Compact numérique Holographic Microscope pour les MEMS Inspection et caractérisation de Lens-moins
Summary
Nous présentons un système holographique numérique de réflexion compact (CDHM) pour l'inspection et la caractérisation des dispositifs MEMS. Une conception de lentille moins en utilisant une onde d'entrée divergente fournissant un grossissement géométrique naturelle est démontrée. Des études à la fois statiques et dynamiques sont présentées.
Abstract
A micro-electro-mechanical-system (MEMS) is a widely used component in many industries, including energy, biotechnology, medical, communications, and automotive. However, effective inspection and characterization metrology systems are needed to ensure the functional reliability of MEMS. This study presents a system based on digital holography as a tool for MEMS metrology. Digital holography has gained increasing attention in the past 20 years. With the fast development and decreasing cost of sensor arrays, resolution of such systems has increased broadening potential applications. Thus, it has attracted attention from both research and industry sides as a potential reliable tool for industrial metrology. Indeed, by recording the interference pattern between an object beam (which contains sample height information) and a reference beam on a CCD camera, one can retrieve the quantitative phase information of an object. However, most of digital holographic systems are bulky and thus not easy to implement on industry production lines. The novelty of the system presented is that it is lens-less and thus very compact. In this study, it is shown that the Compact Digital Holographic Microscope (CDHM) can be used to evaluate several characteristics typically consider as criteria in MEMS inspections. The surface profiles of MEMS in both static and dynamic conditions are presented. Comparison with AFM is investigated to validate the accuracy of the CDHM.
Introduction
Métrologie des micro et nano objets est d'une grande importance pour l'industrie et les chercheurs. En effet, la miniaturisation des objets représente un nouveau défi pour la métrologie optique. systèmes micro électro mécaniques (MEMS) sont généralement définies a miniaturisé les systèmes électromécaniques et comprend généralement des composants tels que des micro capteurs, micro actionneurs, de la microélectronique et des microstructures. Il a trouvé de nombreuses applications dans le domaine diversifié tels que la biotechnologie, la médecine, la communication et de détection 1. Récemment, la complexité croissante ainsi que la miniaturisation progressive de l'objet de test dispose d'appel pour le développement de techniques de caractérisation appropriées pour MEMS. Fabrication à haut débit de ces microsystèmes complexes nécessite la mise en oeuvre des techniques de mesure en ligne de pointe, afin de quantifier les paramètres caractéristiques et les défauts liés provoqués par les conditions du procédé 2. Par exemple, la déviation géométrique paramparamè- dans un dispositif MEMS affecte les propriétés du système et doit être caractérisée. En outre, l'industrie a besoin de haute performance de mesure de la résolution, comme le plein trois dimensions (3D) la métrologie, un grand champ de vue, la résolution de l'imagerie haute, et analyse en temps réel. Ainsi, il est essentiel d'assurer un contrôle de la qualité et de processus d'inspection fiable. En outre, il exige que le système de mesure d'être facilement réalisable sur une ligne de production et donc relativement compact pour être installé sur les infrastructures existantes.
Holographie, qui a été introduite par Gabor 3, est une technique qui permet la récupération de l'information quantitative complète d'un objet en enregistrant l'interférence entre une référence et une onde objet dans un support photosensible. Pendant ce processus, connu comme l'enregistrement, l'amplitude, la phase et la polarisation d'un champ sont stockés dans le milieu. Ensuite, le champ d'onde objet peut être récupéré en envoyant le faisceau de référence sur le moidium, un processus connu sous le nom de lecture optique de l'hologramme. Etant donné qu'un détecteur classique enregistre uniquement l'intensité de l'onde, l'holographie a été un sujet de grand intérêt au cours des cinquante dernières années, car il donne accès à des informations supplémentaires sur le champ électrique. Cependant, plusieurs aspects de l'holographie classique rendent impraticable pour les applications de l'industrie. En effet, les matériaux photosensibles sont coûteux et le processus d'enregistrement nécessite généralement un degré élevé de stabilité. Les progrès réalisés dans les capteurs de la caméra haute résolution tels que les dispositifs couplés chargés (CCD) ont ouvert une nouvelle approche pour la métrologie numérique. Une de ces techniques est connu comme holographie numérique 4. Holographie numérique (DH), l'hologramme est enregistré sur une caméra (support d'enregistrement) et des procédés numériques sont utilisés pour reconstituer les informations de phase et d'intensité. Comme avec l' holographie classique, le résultat peut être obtenu après deux procédures principales: l'enregistrement et de reconstruction comme le montre la Fifigure 1. Cependant, si l'enregistrement est similaire à l' holographie classique, la reconstruction est seulement 5 numérique. Le processus de reconstruction numérique est représentée sur la figure 2. Deux procédés sont impliqués dans le processus de reconstruction. Tout d'abord, le champ d'onde objet est récupéré à partir de l'hologramme. L'hologramme est multiplié par une onde de référence numérique pour obtenir le front d'onde objet au niveau du plan de l'hologramme. En second lieu, l'objet de front d'onde complexe est numériquement propagée au plan de l'image. Dans notre système, cette étape est réalisée en utilisant la méthode de convolution 6. Le champ reconstruit obtenu est une fonction complexe et ainsi la phase et l'intensité peuvent être extraites de fournir des informations quantitatives sur la hauteur de l'objet d'intérêt. La capacité de l'ensemble de stockage d'informations de champ dans la méthode de l'holographie et l'utilisation de la technologie informatique pour le traitement rapide des données offrent une plus grande flexibilité dans la configuration expérimentale et d'augmenter de manière significative le speed du processus expérimental, ouvrant de nouvelles possibilités de développer DH comme un outil métrologique dynamique pour les MEMS et les micro-systèmes 7,8.
