Компактный объектив менее цифровой голографический микроскоп для MEMS осмотра и определения характеристик

Общая цель этой процедуры заключается в испытании микроэлектромеханических структур, которые будут использоваться в статических и динамических приложениях, с использованием оптических измерений полного поля с вычислительными и экспериментальными методами. Этот метод может помочь ответить на ключевые вопросы в полупроводниковой промышленности и, в частности, для микроэлектромеханического контроля систем, таких как характеристика механических свойств структур MEMS на различных этапах производства. Основное преимущество этой методики заключается в том, что она является полнопольной, бесконтактной, в режиме реального времени, с высоким разрешением, а также обеспечивает полностью количественную 3D-карту отражающего объекта.

Система была сделана без линз и, следовательно, очень компактна. Таким образом, этот метод может дать представление о характеристиках MEMS. Он также может использоваться для проверки пластин или контрольных оптических испытаний.

Если конфигурация выполнена в прозрачной геометрии, также можно контролировать микрооптику, дифракционную оптику или даже использовать для биовизуализации. В этой процедуре используется компактный цифровой голографический микроскоп (CDHM) для определения характеристик микроэлектромеханической системы или МЭМС-устройства. Для этой демонстрации будет охарактеризована кремниевая пластина площадью 11 квадратных миллиметров с квадратными золотыми электродами, расположенными через каждые 0,25 миллиметра.

С помощью пинцета поместите образец MEMS на держатель для образца. Отрегулируйте держатель образца так, чтобы лазерный луч был направлен на электроды. Максимально возможное поле зрения ограничено сенсором камеры, и в данном случае составляет 2,3 на 1,8 миллиметра.

Расположите систему вертикально примерно в 1,5 сантиметрах от образца и приступайте к настройке программного обеспечения 3D View. Этот пакет был разработан в C+Begin с нажатием на значок зеленого прямоугольника для выбора устройства обработки изображений. Выберите камеру-источник изображения DMx 41BU02 в раскрывающемся меню.

Затем в настройках устройства выберите параметр «Формат видео Y800» и установите скорость захвата на 15 кадров в секунду. Нажмите OK и запустите камеру с помощью желтой кнопки воспроизведения. Должно появиться живое видеоизображение образца.

Отображаемое изображение должно быть изображением расфокусировки образца. При необходимости отрегулируйте время экспозиции и контрастность изображения. Теперь центрируйте образец как можно лучше и откройте параметры настроек.

Установите для параметра Тип системы значение Отражение или Пропускание. Убедитесь, что длина волны лазера установлена на 633 нм, размер пикселя камеры — на 4, 650 нм, а увеличение умноженно на два. Затем выберите алгоритм реконструкции свертки и установите Расстояние реконструкции на 100 мм, а Шаг реконструкции на единицу.

Расстояние реконструкции может быть скорректировано позже, чтобы настроить изображение интенсивности до четкого фокуса, в то время как параметр Step указывает, сколько раз выполняется операция свертки для имитации распространения луча. Этот параметр можно изменить для тонкой настройки расстояния реконструкции на изображении интенсивности. Наконец, в разделе Параметры постобработки установите алгоритм развертки на опцию Качество сопоставления.

Убедитесь, что для параметров Фильтр интенсивности и Фазовый фильтр установлено значение Нет. Затем нажмите OK. Начните с доступа к программному обеспечению 3D View и открытия окна спектра Фурье. Если спектры одного нулевого порядка и два плюс один минус один порядок не появляются, убедитесь, что образец расположен ниже красного лазерного луча.

Отражение лазера можно легко увидеть из образца. Теперь остановите режим измерения в реальном времени и выберите один из дифрагированных порядков с помощью фильтра. Выберите область, достаточно большую, чтобы охватить все частоты, необходимые для восстановления фазы.

Выберите опцию SET, чтобы применить фильтр. Затем перезапустите режим измерения в реальном времени. Сделав выбор и визуализировав изображение в реальном времени, откройте окно «Фаза» и убедитесь, что режим «Развертка» не включен.

Затем отрегулируйте вертикальную сцену, чтобы уменьшить количество полос на фазовом изображении, чтобы осталась только одна или две полосы. Позвольте системе настраиваться после каждого движения этапа. Чтобы найти наилучшее расстояние для реконструкции, используйте опцию автофокусировки.

