Компактный объектив менее цифровой голографический микроскоп для MEMS осмотра и определения характеристик
5 июля 2016 г.
Мы представляем компактное отражение цифровой голографической системы (CDHM) для проверки и определения характеристик устройств МЭМС. Линза-менее дизайн с использованием расходящийся входной волны обеспечивая естественную геометрическую увеличение демонстрируется. Как статические, так и динамические исследования представлены.
Общая цель данной процедуры заключается в тестировании микроэлектромеханических структур, предназначенных для статического и динамического применения, с использованием полнопольных оптических измерений, сочетающих вычислительные и экспериментальные методы. Этот метод позволяет ответить на ключевые вопросы полупроводниковой промышленности и, в частности, в области инспекции микроэлектромеханических систем, например, при определении механических свойств структур МЭМС на различных этапах производства. Основным преимуществом данного метода является то, что он является полнопольным, бесконтактным, работает в режиме реального времени, обладает высоким разрешением и обеспечивает получение полностью количественной 3D-карты отражающего объекта.
Система была создана без использования линз и, следовательно, является очень компактной. Таким образом, данный метод может дать представление о характеристиках МЭМС. Он также может быть использован для контроля пластин или эталонного тестирования оптики.
При использовании прозрачной геометрии установки также становится возможным исследование микрооптики, дифракционной оптики или даже проведение биовизуализации. В данной процедуре используется компактный цифровой голографический микроскоп (CDHM) для характеризации микроэлектромеханической системы или MEMS-устройства. В рамках данной демонстрации будет проведена характеризация кремниевой пластины площадью 11 квадратных миллиметров с квадратными золотыми электродами, расположенными с шагом 0,25 миллиметра.
С помощью пинцета поместите образец МЭМС на держатель образца. Отрегулируйте положение держателя 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 мм.
Расположите систему вертикально на расстоянии примерно 1.5 сантиметров от образца и приступите к настройке программного обеспечения 3D View. Этот пакет был разработан на C+. Начните с нажатия на иконку зеленого квадрата для выбора устройства видеозахвата. В выпадающем меню выберите камеру-источник изображения DMx 41BU02.
Затем в разделе «Настройки устройства» (Device Settings) выберите опцию «Формат видео Y800» (Y800 Video Format) и установите частоту захвата 15 Frames Per Second. Нажмите OK и запустите камеру с помощью желтой кнопки воспроизведения. Должно появиться изображение образца в режиме реального времени.
На экране должно отображаться изображение образца с дефокусировкой. При необходимости отрегулируйте время экспозиции и контрастность изображения. Теперь максимально точно центрируйте образец и перейдите в меню Settings.
Там установите тип системы (System Type) на «Отражение» (Reflection) или «Пропускание» (Transmission). Убедитесь, что длина волны лазера установлена на 633 nm, размер пикселя камеры — на 4,650 nm, а увеличение составляет в 2 раза. Затем выберите алгоритм реконструкции свертки (Convolution Reconstruction) и установите расстояние реконструкции (Reconstruction Distance) на 100 mm, а шаг реконструкции (Reconstruction Step) на 1.
Расстояние реконструкции можно изменить позже, чтобы добиться четкого фокуса на изображении интенсивности, в то время как параметр Step указывает, сколько раз выполняется операция свертки для имитации распространения пучка. Этот параметр можно изменять для точной настройки расстояния реконструкции на изображении интенсивности. Наконец, в параметрах Post Processing установите алгоритм Unwrapping на опцию Quality mapped.
Убедитесь, что для параметров фильтра интенсивности (Intensity filter) и фильтра фазы (Phase filter) установлено значение None. Затем нажмите OK. Начните с запуска программного обеспечения 3D View и открытия окна спектра Фурье. Если спектры нулевого, первого положительного и первого отрицательного порядков не отображаются, проверьте, находится ли образец под лучом красного лазера.
Отражение лазера от образца хорошо заметно. Теперь выключите режим измерения в реальном времени и с помощью инструмента фильтрации выберите один из порядков дифракции. Выделите область, достаточно большую, чтобы она охватывала все частоты, необходимые для восстановления фазы.
Выберите опцию SET, чтобы применить фильтр. Затем перезапустите режим измерения в реальном времени. После выбора и при активном режиме визуализации откройте окно Phase и убедитесь, что режим развертки (unwrapped mode) отключен.
Затем отрегулируйте вертикальный столик, чтобы уменьшить количество полос на фазовом изображении, пока не останется только одна или две полосы. Давайте системе стабилизироваться после каждого перемещения столика. Для поиска оптимального расстояния реконструкции используйте функцию автоматической фокусировки.
Для достижения оптимального расстояния реконструкции может потребоваться несколько этапов повторной фокусировки. В конечном итоге изображение должно стать четким и резким. Если автоматическая фокусировка не дает наилучшего результата, можно произвести точную настройку фокуса с помощью ползунка фокусировки.
