos reflexivos.
- Aprimorar a inspeção de wafer e os testes de referência em óptica.
Métodos Utilizados
- Medições ópticas de campo completo
- Técnicas computacionais e experimentais
- Design sem lentes para maior compactação
- Aquisição de dados em tempo real
Resultados Principais
- Demonstração bem-sucedida de um sistema holográfico sem lentes.
- Caracterização de alta resolução de estruturas MEMS.
- Informações em tempo real sobre propriedades mecânicas durante a fabricação.
- Aplicações potenciais na inspeção de wafer e testes ópticos.
Conclusões
- O CDHM fornece uma abordagem inovadora para a caracterização de MEMS.
- Oferece vantagens em termos de compactação e capacidades de medição.
- Este método pode impactar significativamente os processos de fabricação de semicondutores.
Perguntas Frequentes
Relevância Executiva para a Indústria
Este microscópio holográfico digital compacto permite o perfilamento tridimensional completo e sem contato da superfície de dispositivos MEMS, apoiando a validação funcional em estágios iniciais na fabricação de semicondutores e biotecnologia. Ao fornecer dados quantitativos de altura e deformação sob condições estáticas e dinâmicas, reduz a dependência de métodos de metrologia destrutivos ou de baixa produtividade, acelerando a iteração de projetos e o controle de processos. Seu formato compacto e sem lentes facilita a integração em ambientes de produção para monitoramento em tempo real de atributos críticos dos MEMS.
Aplicações Estratégicas em P&D de Biotecnologia Farmacêutica
Descoberta Inicial e Validação de Alvo
- Valor Científico: Permite a investigação do comportamento estrutural de MEMS sob carga elétrica ou térmica, apoiando testes de hipóteses funcionais de microatuadores e sensores.
- Valor Operacional: Fornece mapeamento em tempo real de deformações sem marcação e sem preparo da amostra, preservando a integridade nativa do dispositivo para medições repetidas.
Triagem e Desenvolvimento de Ensaios
- Valor Científico: Fornece medições quantitativas de fase e altura com resolução na escala de nanômetros, permitindo comparação precisa de variantes de projetos de MEMS sob diferentes condições de processo.
- Valor Operacional: Permite inspeção de alto rendimento de matrizes de MEMS em escala de wafer devido ao grande campo de visão e à aquisição rápida de imagens a 15 fps.
Pesquisa Translacional e Pré-clínica
- Valor Científico: Facilita a correlação entre o desempenho de MEMS e os parâmetros de fabricação, auxiliando na avaliação de riscos na ampliação translacional de laboratório para produção piloto.
- Valor Operacional: Permite a caracterização dinâmica de MEMS sob estímulos fisiologicamente relevantes (por exemplo, temperatura, tensão) para prever a confiabilidade em campo.
Integração de Pipeline e Fluxo de Trabalho
O CDHM se insere no continuum de desenvolvimento MEMS, desde a validação inicial do projeto até a triagem pré-lançamento, oferecendo uma ponte entre a modelagem computacional e a validação física.
- Biologia da Descoberta: Apoia a avaliação baseada em hipóteses da resposta mecânica de MEMS, reduzindo ambiguidades nas relações estrutura-função durante as fases iniciais do projeto.
- Triagem: Permite a realização padronizada e repetível de perfis de superfície em lotes de produção, melhorando a previsão de rendimento e o controle de processo.
- Análise: Gera mapas de deformação e métricas de rugosidade que servem como pontos finais quantitativos para comparar iterações de projeto ou alterações de processo.
- Pesquisa Translacional: Conecta a caracterização de MEMS em nível laboratorial à prontidão para fabricação, validando o desempenho sob condições operacionais simuladas.
- Reutilização Corporativa: O fluxo de trabalho baseado em software e independente de operador permite implantação em múltiplos locais e equipes, garantindo metrologia consistente.
Impacto Operacional e Empresarial
- Valor Científico: Melhora a confiança preditiva no projeto de MEMS ao fornecer validação direta e de todo o campo do comportamento mecânico simulado.
- Valor Operacional: Elimina a necessidade de varredura com ponta, aumentando a produtividade e reduzindo artefatos de medição em estruturas de MEMS macias ou delicadas.
- Valor Estratégico: Permite a detecção precoce de defeitos de fabricação, reduzindo falhas dispendiosas em estágios avançados e melhorando a eficiência do capital no desenvolvimento de MEMS.
- Impacto no Portfólio: Apoia decisões orientadas por dados de seguir/não seguir ao quantificar indicadores-chave de desempenho, como deflexão, uniformidade e integridade superficial.
Considerações sobre a Implementação
- Requer experiência em alinhamento óptico e princípios de reconstrução de holografia digital.
- Necessita de uma configuração estável com isolamento de vibrações e fonte a laser coerente (633 nm) para medições interferométricas confiáveis.
- Exige padronização entre equipes dos parâmetros de software (por exemplo, distância de reconstrução, algoritmo de desembrulhamento de fase) para garantir reprodutibilidade entre usuários.
- A adaptação a modos transmissivos ou de bioimagem pode exigir reconfiguração do suporte da amostra e da geometria de iluminação.
- A refletividade da superfície do dispositivo MEMS deve ser suficiente para gerar sinais de interferência detectáveis, limitando a aplicação a estruturas reflexivas ou revestidas.
