Kompakt Lens-mindre Digital Holografisk mikroskop for MEMS inspeksjon og karakterisering

Summary

Vi presenterer en kompakt refleksjon digital holografisk system (CDHM) for inspeksjon og karakterisering av MEMS enheter. Et objektiv-mindre design ved hjelp av en divergerende innspill bølge gir naturlig geometrisk forstørrelsen er demonstrert. Både statiske og dynamiske studier er presentert.

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

Justervesenet av mikro- og nanoobjekter er av stor betydning for både industri og forskere. Faktisk, miniatyrisering av objekter representerer en ny utfordring for optisk metrologi. Mikroelektromekaniske systemer (MEMS) er generelt definert har miniatyrisert elektromekaniske systemer og omfatter vanligvis komponenter som mikrosensorer, mikro aktuatorer, mikroelektronikk og mikrostrukturer. Det har funnet mange programmer i ulike felt som bioteknologi, medisin, kommunikasjon og sensing ^en. Nylig har den økende kompleksiteten samt progressiv miniatyrisering av testobjekt inneholder anrop for utvikling av egnede karakteriseringsteknikker for MEMS. Høy gjennomstrømning produksjon av disse komplekse mikrosystemer krever gjennomføring av avanserte inline måleteknikker, for å kvantifisere karakteristiske parametre og relaterte mangler som skyldes prosessbetingelsene ^2. For eksempel, er avviket av geometriske parammeterne i et MEMS enhet påvirker systemegenskapene og må karakteriseres. I tillegg krever industrien høy oppløsning måling ytelse, for eksempel full tre dimensjon (3D) metrologi, store fi eld av utsikt, høy bildeoppløsning, og sanntids analyse. Således er det viktig å sikre en pålitelig kvalitetskontroll og inspeksjon prosess. Dessuten kreves det at målesystemet skal være lett implementeres på en produksjonslinje og således forholdsvis kompakt som skal installeres på eksisterende infrastrukturer.

Holografi, som først ble innført av Gabor ^3, er en teknikk som tillater utvinning av den fullstendig kvantitativ informasjon av et objekt ved å registrere interferens mellom en referanse og et objekt bølge inn i et lysfølsomt medium. Under denne prosessen er kjent som opptak, er amplituden, fasen og polarisering av et felt som er lagret i mediet. Deretter objektet bølgefeltet kan gjenvinnes ved å sende referansestrålen på megdium, en prosess som kalles optisk avlesning av hologrammet. Siden en konvensjonell detektor bare registrerer intensiteten på bølgen, har holografi vært gjenstand for stor interesse i de siste femti årene siden det gir tilgang til mer informasjon om det elektriske feltet. Men flere aspekter ved konvensjonell holografi gjør det upraktisk for industri applikasjoner. Faktisk fotografiske materialer er dyrt og innspillingsprosessen krever vanligvis en høy grad av stabilitet. Fremskritt i høy oppløsning kamerasensorer som belastet kombinert enheter (CCD) har åpnet en ny tilnærming for digital metrologi. En av disse teknikkene er kjent som digital holografi ^4. I digital holografi (DH), er hologrammet registrert på et kamera (opptaksmedium) og numeriske prosesser blir brukt til å rekonstruere den fase og intensitet informasjon. Som med vanlig holografi, kan resultatet oppnås etter to hovedtiltak: Opptak og gjenoppbygging som vist i Figur 1. Men hvis opptaket er lik konvensjonell holografi, er gjenoppbyggingen eneste numerisk ^5. Den numeriske gjenoppbyggingsprosessen er vist i figur 2. To fremgangsmåter er involvert i gjenoppbyggingen. For det første er gjenstand bølgefelt hentet fra hologrammet. Hologrammet er multiplisert med en numerisk henvisning bølge for å få objektet bølgefronten i hologramplanet. For det andre er det komplekse bølgefronten gjenstanden tallmessig overført til billedplanet. I vårt system, er dette trinnet utføres ved hjelp av konvolusjon metode ^6. Det rekonstruerte feltet erholdte er en kompleks funksjon og således fase og intensitet kan ekstraheres gi kvantitativ informasjon høyde på objektet av interesse. Evnen til hele fi eld lagring av informasjon i holografi metode og bruk av datateknologi for rask databehandling tilby mer fleksibilitet i eksperimentell konfigurasjon og en betydelig økning i hød av den eksperimentelle prosessen, åpne opp nye muligheter for å utvikle DH som en dynamisk måleteknisk verktøy for MEMS og mikrosystemer ^7,8.

