Compact-Objektiv lose digitale holografische Mikroskop für MEMS-Inspektion und Charakterisierung
Summary
Wir präsentieren eine kompakte Reflexion digitale holografische System (CDHM) zur Inspektion und Charakterisierung von MEMS-Bauelementen. Ein linsenloses Design einen divergierenden Eingangswelle bietet natürliche geometrische Vergrößerung verwendet wird demonstriert. Sowohl statische als auch dynamische Studien vorgestellt.
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
Metrology von Mikro- und Nanoobjekten ist von großer Bedeutung für die Industrie und Forscher. Tatsächlich stellt die Miniaturisierung von Objekten eine neue Herausforderung für die optische Messtechnik. Mikroelektromechanische Systeme (MEMS) sind allgemein definiert elektromechanische Systeme miniaturisiert und in der Regel umfasst Komponenten wie Mikrosensoren, Mikroaktuatoren, Mikroelektronik und Mikrostrukturen. Es hat viele Anwendungen in vielfältigen Bereich wie Biotechnologie, Medizin, Kommunikation und Sensor 1 gefunden. Vor kurzem verfügt die zunehmende Komplexität sowie die fortschreitende Miniaturisierung der Testobjektaufruf für die Entwicklung geeigneter Charakterisierungstechniken für MEMS. Hoher Durchsatz Herstellung dieser komplexen Mikrosystemen erfordert die Einführung fortgeschrittener Inline – Messtechnik, zu charakteristischen Parameter zu quantifizieren und im Zusammenhang mit den Prozessbedingungen 2 verursachte Mängel. Beispielsweise wird die Abweichung der geometrischen parameter in einer MEMS-Einrichtung wirkt sich auf die Systemeigenschaften und hat gekennzeichnet. Darüber hinaus muss die Industrie hochauflösende Messleistung, wie volle drei Dimension (3D) Messtechnik, große Sichtfeld, hohe Bildauflösung und die Echtzeitanalyse. Daher ist es wichtig, eine zuverlässige Qualitätskontrolle und Inspektion zu gewährleisten. Außerdem erfordert es das Messsystem leicht implementierbare auf einer Produktionslinie zu sein und daher relativ kompakt auf bestehende Infrastrukturen installiert werden.
Holographie, die von Gabor zuerst eingeführt wurde 3 ist eine Technik , die die Wiederherstellung der vollständigen quantitative Informationen eines Objekts ermöglicht durch die Interferenz zwischen einem Referenzaufnahme und einer Objektwelle in einem lichtempfindlichen Medium. Während dieses Prozesses als Aufzeichnungs bekannt ist, werden die Amplitude, Phase und Polarisation eines Feldes in dem Medium gespeichert. Dann kann das Objekt Wellenfeld durch Senden des Referenzstrahls auf die mich zurückgewonnen werdendium, ein Prozess als optische Lesen des Hologramms bekannt. Da nur ein herkömmlicher Detektor die Intensität der Welle erfasst hat Holographie ein Thema von großem Interesse in den letzten fünfzig Jahren, seit es den Zugriff auf zusätzliche Informationen über das elektrische Feld gibt. Jedoch mehrere Aspekte der konventionellen Holographie machen es für Industrie-Anwendungen unpraktikabel. Tatsächlich sind lichtempfindliche Materialien teuer, und der Aufzeichnungsprozess erfordert im allgemeinen einen hohen Grad an Stabilität. Die Fortschritte in der hochauflösenden Kamera-Sensoren wie ladungsgekoppelte Vorrichtungen (CCD) haben einen neuen Ansatz für die digitale Messtechnik eröffnet. Einer dieser Techniken wird als digitale Holografie 4 bekannt. In der digitalen Holografie (DH) wird das Hologramm auf einer Kamera (Aufzeichnungsmedium) aufgezeichnet und numerische Verfahren verwendet werden, um die Phasen- und Intensitätsinformation zu rekonstruieren. Wie bei konventionellen Holographie, kann das Ergebnis nach zwei Hauptverfahren erhalten werden: die Aufzeichnung und Rekonstruktion , wie in Fi gezeigtAbbildung 1. Wenn jedoch die Aufzeichnung ähnlich der herkömmlichen Holographie ist, ist die Rekonstruktion nur numerische 5. Die numerische Rekonstruktionsprozess ist in Abbildung 2 dargestellt. Zwei Verfahren sind in den Wiederaufbauprozess beteiligt. Zunächst wird das Objekt Wellenfeld von dem Hologramm abgerufen. Das Hologramm wird mit einer numerischen Referenzwelle multipliziert, um die Objektwellenfront an der Hologrammebene zu erhalten. Zweitens wird die komplexe Objektwellenfront an der Bildebene numerisch propagiert. In unserem System wird dieser Schritt unter Verwendung des Faltungsverfahren 6 durchgeführt. Das rekonstruierte Feld erhalten wird, ist eine komplexe Funktion und somit Phase und Intensität auf das interessierende Objekt quantitative Höhe Bereitstellung von Informationen extrahiert werden. Die Fähigkeit der gesamten Feldinformationsspeicherung in Holographie-Verfahren und die Verwendung von Computertechnologie für schnelle Datenverarbeitung bieten mehr Flexibilität bei der experimentellen Konfiguration und signifikant die spee erhöhend des experimentellen Verfahren, neue Möglichkeiten eröffnen zu entwickeln DH als dynamisches messtechnische Werkzeug für MEMS und Mikrosysteme 7,8.