Для очень точной настройки фокуса в параметрах можно изменить шаг реконструкции (Reconstruction Step). Когда изображение подготовлено, включите режим развертки (unwrapped mode), чтобы увидеть изображение развернутой фазы. В программном обеспечении 3D View откройте окно 3D-изображения, чтобы увидеть итоговое изображение образца, и воспользуйтесь доступными инструментами настройки изображения для анализа результата.
На изображении с развернутой фазой выберите значок линейки и проведите линию по интересующей области, чтобы получить график поперечного сечения в окне линейного графика. Теперь в окне линейного графика используйте два зеленых линейных маркера, чтобы определить приблизительную высоту объекта. Чтобы расположить окна для одновременного просмотра, выберите опцию «Расположить окна плиткой» (Tile Windows).
Шероховатость поверхности также может быть рассчитана на плоской части образца с помощью программного обеспечения MATLAB. Сохраните итоговое фазовое изображение в формате растрового изображения для последующего просмотра в других программах. Чтобы подготовить образец к динамическому анализу, поместите его на предметный столик для проведения анализа.
В данном случае образцом является микродиафрагма. Подключите электроды образца к зажимам-«крокодилам» генератора. Следуя описанным процедурам, запишите голограмму микродиафрагмы при комнатной температуре для последующего сравнения.
Нажмите на значок Delta, чтобы удалить начальную фазу и наблюдать только деформацию. Затем включите генератор постоянного тока и постепенно увеличивайте напряжение от 0 до 12 вольт, делая снимки фазовых карт с шагом в 1 вольт. После этого с помощью простого кода MATLAB постройте график различных деформаций фазовых карт на одном рисунке, чтобы лучше рассмотреть общую деформацию и охарактеризовать деформацию MEMS под воздействием электрической нагрузки.
Для характеристики устройства МЭМС, как описано выше, была использована система CDHM с одномодовым волокном, соединенным с диодным лазером, работающим на длине волны 633 нанометра. Пути объектного и опорного пучков были согласованы для получения голографического изображения устройства МЭМС. Желтая линия обозначает положение сечения образца, а две зеленые маркерные линии использовались для оценки высоты образца.
Для проверки результатов цифровой голографической системы для измерения высоты была использована атомно-силовая микроскопия для измерения той же структуры. Разница в высоте между измерением с помощью атомно-силового микроскопа и измерением с помощью CDHM составила 2.1 nanometers. Электрод MEMS, изготовленный с использованием процесса лифт-офф, подвержен вариациям морфологии образца, которые требуют количественной оценки.
Для этой цели с использованием описанного протокола была построена карта деформаций. График в другом измерении показывает, что с помощью данной системы также можно наблюдать шероховатость поверхности электрода. В динамической системе при повышении температуры от 50 до 300 °C измерялись морфологические изменения в микродиафрагме, изготовленной путем прикрепления тонкой пластины к образцу пластины SOI.
Эта термическая деформация была затем обобщена на линейном графике, представляющем поперечный вид различных состояний деформации. После просмотра этого видео у вас должно появиться четкое представление о том, как настроить систему и проводить морфологические исследования отражающих образцов, включая построение 3D-профиля, карт деформации и определение шероховатости поверхности. После обучения любой пользователь сможет использовать данное программное обеспечение и систему, что позволит легко внедрить их в производственные цепочки и передать управление техническому персоналу.
При выполнении данной процедуры важно помнить о необходимости размещения образца на правильном расстоянии от системы. Это критически важный этап, который существенно влияет на конечные результаты.
После разработки эта методика позволила исследователям в области оптической и электротехники классифицировать поведение образцов МЭМС в статических и динамических условиях. Следуя данной процедуре, можно проводить другие эксперименты, такие как наблюдение резонансного режима при подаче высокочастотного переменного тока или количественное определение прогиба консоли, чтобы обеспечить калибровку МЭМС-устройства с упакованной колонкой.
Просмотрите полный транскрипт и получите доступ к тысячам научных видео
Обзор
В данной статье представлена компактная цифровая голографическая система с отраженным лучом (CDHM), предназначенная для контроля и характеризации устройств МЭМС. Безлинзовая конструкция использует расходящуюся входную волну, что обеспечивает естественное геометрическое увеличение как для статических, так и для динамических исследований.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Микроэлектромеханические системы (МЭМС)
- Методы оптических измерений
- Характеристика механических свойств
Теоретическая часть
- Полупроводниковая промышленность требует точных методов контроля МЭМС.
- Характеристика структур МЭМС имеет решающее значение на различных этапах производства.
- Полнопольные бесконтактные методы обеспечивают получение данных с высоким разрешением.
- Компактные системы повышают удобство использования в различных приложениях.
Цель исследования
- Разработка метода тестирования МЭМС в статическом и динамическом режимах применения.
- Получение количественных 3D-карт отражающих объектов.
- Совершенствование контроля качества пластин и референсного тестирования оптики.
Используемые методы
- Оптические полнопольные измерения
- Вычислительные и экспериментальные методы
- Безлинзовая конструкция для обеспечения компактности
- Сбор данных в режиме реального времени
Основные результаты
- Успешная демонстрация безлинзовой голографической системы.
