Compact Lens-less Digitale Holografische Microscoop voor MEMS Inspectie en karakterisering
Summary
We presenteren een compact reflectie digitale holografische systeem (CDHM) voor inspectie en karakterisering van MEMS. Een lens-less ontwerp met behulp van een divergerende ingang golf verstrekken van natuurlijke geometrische vergroting wordt aangetoond. Zowel statische als dynamische studies worden gepresenteerd.
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
Metrologie van micro- en nano-objecten is van groot belang voor zowel de industrie en onderzoekers. Inderdaad, miniaturisatie van objecten vormt een nieuwe uitdaging voor optische metrologie. Micro elektromechanische systemen (MEMS) zijn over het algemeen gedefinieerd heeft elektromechanische systemen geminiaturiseerde en bestaat meestal componenten zoals micro sensoren, micro-actuatoren, micro-elektronica en microstructuren. Het heeft vele toepassingen in diverse gebied, zoals de biotechnologie, geneeskunde, communicatie en sensing 1 gevonden. Onlangs heeft de toenemende complexiteit en de progressieve miniaturisatie van testobject kenmerkt vereisen dat geschikte karakteriseringstechnieken voor MEMS. Hoge doorvoer productie van deze complexe microsystemen vereist de implementatie van geavanceerde inline meettechnieken, om karakteristieke parameters en aanverwante defecten veroorzaakt door de procescondities 2 kwantificeren. Bijvoorbeeld, de afwijking van geometrische paramters in een MEMS inrichting beïnvloedt de systeemeigenschappen en moet worden gekarakteriseerd. Bovendien, de industrie vereist hoge resolutie meetprestaties, zoals volledige driedimensionale (3D) metrologie, grote zichtveld, hoge resolutie imaging, en real-time analyse. Aldus is het essentieel om een betrouwbare kwaliteitscontrole en inspectie te waarborgen. Bovendien vereist het meetsysteem eenvoudig implementeerbaar op een productielijn en dus relatief compact op bestaande infrastructuren te worden geïnstalleerd te zijn.
Holografie, die voor het eerst werd geïntroduceerd door Gabor 3, is een techniek die het herstel van de volledige kwantitatieve informatie van een object mogelijk maakt door het opnemen van de interferentie tussen een referentie- en een objectgolf een lichtgevoelig medium. Tijdens dit proces wordt de opname, de amplitude, fase en polarisatie van een veld zijn opgeslagen in het medium. Toen het veld golf object kan worden hersteld door het sturen van de referentie-bundel op het meDIUM, een proces dat bekend staat als optische lezing van het hologram. Omdat een conventionele detector alleen registreert de intensiteit van de golf, is holografie een onderwerp van groot belang geweest in de afgelopen vijftig jaar, omdat het de toegang tot extra informatie over het elektrische veld geeft. Echter, een aantal aspecten van de conventionele holografie maken het onpraktisch voor industriële toepassingen. Inderdaad, fotogevoelige materialen zijn duur en het opnameproces vereist in het algemeen een hoge stabiliteit. Vooruitgang in hoge resolutie camera sensoren zoals geladen gekoppelde inrichtingen (CCD) hebben een nieuwe aanpak voor digitale metrologie geopend. Een van deze technieken staat bekend als digitale holografie 4. In digitale holografie (DH), wordt het hologram opgenomen met een camera (registratiemedium) en numerieke processen worden gebruikt om de fase en intensiteitsinformatie reconstrueren. Zoals bij conventionele holografie, kan het resultaat worden verkregen na twee procedures: de opname- en reconstructie zoals in Fifiguur 1. Indien de opname is gelijk aan conventionele holografie, de reconstructie slechts numerieke 5. De numerieke reconstructie werkwijze wordt getoond in figuur 2. Twee procedures zijn betrokken bij de wederopbouw. Eerst wordt het golfveld object opgehaald uit het hologram. Het hologram wordt vermenigvuldigd met een numerieke referentie-wave naar het object golffront het hologram vliegtuig te krijgen. Ten tweede wordt het complex object golffront numeriek doorgegeven aan het beeldvlak. In ons systeem, wordt deze stap uitgevoerd met de convolutie methode 6. De gereconstrueerde veld verkregen is een complexe functie en dus fase en intensiteit kan worden gewonnen verstrekken van kwantitatieve hoogte-informatie over het object van belang. Het vermogen van gehele veld informatieopslag in holografie werkwijze en het gebruik van computertechnologie voor snelle gegevensverwerking bieden meer flexibiliteit bij experimentele configuratie en significante toename van de speed van de experimentele proces, opent nieuwe mogelijkheden om DH ontwikkelen als een dynamische metrologische tool voor MEMS en micro-systemen 7,8.
