Principle

La microscopie interférométrique

La microscopie interférométrique est une technique largement utilisée dans le domaine des microtechnologies pour la caractérisation. Son principe est basé sur la démodulation de phase en lumière monochromatique et la démodulation d’amplitude en lumière blanche.

Les techniques basées sur la microscopie interférométrique ont l’avantage d’y parvenir en ne faisant qu’un balayage vertical de l’échantillon, alors que les autres techniques nécessitent un grand nombre de balayages dans le plan horizontal pour imager un échantillon. La technique de microscopie interférométrique développée au laboratoire repose sur la mesure du relief de l’échantillon par l’intermédiaire de la détermination de la position, selon l’axe vertical Z, du maximum d’intensité des franges d’interférence.

Jusqu’à présent la microscopie interférométrique est utilisée principalement en mode statique, c’est-à-dire sur des surfaces rigides et qui ne se déforment pas pendant le temps de mesure. La durée de mesure est typiquement de quelques secondes à quelques minutes. Il existe différentes techniques (différenciées par l’algorithme de traitement de signal) pour des mesures de surfaces 3D statiques.

Dans le cas des mesures d’échantillons évoluant dans le temps, la technique nécessaire dépend de la nature périodique (régulier) ou apériodique (aléatoire) du mouvement. Pour la microscopie 4D, de nouvelles techniques de traitement du signal sont alors nécessaires.

1 Mesure du mouvement apériodique (aléatoire)

Pour mesurer le mouvement apériodique, il faut améliorer la résolution temporelle de mesure, c’est-à-dire réduire le temps de mesure. Notre approche à ce problème, développée depuis l’année 2000, est de balayer en continu les franges d’interférence sur toute la profondeur de la surface à mesurer (fig. a). L’acquisition des images de franges est faite avec une caméra rapide et le traitement d’images fortement parallélisé en logique câblée nous permet d’en extraire, en temps réel, les images 3D du relief de la surface. Les résultats du traitement sont des informations en forme d’images classiques de réflexion à grande profondeur de champ (fig. b), ainsi que l’image profilométrique 3D, qui permet l’exploitation métrologique de la surface (fig. c).

Des mesures 3D en temps réel de la translation latérale d’un contact métallique sur Si (objectif x40, dynamique axiale 5 µm, Cadence 3D réelle : 18 i/s)

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  Fig. a : Balayage des franges en continu

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  Fig. b : Image réflexion en profondeur de champ étendue

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  Fig. c : Image 3D en temps réel

2 Mesure du mouvement périodique (régulier)

Pour mesurer le mouvement ou la déformation périodique, les techniques de stroboscopie servent à "geler" le mouvement en utilisant une source strobée (pulsée). Par exemple, les résultats ci-dessous montrent la mesure de la forme d’un miroir MEMS vibrant à 1085 Hz. L’étude a été faite dans le cadre du développement de miroirs en mouvement [Kiefer et al. 2002, 2005, 2006]. Pour effectuer les mesures du mouvement périodique, nous avons utilisé un système d’éclairage par laser YAG doublé, pulsé et synchronisé avec les oscillations du miroir et l’acquisition des images.

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  Fig. a : Le miroir MEMS dans son boîtier=

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  Fig. b : La forme du miroir en résonance à 1085 Hz (image redressée - semblable au miroir au repos)

Pour effectuer les mesures, un objectif Michelson x5 a été utilisé. La technique d’extraction d’images 3D employée a été la PSM (saut de phase à 5 pas). Ces mesures ont permis de montrer une légère déformation du miroir aux angles de rotation extrême (400 nm du centre au bord sur 2 mm de largeur).