MEMS検査および特性評価のためのコンパクトなレンズレスデジタルホログラフィック顕微鏡
Summary
私たちは、MEMSデバイスの検査および特徴付けのためにコンパクトな反射デジタルホログラフィックシステム（CDHM）を提示します。自然の幾何学的な倍率を提供発散入力波を用いたレンズレス設計が実証されています。静的および動的の両方の研究が提示されています。
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
マイクロおよびナノ物体の計測技術は、業界や研究者の両方にとって非常に重要です。実際、オブジェクトの小型化が光学測定のための新たな挑戦を表します。微小電気機械システム（MEMS）は、一般的に定義されている電気機械システムを小型化し、通常、マイクロセンサ、マイクロアクチュエータ、マイクロエレクトロニクスおよび微細構造などのコンポーネントを備えています。このようなバイオテクノロジー、医療、通信などの多様な分野で多くのアプリケーションを発見し、1を検出しました。最近、ますます複雑だけでなく、試験対象物の漸進的な小型化がMEMSに適した特性評価技術の開発のための呼び出しを提供しています。これらの複雑なマイクロシステムの高スループット製造プロセス条件2による特性パラメータと関連する欠陥を定量化するために、高度なインライン測定技術の実装を必要とします。幾何学的パラメーターの例えば、偏差MEMSデバイスにおけるメータは、システムの特性に影響を与える、特徴付けされなければなりません。加えて、産業界は、完全な三次元（3D）計測、ビュー、高撮像分解能の大型のfi ELD、リアルタイム分析のような高解像度の測定性能を必要とします。これにより、品質管理や検査工程信頼性を確保するために不可欠です。また、既存のインフラストラクチャにインストールするために生産ライン上で容易に実現可能と、比較的コンパクトに測定システムを必要とします。
最初のガボール3によって導入されたホログラフィは、参照および感光媒体への物体波との干渉を記録することによって、オブジェクトの完全な定量的情報の回復を可能にする技術です。記録として知られるこのプロセスの間に、電界の振幅、位相及び偏光を媒体に格納されています。次に物体波フィールドは、私の上に基準ビームを送信することによって回収することができますdium、ホログラムの光学読み取りとして知られているプロセス。従来の検出器が唯一の波の強度を記録するので、それは電界に関する追加情報へのアクセスを提供しますので、ホログラフィは、過去50年間に大きな関心の対象となっています。しかし、従来のホログラフィーのいくつかの側面は、業界のアプリケーションに非実用的にします。実際には、感光材料が高価であり、記録処理は、一般的に高い安定性を必要とします。このような電荷結合素子（CCD）のような高解像度のカメラセンサーの進歩は、デジタル計測のための新しいアプローチを開いています。これらの技術の一つは、デジタルホログラフィ4として知られています。デジタルホログラフィ（DH）において、ホログラムは、カメラ（記録媒体）に記録され、数値処理は、位相および強度情報を再構築するために使用されます。 Fiのに示すように、記録再生：従来のホログラフィと同様に、結果は2つの主要な手順の後に得ることができます記録は、従来のホログラフィに類似している場合グレ1。しかし、再構成は5のみの数値です。数値的再構成プロセスは、 図2に示されている。2つの手順は、再構築プロセスに関与しています。まず、物体波フィールドは、ホログラムから取得されます。ホログラムは、ホログラム面でのオブジェクトの波面を取得するには、数値基準波と乗算されます。第二に、複雑なオブジェクトの波面は、数値的に画像平面に伝播されます。我々のシステムでは、このステップは、コンボリューション法6を用いて行われます。得られた再構成されたフィールドは、複雑な関数であり、従って、位相および強度は、関心対象の定量的高さの情報を提供する抽出することができます。ホログラフィ方式で全体のfi ELD情報記憶能力および高速データ処理のためのコンピュータ技術の使用は、実験的な構成の柔軟性を提供し、大幅にSPEEを高めます実験的プロセスの開発、MEMSおよびマイクロシステム7,8のための動的計量ツールとしてDHを開発するために新たな可能性を開きます。
位相コントラストイメージングにおけるデジタルホログラフィの使用は、現在十分に確立され、最初の十年以上前に9提示されました。実際、デジタルホログラフィと顕微鏡を組み合わせて、微小デバイスの調査は、多くの研究10、11、12、13で行われた。高コヒーレンス14と、低コヒーレンス15ソースならびに幾何13、16の異なるタイプに基づいて、いくつかのシステムで、17 （ラインで、軸、共通のパスから…）提示されています。また、ラインのデジタルホログラフィは、MEMSデバイス18、19の特性に以前に使用されてきた。しかし、これらのシステムは、一般に実現するのが困難とかさばる工業的用途に適しません。本研究では、オフAXIに基づく自由な、コンパクトでシンプルなレンズシステムを提案しますリアルタイムMEMS検査および特性評価のためのデジタルホログラフィが可能です。コンパクトデジタルホログラフィック顕微鏡（CDHM）は、マイクロサイズの鏡面物体の3次元形態を得るために開発し、特許を取得したレンズ少ないデジタルホログラフィックシステムです。我々のシステムでは、638 nmで動作する10mWで、非常に安定し、温度制御されたダイオードレーザは、単一モード光ファイバに結合されます。 図3に示すように 、ファイバから発する発散ビームは、ビームスプリッタによって基準と物体光に分割されます。参照光路ジオメトリ軸オフを実現するために傾斜ミラーを含みます。物体光は散乱し、サンプルによって反射されます。 2つのビームは、ホログラムを与えるCCDに干渉する。画像上に刷り込ま干渉パターンが空間キャリアと呼ばれ、1つの画像のみで定量的位相情報の回復を可能にされています。数値再構成は、一般的なフーリエ変換や駅などの畳み込みアルゴリズム使用して実行されます以前テッド。レンズレスの構成は、それが魅力的ないくつかの利点を有します。いかなるレンズが使用されないように、入力ビームは、天然の幾何学的倍率を提供し、従って、システムの解像度を向上させる発散波です。また、一般的な光学系で遭遇する諸収差の自由です。 図3Bに見られるように、システムは、（400nm G）、（55x75x125ミリ3）軽量コンパクトにすることができ、容易に工業生産ラインに組み込むことができます。
Protocol
Representative Results
Discussion
このレビューでは、我々は正確にデジタルホログラフィに頼ってコンパクトなシステムを使用して、別のMEMSデバイスの定量的な形態を回復するためのプロトコルを提供します。静的および動的の両方のモードでMEMSの特徴付けが実証されています。マイクロチャネルMEMSの定量的な3次元データが得られます。システムの精度を検証するために、結果がCDHMとAFMの間で比較しました。良好な一致?…
Disclosures
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. , (2002).
- Novak, E. MEMS metrology techniques. Proc. SPIE. 5716, 173-181 (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), 85-101 (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. 26 (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), 9-15 (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).