Het gebruik van digitale holografie in fase contrast beeldvorming is nu goed ingeburgerd en werd voor het eerst meer dan tien jaar geleden 9 gepresenteerd. Inderdaad, onderzoek microscopische inrichtingen combineert digitale holografie en microscopie uitgevoerd in vele studies 10, 11, 12, 13. Verschillende systemen op basis van hoge coherentie 14 en lage coherentie 15 bronnen alsmede verschillende geometrie 13, 16, 17 (in lijn, off as gemeenschappelijke weg …) werden gepresenteerd. Bovendien, in overeenstemming digitale holografie is eerder gebruikt karakterisering van MEMS inrichting 18, 19. Maar deze systemen zijn doorgaans moeilijk te implementeren en volumineus, waardoor ze ongeschikt voor industriële toepassingen. In deze studie, stellen we een compact, eenvoudig en lens free-systeem op basis van off AXIs digitale holografie in staat om real-time MEMS inspectie en karakterisering. De compacte digitale holografische microscoop (CDHM) is een lens minder digitale holografische systeem ontwikkeld en gepatenteerd om de 3D-morfologie van micro-size spiegelende objecten te verkrijgen. In ons systeem, een 10 mW, zeer stabiel, temperatuurgestuurde diodelaser werkt bij 638 nm wordt gekoppeld in een mono-mode fiber. Zoals getoond in figuur 3, wordt de divergerende bundel afkomstig van de vezel splitsen in een referentie- en een objectbundel door een bundeldeler. De referentie-bundel pad bestaat uit een gekantelde spiegel aan de geometrie buiten de as te realiseren. Het object bundel wordt verstrooid en gereflecteerd door het monster. De twee bundels interfereren op de CCD die het hologram. Het interferentiepatroon afgedrukt op het beeld wordt een ruimtelijk vervoerder genoemd en maakt het herstel van de kwantitatieve fase-informatie met slechts één beeld. De numerieke reconstructie wordt uitgevoerd met een gewone Fourier transformatie en convolutie algoritme stated eerder. De lens-minder configuratie heeft meerdere voordelen maken het aantrekkelijk. Aangezien er geen lenzen, worden de ingevoerde bundel is een divergerende golf die een natuurlijke geometrische vergroting en daarmee de resolutie systeem verbeteren. Bovendien is het vrij van aberraties aangetroffen in typische optische systemen. Zoals te zien is in figuur 3B, kan het systeem compact worden gemaakt (55x75x125 mm 3), licht (400 g), en kan dus eenvoudig worden geïntegreerd in industriële productielijnen.
Protocol
Representative Results
Discussion
In deze review, bieden we een protocol om nauwkeurig te herstellen van de kwantitatieve morfologie van verschillende MEMS apparaten met behulp van een compact systeem te vertrouwen op digitale holografie. MEMS karakterisering in zowel statische als dynamische modus wordt aangetoond. Kwantitatieve 3D gegevens van een microkanaal MEMS verkregen. Om de nauwkeurigheid van het systeem te valideren, zijn de resultaten vergeleken tussen de CDHM en de AFM. Goede overeenkomst is gevonden betekent dat de digitale holografie een b…
Declarações
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 |
Referências
- 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).
