MEMS 검사 및 특성화를위한 소형 렌즈가없는 디지털 홀로그램 현미경
Summary
우리는 MEMS 장치의 검사 및 특성화를위한 소형 반사 디지털 홀로 그래픽 시스템 (CDHM)을 제시한다. 자연의 기하학적 배율을 제공 발산 입력 파를 사용하는 렌즈없는 디자인이 설명된다. 모두 정적 및 동적 연구가되게됩니다.
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
마이크로 및 나노 물체의 계측 업계와 연구자 모두에게 매우 중요하다. 사실, 개체의 소형화는 광학 계측을위한 새로운 도전을 나타냅니다. 일반적으로 정의 된 마이크로 전자 기계 시스템 (MEMS)은 전자 기계 시스템을 소형화 일반적으로 마이크로 센서, 마이크로 액츄에이터, 마이크로 전자 및 마이크로와 같은 구성 요소를 포함하고있다. 여기에는 생명 공학, 의학, 통신, 1 감지 등 다양한 분야에서 많은 응용 프로그램을 발견했다. 최근, 증가하는 복잡성뿐만 아니라 테스트 객체의 미세화에 적합한 특성 MEMS 기술의 발달에 대한 호출을 특징으로한다. 이러한 복잡한 마이크로 시스템의 고 스루풋 특성은 제조 변수와 공정 조건 (2)에 의한 관련 결함을 정량화 고급 인라인 측정 기술의 구현을 필요로한다. 기하학적 PARAM의 예를 들면, 편차멤스 장치 eters는 시스템 특성에 영향을 미치는 특징되어야한다. 또한, 업계는 전체 세 가지 차원 (3D) 계측,보기, 높은 영상 해상도의 대형 과학 ELD, 실시간 분석과 같은 높은 해상도의 측정 성능을 필요로한다. 따라서, 품질 관리 검사 공정 신뢰성을 보장하기 위해 필수적이다. 또한, 기존의 인프라 스트럭처에 설치 될 생산 라인에서 용이하게 구현 가능하고, 따라서 상대적으로 컴팩트하게 측정 시스템을 필요로한다.
제 가버 (3)에 의해 도입 된 홀로그램은, 기준 및 감광 매체의 물체 웨이브 사이의 간섭을 기록하여 객체의 전체 정량적 정보의 복구를 허용하는 기술이다. 기록으로 알려진이 과정에서, 필드의 진폭, 위상 및 편광은 상기 매체에 저장된다. 다음 객체 파 필드는 저에 참조광을 전송하여 회수 할 수있다dium, 홀로그램의 광학적 판독 알려진 방법. 종래의 검출기 만 전파의 강도를 기록하기 때문에, 홀로그램은 전계에 대한 추가 정보에 액세스 할 수 있기 때문에 지난 50 년 동안 많은 관심의 대상이되어왔다. 그러나, 종래의 홀로그래피의 여러 측면은 산업 애플리케이션에 비실합니다. 실제로, 감광성 재료는 고가이며, 기록 공정은 일반적으로 고도의 안정성을 요구한다. 이러한 충전 결합 소자 (CCD)와 같은 고해상도 카메라 센서의 발전은 디지털 계측에 대한 새로운 접근 방식을 열었습니다. 이러한 기술 중 하나는 디지털 홀로그래피 (4)로서 알려져있다. 디지털 홀로그래피 (DH)에있어서, 홀로그램 카메라 (기록 매체)에 기록하는 수치 프로세스는 위상 및 세기 정보를 재구성하는데 사용된다. 인터넷에 도시 된 바와 같이 기록 재 : 종래 홀로그래피와 같이, 그 결과는 두 가지 절차 후에 얻을 수있다녹음이 기존의 홀로그래피 유사한 경우 gure 1. 그러나, 재건은 5 만 숫자입니다. 수치 재구성 처리는도 2에 도시되어있다. 두 방법은 재구성 프로세스에 참여한다. 우선, 오브젝트 파 필드 홀로그램로부터 검색된다. 홀로그램은 홀로그램면에있는 객체의 파면을 얻을 수있는 수치 기준 파형과 곱합니다. 둘째, 복잡한 객체 파면 수치 화상면에 전파된다. 우리의 시스템에서,이 단계는 회선 방법 6을 이용하여 수행된다. 얻어진 재구성 필드는 복소 함수 따라서 위상 및 강도가 관심의 대상에 정량적 높이 정보를 제공하는 추출 할 수있다. 홀로그래피 방식에서 전체 파이 ELD 정보 기억 능력 및 빠른 데이터 처리를위한 컴퓨터 기술의 사용은 실험 구성의 유연성을 제공하며, 상당히 속도 시간을 증대새로운 가능성을 열어 실험 과정의 d를, MEMS 및 마이크로 시스템 7, 8에 대한 동적 계량 도구로 DH를 개발.
