MEMS Muayene ve Karakterizasyonu için kompakt Lens az Dijital Holografik Mikroskop

Bu prosedürün genel amacı, hesaplamalı ve deneysel tekniklerle optik tam alan ölçümleri kullanarak, statik ve dinamik uygulamalarda kullanılacak mikro-elektro-mekanik yapıları test etmektir. Bu yöntem, yarı iletken endüstrisindeki temel soruların ve daha spesifik olarak, MEMS yapılarının üretiminin farklı aşamalarındaki mekanik özelliklerinin karakterizasyonu gibi mikro-elektro-mekanik sistem denetiminin cevaplanmasına yardımcı olabilir. Bu tekniğin temel avantajı; tam alan, temassız, gerçek zamanlı ve yüksek çözünürlüklü olmasıyla birlikte, yansıtıcı nesnenin tamamen nicel bir 3D haritasını sunmasıdır.

Sistem lenssiz olarak tasarlanmıştır ve bu nedenle oldukça kompakttır. Bu nedenle bu yöntem, MEMS karakterizasyonu hakkında bilgi sağlayabilir. Ayrıca gofret incelemesi veya optik referans testleri için de kullanılabilir.

Şeffaf bir geometriyle kurulduğunda, mikro optiklerin ve kırınımlı optiklerin incelenmesi veya biyolojik görüntüleme için kullanılması da mümkündür. Bu prosedür, bir mikro-elektromekanik sistem veya MEMS cihazını karakterize etmek için kompakt bir dijital holografik mikroskop (CDHM) kullanır. Bu gösterim için, her 0,25 milimetrede bir konumlandırılmış kare altın elektrotlara sahip 11 kare milimetrelik bir silikon wafer karakterize edilecektir.

Cımbız kullanarak, MEMS örneğini örnek tutucuya yerleştirin. Lazer ışınının elektrotları hedeflemesi için örnek tutucuyu ayarlayın. Mümkün olan en geniş görüş alanı kamera sensörü ile sınırlıdır ve bu durumda 2,3 x 1,8 milimetredir.

Sistemi örneğin yaklaşık 1,5 santimetre uzağına dikey olarak yerleştirin ve 3D View yazılımının kurulumuna geçin. Bu paket C+ ile geliştirilmiştir. Video görüntüleme cihazını seçmek için yeşil kutu simgesine tıklayarak başlayın. Açılır menüden DMx 41BU02 görüntüleme kaynak kamerasını seçin.

Ardından, Cihaz Ayarları altında, Y800 Video Formatı seçeneğini belirleyin ve yakalama hızını Saniyede 15 Kare olarak ayarlayın. Tamam'a basın ve sarı oynatma düğmesini kullanarak kamerayı başlatın. Numunenin canlı bir video görüntüsü ekranda belirmelidir.

Görüntülenen resim, örneğin bir odak dışı görüntüsü olmalıdır. Gerektiğinde görüntünün pozlama süresini ve kontrastını ayarlayın. Şimdi, örneği mümkün olduğunca merkezleyin ve Ayarlar seçeneklerine erişin.

Burada, Sistem Tipini Yansıma (Reflection) veya Geçirgenlik (Transmission) olarak ayarlayın. Lazerin dalga boyunun 633 nm, kameranın piksel boyutunun 4,650 nm ve büyütmenin 2 kat olarak ayarlandığını kontrol edin. Ardından, Konvolüsyon Rekonstrüksiyon (Convolution Reconstruction) algoritmasını seçin ve Rekonstrüksiyon Mesafesini 100 mm, Rekonstrüksiyon Adımını ise 1 olarak ayarlayın.

Yeniden yapılandırma mesafesi, yoğunluk görüntüsünü keskin bir odağa getirmek için daha sonra ayarlanabilir; Step parametresi ise ışın yayılımını simüle etmek için konvolüsyon işleminin kaç kez gerçekleştirileceğini belirtir. Bu parametre, yoğunluk görüntüsündeki yeniden yapılandırma mesafesini hassas bir şekilde ayarlamak için değiştirilebilir. Son olarak, Post Processing seçenekleri altından, Unwrapping algoritmasını Quality mapped seçeneğine ayarlayın.

Intensity (Şiddet) filtresi ve Phase (Faz) filtresi seçeneklerinin None (Yok) olarak ayarlandığından emin olun. Ardından, OK (Tamam) düğmesine basın. 3D View yazılımına erişerek ve Fourier spektrumu penceresini açarak başlayın. Bir adet sıfırıncı derece ve iki adet artı bir eksi bir derece spektrumu görünmüyorsa, numunenin kırmızı lazer ışınının altına yerleştirildiğini kontrol edin.

Lazer yansıması örnekten kolayca görülebilir. Şimdi, canlı ölçüm modunu durdurun ve filtre aracını kullanarak kırınımlı mertebelerden birini seçin. Faz geri kazanımı için gereken tüm frekansları kapsayacak kadar geniş bir alan seçin.

Filtreyi uygulamak için SET seçeneğini belirleyin. Ardından, canlı ölçüm modunu yeniden başlatın. Seçim yapıldıktan ve görüntüleme canlıyken, Faz penceresini açın ve açılmış (unwrapped) modun etkinleştirilmediğinden emin olun.

Ardından, faz görüntüsündeki saçak sayısını azaltmak için dikey sahneyi ayarlayarak yalnızca bir veya iki saçak kalmasını sağlayın. Her sahne hareketinden sonra sistemin ayarlanmasına izin verin. En iyi yeniden yapılandırma mesafesini bulmak için otomatik odaklama seçeneğini kullanın.