- Высокоразрешающая характеристика МЭМС-структур.
- Получение данных о механических свойствах в режиме реального времени в процессе изготовления.
- Потенциальные области применения в инспекции пластин и тестировании оптики.
Выводы
- CDHM обеспечивает новый подход к определению характеристик МЭМС.
- Данный метод обладает преимуществами с точки зрения компактности и возможностей измерения.
- Этот метод может оказать значительное влияние на процессы производства полупроводников.
Часто задаваемые вопросы
Значимость для промышленности
Этот компактный цифровой голографический микроскоп позволяет осуществлять бесконтактное полнопольное 3D-профилирование поверхности устройств MEMS, обеспечивая функциональную валидацию на ранних стадиях производства в полупроводниковой и биотехнологической промышленности. Предоставляя количественные данные о высоте и деформации в статических и динамических условиях, он снижает зависимость от деструктивных методов метрологии или методов с низкой пропускной способностью, ускоряя итерации проектирования и контроль технологических процессов. Его безлинзовый компактный форм-фактор облегчает интеграцию в производственную среду для мониторинга критических параметров MEMS в режиме реального времени.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Ранние этапы поиска и валидация мишени
- Научная ценность: позволяет исследовать структурное поведение МЭМС под воздействием электрической или тепловой нагрузки, что способствует функциональной проверке гипотез относительно микроактуаторов и датчиков.
- Практическая ценность: обеспечивает бесконтрастное картирование деформаций в режиме реального времени без подготовки образцов, сохраняя целостность устройства для проведения повторных измерений.
Скрининг и разработка анализа
- Научная ценность: обеспечивает количественные измерения фазы и высоты с нанометровым разрешением, что позволяет проводить точное сравнение вариантов конструкции MEMS при различных технологических условиях.
- Эксплуатационная ценность: поддерживает высокопроизводительный контроль массивов MEMS на уровне пластины благодаря большому полю зрения и высокой скорости получения изображений (15 fps).
Трансляционные и доклинические исследования
- Научная ценность: способствует установлению корреляции между характеристиками МЭМС и параметрами изготовления, помогая оценить риски при переходе от лабораторного масштабирования к опытному производству.
- Практическая ценность: позволяет проводить динамическую характеристику МЭМС при воздействии физиологически значимых стимулов (например, температуры, напряжения) для прогнозирования надежности в условиях эксплуатации.
Интеграция конвейеров и рабочих процессов
CDHM вписывается в непрерывный цикл разработки MEMS — от ранней валидации проекта до предрелизного скрининга, обеспечивая связующее звено между компьютерным моделированием и физической валидацией.
- Фундаментальная биология: обеспечивает проверку гипотез относительно механического отклика МЭМС, снижая неопределенность в понимании взаимосвязей между структурой и функцией на ранних этапах проектирования.
- Скрининг: позволяет проводить стандартизированное и воспроизводимое профилирование поверхности различных производственных партий, что улучшает прогнозирование выхода годных изделий и контроль технологического процесса.
- Аналитика: создает карты деформаций и показатели шероховатости, которые служат количественными конечными точками для сравнения итераций дизайна или изменений в техпроцессе.
- Трансляционные исследования: связывает лабораторную характеризацию МЭМС с готовностью к производству путем валидации рабочих характеристик в симулированных эксплуатационных условиях.
- Корпоративное использование: автоматизированный программный рабочий процесс, не зависящий от оператора, позволяет внедрить методику на нескольких площадках и в разных командах для обеспечения единообразия метрологических измерений.
Операционное и корпоративное влияние
- Научная ценность: Повышает точность прогнозирования при проектировании МЭМС за счет обеспечения прямого полнопольного подтверждения моделируемого механического поведения.
- Эксплуатационная ценность: Устраняет необходимость в сканировании с помощью зонда, что увеличивает пропускную способность и сокращает количество артефактов измерения на мягких или хрупких структурах МЭМС.
- Стратегическая ценность: Обеспечивает более раннее обнаружение дефектов изготовления, сокращая дорогостоящие сбои на поздних этапах и повышая эффективность использования капитала при разработке МЭМС.
- Влияние на портфель: Поддерживает принятие обоснованных решений о продолжении или прекращении разработки («go/no-go») путем количественной оценки ключевых показателей эффективности, таких как прогиб, однородность и целостность поверхности.
Особенности реализации
- Требуется опыт в области оптического выравнивания и принципов реконструкции цифровой голографии.
- Для надежных интерферометрических измерений необходима стабильная виброизолированная установка и когерентный лазерный источник (633 nm).
- Требуется межкомандная стандартизация настроек программного обеспечения (например, расстояния реконструкции, алгоритма развертки фазы) для обеспечения воспроизводимости результатов разными пользователями.
- Адаптация к режимам трансмиссионной или биовизуализации может потребовать переконфигурации держателя образца и геометрии освещения.
- Отражательная способность поверхности MEMS-устройства должна быть достаточной для генерации детектируемых интерференционных сигналов, что ограничивает применение метода отражающими или покрытыми структурами.