위상차 영상 디지털 홀로그래피의 사용은 지금 잘 설립하고 첫 번째 10 년 이상 전 9 제시했다. 실제로 디지털 홀로그래피와 현미경을 조합하여 미세 소자의 조사 많은 연구 10, 11, 12, 13에서 수행되었다.이 높은 코 히어 런스 (14) 및 저 간섭 15 소스에 기초하여 여러 시스템뿐만 아니라 구조 (13) (16)의 다른 유형 17 (줄, 축, 일반적인 경로 떨어져 …) 제시되었다. 또한, 라인 디지털 홀로그래피는 MEMS 디바이스 (18, 19)의 특성화 이전에 사용되어왔다. 그러나, 이러한 시스템은 일반적으로 구현이 어렵고 부피가 산업용 애플리케이션에 적합하지 않다. 본 연구에서는 오프 AXI 기반으로하는 무료, 컴팩트 간단하고 렌즈 시스템을 제안한다실시간 MEMS 검사 및 특성에 대한 디지털 홀로그래피는 할 수에요. 컴팩트 디지털 홀로그램 현미경 (CDHM)는 렌즈 적은 디지털 홀로그래피 시스템 개발 및 마이크로 크기의 반사 물체의 3 차원 형태를 얻기 위해 특허이다. 우리의 시스템, 10 mW의에서는 매우 안정 638 nm에서 동작하는 온도 제어 다이오드 레이저는 단일 모드 광섬유로 연결된다. 도 3에 도시 된 바와 같이, 광섬유에서 발산하는 발산 빔은 빔 스플리터에 의해 기준 및 오브젝트 빔으로 분할된다. 참조광 경로는 오프 축 형상을 실현하는 경사 거울을 포함한다. 대상 빔이 산란되어 시료에 의해 반사된다. 두 빔이 홀로그램을 CCD에주는 간섭. 이미지 상에 인쇄 된 간섭 줄무늬는 공간 캐리어 불리는 단 하나의 이미지와 정량적 위상 정보의 복구를 허용한다. 수치 재구성 공통 푸리에 변환 및 역 같은 컨벌루션 알고리즘을 사용하여 수행이전 테드. 렌즈가없는 구성은 매력적 여러 가지 장점을 갖는다. 어떤 렌즈를 사용하지 않는 바와 같이, 입력 빔이 발산 파 자연 기하학적 인 배율을 제공함으로써, 시스템의 해상도를 향상시키는 것이다. 또한, 일반적인 광학계에서 발생하는 수차의 자유이다. 도 3b에서 알 수있는 바와 같이, 시스템은 컴팩트 (55x75x125 mm 3), 경량 (400g)을 만들 수 있고, 따라서 용이하게 공업 생산 라인에 통합 될 수있다.
Protocol
Representative Results
Discussion
본 검토에서는 정확하게 디지털 홀로그래피에 의존 컴팩트 한 시스템을 사용하여 다른 MEMS 디바이스의 형태를 정량적으로 회수 할 수있는 프로토콜을 제공한다. 정적 및 동적 두 모드에서 MEMS 특성이 설명된다. 마이크로 채널 MEMS 정량 3D 데이터가 얻어진다. 시스템의 정확성을 검증하기 위해, 결과 CDHM 및 AFM을 비교 하였다. 좋은 계약은 디지털 홀로그래피는 3D 영상에 대한 신뢰할 수있는 기?…
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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