עדשה-פחות קומפקטי מיקרוסקופ הולוגרפי הדיגיטלי פיקוח MEMS ואפיון
Summary
אנו מציגים מערכת הולוגרפית דיגיטלית קומפקטית השתקפות (CDHM) לבדיקה ואפיון של התקני MEMS. עיצוב-פחות עדשה באמצעות גל קלט לסטות מתן גדלה גיאומטרית טבעית מודגם. שני המחקרים סטטי ודינמי מוצגים.
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
מטרולוגיה של חפצים מיקרו וננו היא בעלת חשיבות רבה עבור התעשייה והן החוקרים. ואכן, מזעור של אובייקטים מהווה אתגר חדש עבור מטרולוגיה אופטית. מערכות אלקטרו מכאניות מיקרו (MEMS) הם בדרך כלל מוגדר יש מיניאטורי מערכות אלקטרומכניות ובדרך כלל כוללת רכיבים כגון חיישנים מיקרו, ומפעילים מיקרו, מיקרואלקטרוניקה microstructures. זה נמצא יישומים רבים בתחום מגוון כגון ביוטכנולוגיה, רפואה, תקשורת חישת 1. לאחרונה, המורכבות הגוברות כמו גם המזעור המתקדם של מושא בדיקה כוללת שיחה לפיתוח טכניקות אפיון מתאימות MEMS. ייצור תפוקה גבוה של Microsystems המורכבת אלה דורש היישום של שיטות מדידות מוטבע מתקדמות, לכמת פרמטרי מאפיין ופגמים הקשורים שנגרמו על ידי תנאי תהליך 2. למשל, סטיית פרמטר הנדסילאטות ב תקן MEMS משפיעה על מאפייני המערכת ויש לו להתאפיין. בנוסף, התעשייה דורשת ביצועי מדידה ברזולוציה גבוהים, כגון מלאה תלת ממד (3D) המטרולוגיה, שדה גדול של נוף, ברזולוציה גבוהה הדמיה, וניתוח בזמן אמת. לכן, זה הכרחי כדי להבטיח בקרת איכות אמינה תהליך הבדיקה. יתר על כן, זה דורש מערכת המדידה להיות ישים בקלות על קו ייצור ובכך קומפקטי יחסית כדי להיות מותקן על תשתיות קיימות.
הולוגרפיה, אשר הוצגה לראשונה על ידי גאבור 3, היא טכניקה המאפשרת ההתאוששות של המידע כמוני המלא של אובייקט על ידי הקלטת ההתערבות בין הפניה ו גל אובייקט לתוך מדיום רגיש. במהלך תהליך זה המכונה הקלטה, המעטפת, מופע הקיטוב של שדה מאוחסנים הבינוני. ואז את שדה גל אובייקט ניתן לשחזר על ידי שליחת קרן ההתייחסות אל ליdium, תהליך המכונה קריאה אופטית של ההולוגרמה. מאז גלאי קונבנציונלי רק מתעד את עוצמת הגל, הולוגרפיה כבר נושא של עניין רב בחמישים השנים האחרונות שכן הוא נותן גישה למידע נוסף על השדה החשמלי. עם זאת, כמה היבטים של הולוגרפיה קונבנציונאלי להפוך אותו חסר מעשיות עבור יישומים בתעשייה. ואכן, חומרי רגיש יקר תהליך ההקלטה בדרך כלל דורש רמה גבוהה של יציבות. התקדמות חיישני מצלמה ברזולוציה גבוהה כגון (CCD) מכשירים מצמידים טעונים פתחה גישה חדשה עבור המטרולוגיה דיגיטלי. אחת מן הטכניקות הללו שמכונה הולוגרפיה דיגיטלית 4. בשינה דיגיטלית הולוגרפיה (DH), בהולוגרמה נרשמה על מצלמה (בינוני הקלטה) ותהליכים מספריים משמשים לשחזר את המידע בשלב ועצמה. כמו הולוגרפיה קונבנציונאלי, התוצאה יכולה להיות מושגת לאחר שני ניתוחים עיקריים: ההקלטה ושחזור כמוצג Fiאיור 1. עם זאת, אם ההקלטה דומה הולוגרפיה קונבנציונלי, השחזור הוא רק 5 מספרים. תהליך השיקום המספרי מוצג באיור 2. שני הליכים מעורבים בתהליך השיקום. ראשית, את שדה גל אובייקט מאוחזר הולוגרמה. ההולוגרמה מוכפל בהינף התייחסות מספרית כדי לקבל את חזית הגל עצם כלשהו על המטוס הולוגרמה. שנית, חזית גל האובייקט המורכבת מופצות מספריות למישור התמונה. במערכת שלנו, שלב זה מתבצע בשיטת פיתול 6. השדה המשוחזר המתקבל הוא פונקציה מורכבת ולכן שלב ועוצם ניתן לחלץ מתן מידע גובה הכמותית על מושא העניין. היכולת של אחסון מידע שלם בשדה פתוח בשיטה הולוגרפיה והשימוש בטכנולוגיית מחשב לעיבוד נתונים מהיר מציעים גמישות רבה יותר בתצורה ניסיונית להגדיל באופן משמעותי את השפייםד של תהליך הניסוי, פתיחת אפשרויות חדשות לפיתוח DH ככלי המטרולוגי דינמי עבור MEMS ו-מערכות מיקרו 7,8.