Для достижения оптимального расстояния реконструкции может потребоваться несколько этапов перефокусировки. В конечном итоге изображение должно стать резким и четким. Точную настройку фокусировки можно выполнить с помощью ползунка фокусировки, если автофокусировка не обеспечивает наилучшего результата.

Для очень тонкой настройки фокуса можно изменить Шаг реконструкции в настройках. Когда образ подготовлен, включите режим распаковки, чтобы увидеть развертка фазового изображения. В программном обеспечении 3D View откройте окно 3D-изображения, чтобы увидеть окончательное изображение образца, и используйте доступные корректировки изображения для наблюдения за результатом.

На изображении неразвернутой фазы выберите значок линейки и нарисуйте линию на области интереса, чтобы получить график поперечного сечения в окне линейного графика. Теперь в окне линейного графика используйте два зеленых маркера линии, чтобы получить приблизительную высоту объекта. Чтобы расположить окна для одновременного просмотра, выберите параметр Мозаичные окна.

Шероховатость поверхности также может быть рассчитана на плоской части образца с помощью программного обеспечения MATLAB. Сохраните итоговое изображение фазы в виде растрового изображения для дальнейшего просмотра в других программах. Чтобы подготовить образец к динамическому анализу, расположите его на предметном столике для анализа.

В данном случае образец представляет собой микродиафрагму. Подсоедините электроды образца к крокодиловым зажимам генератора. Следуя описанным процедурам, запишите голограмму микродиафрагмы при температуре окружающей среды для справки.

Нажмите на значок дельты, чтобы удалить начальную фазу, и таким образом наблюдайте только деформацию. Затем включите генератор постоянного тока и постепенно увеличивайте напряжение с нуля до 12 вольт, делая изображения фазовой карты с шагом в 1 вольт. Позже, используя простой код MATLAB, постройте различные деформации фазовой карты на один график, чтобы лучше наблюдать общую деформацию, и охарактеризовать деформацию MEMS в зависимости от электрической нагрузки.

Для определения характеристик МЭМС-устройства, как описано, была использована система CDHM с использованием мономодового волокна, соединенного с диодным лазером, работающим на длине волны 633 нанометра. Луч объекта и траектория опорного луча были сопоставлены для получения голограммного изображения МЭМС-устройства. Желтая линия обозначает положение поперечного сечения на образце, а две зеленые маркерные линии использовались для оценки высоты образца.

Для проверки результатов цифровой голографической системы был использован атомно-силовой микроскоп для измерения той же структуры. Разница в высоте между измерениями с помощью атомно-силового микроскопа и CDHM составила 2,1 нанометра. Электрод MEMS, изготовленный с использованием процесса отрыва, подвержен изменению морфологии образца, которое необходимо количественно оценить.

С использованием описанного протокола для этой цели была сделана def карта. График в другом измерении показывает, что шероховатость поверхности электрода также можно наблюдать с помощью системы. В динамической системе при повышении температуры от 50 до 300 градусов Цельсия морфологические изменения измерялись в микродиафрагме, изготовленной путем приклеивания тонкой пластины к образцу пластины SOI.

Затем эта термическая деформация была суммирована на линейном графике, показывающем вид поперечного сечения различных состояний деформации. После просмотра этого видео у вас должно сложиться четкое представление о том, как настроить систему и провести морфологические исследования, связанные с отражающими образцами, такими как 3D-профиль, карты деформаций и шероховатости поверхности. После обучения любой желающий может использовать программное обеспечение и систему, чтобы их можно было легко внедрить в производственных цепочках и эксплуатировать техническими специалистами.

При попытке выполнить эту процедуру важно помнить о размещении образца на правильном расстоянии от системы. Это важный шаг. И это оказывает реальное влияние на конечные результаты.

После своей разработки, данная методика b-v для исследователей в области оптической и электротехники позволяет категоризировать поведение образцов MEMS для статических и динамических условий. После этой процедуры могут быть проведены другие эксперименты, такие как наблюдение резонансной моды при воспроизведении высокочастотного альтернативного тока или количественная оценка отклонения кантилевера для обеспечения калибровки МЭМС-устройства с упакованной колонной.