L' utilisation de l' holographie numérique imagerie de contraste de phase est maintenant bien établie et a été présenté il y a plus de dix ans 9. En effet, la recherche de dispositifs microscopiques en combinant holographie numérique et la microscopie a été réalisée dans de nombreuses études 10, 11, 12, 13. Plusieurs systèmes basés sur la cohérence élevée 14 et à faible cohérence 15 sources, ainsi que différents types de géométrie 13, 16, 17 (en ligne, hors axe, chemin commun …) ont été présentés. En outre, dans la ligne holographie numérique a été utilisé précédemment dans la caractérisation du dispositif MEMS 18, 19. Cependant, ces systèmes sont généralement difficiles à mettre en œuvre et encombrants, ce qui les rend impropres à des applications industrielles. Dans cette étude, nous proposons un système compact, simple et lentille libre basé sur axi offs holographie numérique capable de MEMS en temps réel l'inspection et la caractérisation. Le microscope Compact Holographic Digital (CDHM) est une lentille moins système holographique numérique développé et breveté pour obtenir la morphologie 3D des objets spéculaires micro-taille. Dans notre système, un 10 mW, très stable, à température contrôlée diode laser fonctionnant à 638 nm est couplé dans une fibre monomode. Comme on le voit sur la figure 3, le faisceau divergent issu de la fibre est divisée en une référence et un faisceau objet par un diviseur de faisceau. Le trajet du faisceau de référence comprend un miroir incliné pour réaliser la géométrie de l'axe d'arrêt. Le faisceau objet est dispersée et réfléchie par l'échantillon. Les deux faisceaux interfèrent sur le CCD donnant l'hologramme. Le motif d'interférence sur l'image imprimée est appelé un transporteur spatial et permet la récupération des informations quantitatives en phase avec une seule image. La reconstruction numérique est effectuée en utilisant une transformée de Fourier commune et de l'algorithme de convolution comme stated précédemment. La configuration de la lentille moins présente plusieurs avantages qui rend attrayant. Comme aucune des lentilles sont utilisées, le faisceau d'entrée est une onde divergente fournissant un grossissement géométrique naturel, améliorant ainsi la résolution du système. De plus, il est exempt d'aberrations rencontrées dans les systèmes optiques typiques. Comme on peut le voir sur la figure 3B, le système peut être rendu compact (55x75x125 mm 3), légère (400 g), et peut donc être facilement intégré dans des lignes de production industrielle.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dans cette revue, nous fournissons un protocole pour récupérer avec précision la morphologie quantitative des différents dispositifs MEMS en utilisant un système compact reposant sur l'holographie numérique. MEMS caractérisation en mode statique et dynamique est démontrée. données 3D quantitative d'un micro MEMS de canal est obtenue. Afin de valider la précision du système, les résultats ont été comparés entre le CDHM et l'AFM. Un bon accord est trouvé ce qui signifie que l'holographie n…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors have no acknowledgements.
Materials
| 2 MP Camera | Imaging Source | DMX 41BU02 | used to record the hologram. 4.65 microns pixel size |
| Motorized X,Y,Z Translation Stage | Zaber Technology | TLS28-M | Holder for the system |
| Beam splitter | Edmund optics | 49-003 | Cube Beam splitter. Separate and recombine the object and reference beam |
| Laser | Micro Laser Systems, Inc. | SRT-F635S-20/OSYS | Diode laser |
| Mirror | Edmund Optics | #43-412-566 | 1" Dia. Protected Gold, λ/20 Flat Zerodur |
| monomode Fiber | Thorlabs | S405-XP | Single Mode Optical Fiber, 400 – 680 nm, Ø125 µm Cladding |
| Sample holder | Edmund Optics | #39-930 | Ideal Positioning Platform,±35mm Travel in Both X and Y |
| Hotplate | Thermolyne Mirak hotplate | Barnstead International HP72935-60 | temperature range 40-370 °C |
| Holoscope Software | d'Optron Pte Ltd | NA | software developed by the NTU researchers |
References
- Maluf, N. An introduction to Microelectromechanical Systems. Artech House. Boston (2002).