שימוש הולוגרפיה דיגיטלי הדמיה לעומת שלב עכשיו הוא מבוסס היטב הוצג לראשונה יותר מ -9 לפני עשר שנים. ואכן, החקירה של התקנים מיקרוסקופים ידי שילוב הולוגרפיה דיגיטלית מיקרוסקופי שבוצעה במחקרים רבים 10, 11, 12, 13. מספר מערכות המבוססות על קוהרנטיות גבוהה 14 ומקורות 15 קוהרנטיות נמוכים, כמו גם סוגים שונים של גיאומטריה 13, 16, 17 (בתור, את הציר, נתיב משותף …) הוצג. בנוסף, עולה בקנה אחד הולוגרפיה דיגיטלית נעשה בה שימוש בעבר באפיון של התקן MEMS 18, 19. עם זאת, מערכות אלו הם בדרך כלל קשה ליישם ומגושם, מה שהופך אותם מתאימים ליישומים תעשייתיים. במחקר זה, אנו מציעים מערכת קומפקטית, פשוט עדשה חינם על בסיס AXI אתזה הולוגרפיה דיגיטלית מסוגל לבדיקה ואפיון MEMS בזמן אמת. המיקרוסקופ ההולוגרפי דיגיטלית קומפקטית (CDHM) היא עדשה פחות מערכת הולוגרפית דיגיטלי פיתחה פטנט להשיג את המורפולוגיה 3D אובייקטים מחזירי אור מיקרו-גודל. במערכת שלנו, 10 mW, מאוד יציב, ליזר דיודה בקרת טמפרטורת הפעלה ב 638 ננומטר מצמיד לתוך סיב מונה-mode. כפי שניתן לראות בתרשים 3, הקרן לסטות נפלט הסיבים מחולק הפניה ו אלומת אובייקט על ידי קרן splitter. נתיב קרן ההתייחסות כולל מראה מוטה לממש את גיאומטרית ציר off. אלומת האובייקט מפוזרת שמשתקפת המדגם. שתי אלומות להתערב על CCD נותן בהולוגרמה. הפרעות הדפוס המוטבעים על גבי התמונה נקרא נשאית מרחבית ומתיר ההתאוששות של המידע בשלב כמותית עם תמונה אחת בלבד. השחזור המספרי מתבצע באמצעות פורייה משותפת התמרת אלגוריתם פיתול כמו STAטד בעבר. תצורת עדשה פחות יש מספר יתרונות מה שהופך אותו אטרקטיבי. בלי עדשות משמשות, קורה הקלט הוא גל לסטות מתן גדלה גיאומטרית טבעית ובכך לשפר את הרזולוציה של המערכת. יתר על כן, זה ללא סטיות נתקלו במערכות אופטיות טיפוסיות. כפי שניתן לראות באיור 3 ב, המערכת יכולה להתבצע קומפקטי (55x75x125 מ"מ 3), קל משקל (400 גרם), וכך ניתן לשלב בקלות לתוך קווי ייצור תעשייתיים.
Protocol
Representative Results
Discussion
בסקירה זו, אנו מספקים פרוטוקול לשחזר את המורפולוגיה כמותי מדויק של התקני MEMS שונים באמצעות מערכת קומפקטית להסתמך על הולוגרפיה דיגיטלית. אפיון MEMS הוא במצב סטטי ודינמי מודגם. נתוני 3D כמותי של MEMS ערוץ מייקרו מתקבלים. כדי לאמת את הדיוק של המערכת, התוצאות היו בהשוואה בין CDHM…
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).
