Compacto holográfica microscopio digital Lente menos por MEMS Inspección y Caracterización
Summary
Presentamos un sistema holográfico digital de reflexión compacto (CDHM) para la inspección y caracterización de dispositivos MEMS. Un diseño de lente de menor a través de una onda de entrada divergente proporciona magnificación geométrica natural se demostró. Ambos se presentan los estudios estáticos y dinámicos.
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
Metrología de micro y nano objetos es de gran importancia para la industria y los investigadores. De hecho, la miniaturización de los objetos representa un nuevo reto para la metrología óptica. sistemas micro electro mecánicos (MEMS) se definen generalmente ha miniaturizado sistemas electromecánicos y por lo general comprende componentes tales como sensores micro, micro actuadores, la microelectrónica y microestructuras. Se ha encontrado muchas aplicaciones en distintos campos como la biotecnología, la medicina, la comunicación y la detección 1. Recientemente, la complejidad cada vez mayor, así como la progresiva miniaturización de objeto de prueba funciones de llamada para el desarrollo de técnicas de caracterización adecuados para MEMS. Alto rendimiento de fabricación de estos complejos microsistemas requiere la implementación de las técnicas de medición en línea avanzada, para cuantificar parámetros característicos y defectos relacionados causadas por las condiciones de proceso 2. Por ejemplo, la desviación de param geométricaetros en un dispositivo MEMS afecta a las propiedades del sistema y tiene que ser caracterizado. Además, la industria requiere un rendimiento de medición de alta resolución, tales como la metrología completa en tres dimensiones (3D), amplio campo de visión, la nitidez de la imagen, y el análisis en tiempo real. Por lo tanto, es esencial para asegurar un control de calidad y proceso de inspección fiable. Además, se requiere que el sistema de medición para ser fácilmente implementable en una línea de producción y por lo tanto relativamente compacto para ser instalado en las infraestructuras existentes.
La holografía, que se introdujo por primera vez por Gabor 3, es una técnica que permite la recuperación de la información cuantitativa completa de un objeto mediante el registro de la interferencia entre una referencia y una onda del objeto en un medio fotosensible. Durante este proceso conocido como la grabación, la amplitud, fase y polarización de un campo se almacenan en el medio. A continuación, el campo de ondas objeto se puede recuperar enviando el haz de referencia en el meDium, un proceso conocido como de lectura óptica del holograma. Desde un detector convencional sólo se registra la intensidad de la onda, la holografía ha sido un tema de gran interés en los últimos cincuenta años, ya que da acceso a información adicional sobre el campo eléctrico. Sin embargo, varios aspectos de la holografía convencional hacen que sea poco práctico para las aplicaciones industriales. De hecho, los materiales fotosensibles son caros y el proceso de grabación requiere generalmente un alto grado de estabilidad. Los avances en sensores de la cámara de alta resolución, tales como dispositivos de carga acoplada (CCD) han abierto un nuevo enfoque para la metrología digital. Una de esas técnicas se conoce como holografía digital 4. En Digital Holografía (DH), el holograma es grabado en una cámara (soporte de grabación) y los procesos numéricos se utilizan para reconstruir la información de fase y la intensidad. Al igual que con la holografía convencional, el resultado puede ser obtenido después de dos procedimientos principales: la grabación y de reconstrucción como se muestra en Fifigura 1. Sin embargo, si la grabación es similar a la holografía convencional, la reconstrucción es solamente numérica 5. El proceso de reconstrucción numérico se muestra en la Figura 2. Dos procedimientos están involucrados en el proceso de reconstrucción. En primer lugar, el campo de onda del objeto se recupera del holograma. El holograma se multiplica con una onda de referencia numérica para obtener el frente de onda objeto en el plano del holograma. En segundo lugar, el complejo de frente de onda se propaga objeto numéricamente al plano de imagen. En nuestro sistema, este paso se lleva a cabo utilizando el método de convolución 6. El campo reconstruida obtenida es una función compleja y por lo tanto la fase y la intensidad se pueden extraer proporcionar información cuantitativa altura en el objeto de interés. La capacidad de almacenamiento de la información de campo en todo método de la holografía y el uso de la tecnología informática para el procesamiento de datos rápida ofrecen más flexibilidad en la configuración experimental y aumentan significativamente el Speed del proceso experimental, abriendo nuevas posibilidades para el desarrollo de DH como una herramienta dinámica para metrológico MEMS y microsistemas de 7,8.
El uso de la holografía digital en imágenes de contraste de fase está ahora bien establecida y se presentó por primera vez hace más de diez años 9. De hecho, la investigación de dispositivos microscópicos mediante la combinación de la holografía digital y microscopía se ha realizado en muchos estudios de 10, 11, 12, 13. Varios sistemas basados en alta coherencia 14 y baja coherencia 15 fuentes, así como diferentes tipos de geometría 13, 16, 17 (en línea, fuera de eje, camino común …) se han presentado. Además, en línea de holografía digital se ha utilizado anteriormente en la caracterización de dispositivo MEMS 18, 19. Sin embargo, estos sistemas son generalmente difíciles de implementar y voluminosos, que los hace inadecuados para aplicaciones industriales. En este estudio, se propone un sistema compacto, sencillo y gratuito basado en la lente axi fueras holografía digital con capacidad para la inspección de MEMS en tiempo real y caracterización. El microscopio digital compacta holográfica (CDHM) es una lente holográfica digital de sistema menos desarrollado y patentado para obtener la morfología 3D de objetos especulares tamaño micro. En nuestro sistema, un 10 mW, altamente estable, de temperatura controlada láser de diodo que funciona a 638 nm se acopla en una fibra mono-modo. Como se muestra en la Figura 3, el haz divergente que emana de la fibra se divide en una referencia y un haz de objeto por un divisor de haz. La trayectoria del haz de referencia comprende un espejo inclinado a darse cuenta de la geometría fuera de eje. El haz de objeto es dispersada y reflejada por la muestra. Los dos haces interfieren en el CCD dando el holograma. El patrón de interferencia impresa sobre la imagen se denomina portador espacial y permite la recuperación de la información de fase cuantitativa sólo una imagen con. La reconstrucción numérica se realiza usando una transformada de Fourier común y el algoritmo de convolución como staTed anteriormente. La configuración de lente-menos tiene varias ventajas por lo que es atractivo. Como no se utilizan lentes, el haz de entrada es una onda divergente proporcionando una magnificación geométrica natural y mejorando así la resolución del sistema. Además, es libre de aberraciones encontrados en los sistemas ópticos típicos. Como puede verse en la Figura 3B, el sistema puede hacerse compacto (55x75x125 mm 3), ligero (400 g), y por lo tanto se puede integrar fácilmente en líneas de producción industrial.
Protocol
Representative Results
Discussion
En esta revisión, proporcionamos un protocolo para recuperar con precisión la morfología cuantitativa de diferentes dispositivos MEMS mediante el uso de un sistema compacto depender de la holografía digital. caracterización MEMS en modo estático y dinámico se demuestra. Se obtienen datos 3D cuantitativos de un MEMS micro canales. Con el fin de validar la precisión del sistema, los resultados se han comparado entre el CDHM y la AFM. Buen acuerdo se encuentra lo que significa que la holografía digital puede ser u…
Divulgazioni
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 |
Riferimenti
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