Optimal rekonstrüksiyon mesafesine ulaşmak için birkaç yeniden odaklama adımı gerekebilir. Sonuç olarak görüntü net ve belirgin hale gelmelidir. Otomatik odaklama en iyi sonucu vermiyorsa, odak kaydırıcı çubuk kullanılarak ince odaklama ayarları yapılabilir.

Çok hassas odak ayarları için, ayarlardaki Rekonstrüksiyon Adımı değiştirilebilir. Görüntü hazırlandığında, açılmış faz görüntüsünü görmek için açılmış modu etkinleştirin. 3D View yazılımında, örneğin nihai görüntüsünü görmek için 3D görüntü penceresini açın ve sonucu gözlemlemek için mevcut görüntü ayarlamalarını kullanın.

Açılmış faz görüntüsü üzerinde cetvel simgesini seçin ve çizgi grafiği penceresinde bir kesit grafiği elde etmek için ilgi alanına bir çizgi çizin. Şimdi, çizgi grafiği penceresinde, nesnenin yaklaşık yüksekliğini belirlemek için iki yeşil çizgi işaretleyicisini kullanın. Pencereleri eş zamanlı görüntüleme için düzenlemek üzere Pencereleri Döşe seçeneğini seçin.

Yüzey pürüzlülüğü, MATLAB yazılımı kullanılarak numunenin düz kısmı üzerinden de hesaplanabilir. Diğer yazılımlarda daha sonra incelenmek üzere nihai faz görüntüsünü bitmap olarak kaydedin. Numuneyi dinamik analize hazırlamak için, analiz amacıyla numune tablası üzerine yerleştirin.

Bu durumda, numune bir mikro diyaframdır. Numune elektrotlarını jeneratörün timsah klipslerine bağlayın. Açıklanan prosedürleri takip ederek, referans için mikro diyaframın ortam sıcaklığındaki hologramını kaydedin.

Başlangıç fazını kaldırmak ve böylece sadece deformasyonu gözlemlemek için Delta simgesine tıklayın. Ardından DC jeneratörünü açın ve her 1 voltluk artışta faz haritası görüntüleri alarak voltajı sıfırdan 12 volta kadar kademeli olarak artırın. Daha sonra, toplam deformasyonu daha iyi gözlemlemek için basit bir MATLAB kodu kullanarak farklı faz haritası deformasyonlarını tek bir grafikte çizin ve MEMS deformasyonunun elektriksel yüklemeye karşı karakterizasyonunu yapın.

Betimlendiği üzere, 633 nanometre dalga boyunda çalışan bir diyot lazere bağlı tek modlu bir fiber kullanılarak, bir MEMS cihazını karakterize etmek için bir CDHM sistemi kullanılmıştır. MEMS cihazının bir hologram görüntüsünü elde etmek için obje ışını ve referans ışını yolları eşleştirilmiştir. Sarı çizgi, numune üzerindeki kesit konumunu temsil etmekte olup, iki yeşil işaretleme çizgisi numune yüksekliğini tahmin etmek için kullanılmıştır.

Dijital holografik sistemin sonuçlarını doğrulamak için aynı yapıyı ölçmek üzere bir atom kuvvet mikroskobu kullanılmıştır. Atom kuvvet mikroskobu ölçümü ile CDHM ölçümü arasında 2,1 nanometrelik bir yükseklik farkı tespit edilmiştir. Lift-off işlemi kullanılarak üretilen bir MEMS elektrodu, nicelleştirilmesi gereken numune morfolojisi varyasyonuna tabidir.

Tanımlanan protokol kullanılarak, bu amaç için bir deformasyon haritası oluşturulmuştur. Diğer boyuttaki bir grafik, elektrodun yüzey pürüzlülüğünün de sistem kullanılarak gözlemlenebileceğini göstermektedir. Sıcaklığın 50 ile 300 derece Celsius arasında yükseldiği dinamik bir sistemde, bir SOI gofret örneği üzerine ince bir plakanın bağlanmasıyla üretilen bir mikro diyaframdaki morfolojik değişiklikler ölçülmüştür.

Bu termal deformasyon, daha sonra farklı deformasyon durumlarının kesit görünümünü gösteren bir çizgi grafiğinde özetlenmiştir. Bu videoyu izledikten sonra, sistemin nasıl kurulacağı ve 3D profil, deformasyon haritaları ve yüzey pürüzlülüğü gibi yansıtıcı numunelerle ilgili morfolojik çalışmaların nasıl yürütüleceği konusunda net bir anlayışa sahip olmalısınız. Eğitim alındıktan sonra, yazılım ve sistem herkes tarafından kullanılabileceği için üretim zincirlerine kolayca entegre edilebilir ve teknisyenler tarafından işletilebilir.

Bu prosedürü uygularken, örneği sistemden uygun mesafeye yerleştirmeyi hatırlamak önemlidir. Bu, kritik bir adımdır ve nihai sonuçlar üzerinde gerçek bir etkiye sahiptir.

Geliştirilmesinin ardından bu teknik, optik ve elektrik mühendisliği alanındaki araştırmacıların, MEMS örneklerinin statik ve dinamik koşullar altındaki davranışlarını kategorize etmelerine olanak sağlamıştır. Bu prosedürün ardından, paketlenmiş kolon MEMS cihazının kalibrasyonunu sağlamak amacıyla, yüksek frekanslı alternatif akım uygulanırken rezonans modunun gözlemlenmesi veya konsol sapmasının nicelleştirilmesi gibi diğer deneyler gerçekleştirilebilir.