Die Nutzung der digitalen Holografie im Phasenkontrast – Bildgebung ist inzwischen gut etabliert und wurde zum ersten Mal mehr als zehn Jahren präsentierte vor 9. Tatsächlich Untersuchung mikroskopischer Geräte durch digitale Holografie und Mikroskopie kombiniert wurde in vielen Studien 10, 11, 12, 13. Mehrere Systeme auf Basis von hoher Kohärenz 14 und niedriger Kohärenz 15 Quellen sowie verschiedene Arten von Geometrie 13, 16, durchgeführt wurde 17 (in der Linie, von der Achse, gemeinsamen Weg …) vorgestellt wurden. Zusätzlich in Linie digitalen Holografie hat 18 in Charakterisierung von MEMS – Vorrichtung vorher verwendet wurde, 19. Jedoch, diese Systeme im Allgemeinen schwierig zu implementieren sind und sperrig, so dass sie für industrielle Anwendungen ungeeignet. In dieser Studie schlagen wir eine kompakte, einfache und Objektiv frei System basierend auf off axis digitale Holographie für die Echtzeit-MEMS-Inspektion und Charakterisierung der Lage. Die kompakte Digital Holographic-Mikroskop (CDHM) ist eine Linse weniger digitale holografische System entwickelt und patentiert, die 3D-Morphologie der Mikrogröße spiegelnde Objekte zu erhalten. In unserem System 10 mW, sehr stabile, temperaturgesteuerten Diodenlaser bei 638 nm arbeitet, wird in eine Monomode-Faser gekoppelt. Wie in Figur 3 gezeigt, wird der divergierende Strahl von der Faser ausgehende aufgeteilt in einen Referenz- und einen Objektstrahl durch einen Strahlteiler. Der Referenzstrahlengang umfasst einen Umlenkspiegel den außeraxialen Geometrie zu verwirklichen. Der Objektstrahl wird gestreut und von der Probe reflektiert wird. Die beiden Strahlen interferieren auf dem CCD, das Hologramm zu geben. Das Interferenzmuster auf das Bild aufgeprägt wird ein räumlicher Träger genannt und erlaubt die Rückgewinnung der quantitative Phaseninformation mit nur einem Bild. Die numerische Rekonstruktion wird wie sta eine gemeinsame Fourier-Transformation und Faltungsalgorithmusted zuvor. Die Linse lose Konfiguration hat mehrere Vorteile, die es attraktiv machen. Da keine Linsen verwendet werden, ist der Eingangsstrahl eine divergierende Welle eine natürliche geometrische Vergrßerung Bereitstellung und somit die Systemauflösung zu verbessern. Darüber hinaus ist sie frei von Aberrationen in optischen Systemen typisch auftreten. Wie in 3B zu sehen ist, kann das System kompakt (55x75x125 mm 3) hergestellt werden, leicht (400 g) und somit problemlos in industriellen Fertigungslinien integrierbar sind.
Protocol
Representative Results
Discussion
In diesem Beitrag stellen wir ein Protokoll, um genau die quantitative Morphologie verschiedener MEMS-Geräte durch die Verwendung eines kompakten Systems sich auf der digitalen Holografie erholen. MEMS Charakterisierung in statischen und dynamischen Modus wird demonstriert. Quantitative 3D-Daten eines Mikrokanal MEMS erhalten. Um die Genauigkeit des Systems zu bestätigen, wurden Ergebnisse zwischen dem CDHM und dem AFM verglichen. Eine gute Übereinstimmung wird, was bedeutet, dass gefunden digitalen Holografie eine z…
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 |
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