Bruk av digitale holografi i fase kontrast bildebehandling er nå godt etablert og ble første gang presentert mer enn ti år siden ^9. Faktisk undersøkelse av mikroskopiske enheter ved å kombinere digital holografi og mikroskopi har blitt utført i mange studier ^{10, 11, 12, 13.} Flere systemer basert på høy koherens ¹⁴ og lav koherens ¹⁵ kilder samt ulike typer geometri ^{13, 16, 17} (i kø, off-aksen, felles vei …) har blitt presentert. I tillegg, i linje digital holografi har vært brukt tidligere i karakteriseringen av MEMS-innretningen ^{18, 19.} Imidlertid er disse systemer er generelt vanskelig å gjennomføre og plasskrevende, noe som gjør dem uegnet for industriell anvendelse. I denne studien foreslår en kompakt, enkel og objektiv fritt system basert på off axis digital holografi stand for sanntids MEMS inspeksjon og karakterisering. Den kompakte digital Holografisk mikroskop (CDHM) er en linse mindre digital holografisk system utviklet og patentert for å oppnå 3D morfologi av mikro-størrelse speil stedene. I vårt system, en 10 mW, meget stabil, temperaturstyrt diodelaser som opererer ved 638 nm er koplet til en monomodusfiber. Som vist i figur 3, er den divergerende stråle som utgår fra fiberen delt inn i en referanse og en objektstråle av en stråledeler. Referansestrålebanen består av en skråstilt speil for å realisere utenfor aksen geometri. Objektstrålen blir spredt og reflektert av prøven. De to bjelker interferere på CCD gi hologrammet. Det interferensmønster trykt på bildet kalles en romlig bærer og tillater utvinning av den kvantitative faseinformasjonen med bare ett bilde. Den numeriske rekonstruksjon utføres ved hjelp av en felles Fourier transform og convolution algoritme som stated tidligere. Objektivet-less konfigurasjon har flere fordeler som gjør det attraktivt. Som ingen linser brukes, er inngangs strålen en divergerende bølge som gir en naturlig geometrisk forstørrelse og dermed forbedre systemet oppløsning. Dessuten er det gratis avvik som oppstår i vanlige optiske systemer. Som det kan ses på figur 3B, kan systemet gjøres kompakt (55x75x125 mm ^3), lav vekt (400 g), og således lett kan integreres i industrielle produksjonslinjer.

Protocol

1. Innledende Utarbeidelse av måle Merk: Prøven brukes for forsøket er en MEMS elektrode. De gullelektroder er fremstilt på en silisiumskive ved bruk av lift off prosess. Prøven er en 18 mm x 18 mm skive med periodiske strukturer (elektroder) med 1 mm periode Logg inn i loggboken før du bruker systemet. Slå på datamaskinen, LASER og oversettelse scenen makt. Plasser MEMS elektrode / mikro-membran prøven. Plasser MEMS prøven i midten av prøveholderen ved hjelp av…

Representative Results

Protokollen er beskrevet ovenfor ble utformet for å inspisere og karakter MEMS og Micro enheter ved hjelp CDHM system. I vårt system, er en monomodusfiber er koplet til en diode-laser som opererer ved en bølgelengde 633 nm. På grunn av den divergerende stråle konfigurasjon, er det viktig å passe objektstrålen og referansestrålen banen for å oppnå et hologram som kan bli rekonstruert. Dette oppnås ved forsiktig vertikal plassering av prøven i forhold til systemet. I den beregn…

Discussion

I denne gjennomgangen gir vi en protokoll for å nøyaktig gjenopprette den kvantitative morfologi forskjellige MEMS enheter ved hjelp av et kompakt system avhengig av digital holografi. MEMS karakterisering i både statisk og dynamisk modus er demonstrert. Kvantitative 3D-data av en mikrokanal MEMS oppnås. For å bekrefte nøyaktigheten av systemet, er resultatene er sammenlignet mellom CDHM og AFM. God avtalen er funnet noe som betyr at digital holografi kan være en pålitelig teknikk for 3D bildebehandling. Resulta…

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