- Novak, E. MEMS metrology techniques. Proc. SPIE. 5716, 173 – 181 , doi:10.1117/12.596989 (2005).
- Gabor, D. A New Microscopic Principle. Nature. 161 (4098), 777 – 778 (1948).
- Schnars, U.,Jüptner, W. Direct recording of holograms by a CCD target and numerical reconstruction. Appl. Opt. 33 (2), 179 – 181 (1994).
- Schnars, U.,Jüptner, W. Digital recording and numerical reconstruction of holograms. Meas. Sci. Technol. 13 (9), R85 – R101 (2002).
- Pedrini, G., Schedin, S., Tiziani, H. Lensless digital holographic interferometry for the measurement of large objects. Opt. Commun. 171 (1-3), 29 – 36 (1999).
- Dubois, F., Joannes, L., Legros, J.C. Improved three-dimensional imaging with a digital holography microscope with a source of partial spatial coherence. Appl. Opt. 38 (34), 7085 – 7094 (1999).
- Lei,X., Xiaoyuan, P., Jianmin, M., Asundi, A.K. Studies of digital microscopic holography with applications to microstructure testing. Appl. Opt. 40 (28), 5046 – 5051 (2001).
- Cuche, E., Bevilacqua, F., Depeursinge, C. Digital holography for quantitative phase-contrast imaging. Opt. Lett. 24 (5), 291-293 (1999).
- Qu,W.,Yu,Y.,Chee Oi,C.,Raj Singh,V.,Asundi,A., Quasi-physical phase compensation in digital holographic microscopy. J. Opt. Soc. Am. A26 (9), 2005 – 2011 (2009).
- Schedin, S., Pedrini, G., Tiziani, H. J., Santoyo, F.M. Simultaneous three-dimensional dynamic deformation measurements with pulsed digital holography. Appl. Opt. 38 (34), 7056-7062 (1999).
- Lei,X., Xiaoyuan, P., Jianmin, M., Asundi, A.K. Development and validation of digital microholo interferometric system for micromechanical testing. Proc. SPIE. 4778, 11-20 (2002).
- Qu, W., Bhattacharya, K., Choo, C.O., Yu, Y., Asundi, A. Transmission digital holographic microscopy based on a beam-splitter cube interferometer. Appl. Opt. 48 (15), 2778-2783 (2009).
- Potcoava, M. C., Kim, M. K. Fingerprint biometry applications of digital holography and low-coherence interferography. Appl. Opt. 48 (34), H9-H15 (2009).
- Kolman,P., Chmelìk, R. Coherence-controlled holographic microscope. Opt. Express. 18 (21), 21990-22003 (2010).
- Lee, M., Yaglidere, O., Ozcan, A. Field-portable reflection and transmission microscopy based on lensless holography. Biomed. Opt. Express. 2 (9), 2721-2730 (2011).
- Mico, V., Zalevsky, Z., Garcìa, J. Common-path phase-shifting digital holographic microscopy: a way to quantitative phase imaging and superresolution. Opt. Commun. 281 (17), 4273-4281 (2008).
- Singh, V.R., Miao, J., Wang, Z., Hedge, G.M., Asundi, A. Dynamic characterization of MEMS diaphragm using time averaged in-line digital holography. Opt. Commun. 280 (2), 285-290 (2007).
- Singh, V.R., Anderi, A., Gorecki, C., Nieradko,L., Asundi, A. Characterization of MEMS cantilevers lensless digital holographic microscope. Proc. SPIE. 6995, 69950F-1 (2008).
- Schmidt, J.D. Numerical Simulation of Optical Wave Propagation with Examples in MATLAB.SPIE PRESS BOOK. (2010).
- Zhao, M., Huang, L., Zhang, Q.C., Su, X.Y., Asundi, A., Qian K.M. Quality-guided phase unwrapping technique: comparison of quality maps and guiding strategies. Appl. Opt. 50 (33), 6214-6224 (2011).
- Wang, Z., Qu, W., Yang, F., Wen, Y., Asundi, A. A new autofocus method based on angular spectrum method in digital holography. Proc. SPIE. 9449, 2-7 (2015).
