專利名稱：：基于紅外光干涉技術(shù)的mems器件形貌測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及MEMS器件的形貌測(cè)試，具體是一種基于紅外光干涉技術(shù)的MEMS器件形貌測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
：隨著微機(jī)電系統(tǒng)MEMS的發(fā)展，對(duì)MEMS器件所提出的要求也越來(lái)越高，其中，MEMS器件的表面形貌是器件質(zhì)量評(píng)定中的重要指標(biāo)，直接影響到器件的質(zhì)量和使用性能的高低。目前，國(guó)內(nèi)外在應(yīng)用白光干涉技術(shù)測(cè)量MEMS器件表面形貌方面已取得了很大的進(jìn)展。其中，白光干涉技術(shù)測(cè)量的原理是以45度角的分光鏡將光源分成兩束，一束作為參考光線，另一束作為測(cè)量光線，測(cè)量光線被被測(cè)物體反射后與參考光線形成干涉，被CCD采集后，經(jīng)圖像處理得到被測(cè)物體的三維形貌圖；不用接觸待測(cè)器件表面，無(wú)需破壞器件的結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)行大范圍的形貌測(cè)量，具有量程大、非接觸、靈敏度高、無(wú)損傷、精度高的特點(diǎn)。現(xiàn)有白光干涉測(cè)量設(shè)備以美國(guó)Zygo公司、英國(guó)Taylor-Hobson公司、德國(guó)Polytec公司生產(chǎn)的產(chǎn)品最為典型，其縱向分辨率能達(dá)到nm量級(jí)，橫向分辨率盡管受到CXD的限制也可以達(dá)到μm量級(jí)，性能卓越，應(yīng)用廣泛，通過(guò)對(duì)白光干涉條紋的分析可以獲得高分辨率的三維表面圖形。且白光干涉技術(shù)測(cè)量已由可見光范圍擴(kuò)展至紅外光范圍，例如申請(qǐng)?zhí)枮?200810054908.5”的中國(guó)專利申請(qǐng)中公開的“基于紅外白光干涉技術(shù)的微結(jié)構(gòu)形貌測(cè)試方法”，該測(cè)試方法利用在紅外光范圍內(nèi)MEMS器件加工工藝材料一硅的微觀結(jié)構(gòu)是相對(duì)透明的特性，以紅外光作為測(cè)量光源，紅外光透射深溝槽結(jié)構(gòu)的硅質(zhì)待測(cè)側(cè)壁，并在硅質(zhì)側(cè)壁與無(wú)損處理采用材料的交界面上發(fā)生反射及散射，與參考光束相干迭加，可以得到反映此深溝槽側(cè)壁的表面輪廓的干涉條紋圖樣，然后，經(jīng)光學(xué)透鏡由CCD圖像傳感器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)由計(jì)算機(jī)分析處理可得到所測(cè)深溝槽結(jié)構(gòu)側(cè)壁表面的三維形貌圖。但由于MEMS器件所采用的半導(dǎo)體材料折射率較大，因此，在以紅外光干涉技術(shù)透射MEMS器件的半導(dǎo)體材料測(cè)量MEMS器件微結(jié)構(gòu)形貌時(shí)，需要大幅度的調(diào)整參考鏡以補(bǔ)償紅外光透射半導(dǎo)體材料時(shí)引起的光程差，以使測(cè)量光束與參考光束相干迭加，才能形成表征MEMS器件待測(cè)表面形貌的明暗相間的干涉條紋圖樣，但大幅度調(diào)整參考鏡位置，首先面臨的就是操作問(wèn)題，調(diào)整幅度過(guò)大不但不易操作，而且在調(diào)整過(guò)程中，不易確定測(cè)量光線與參考光線的相干迭加點(diǎn)，必然會(huì)導(dǎo)致較大的測(cè)量誤差，使測(cè)量得到的三維形貌圖與所測(cè)MEMS器件微結(jié)構(gòu)的實(shí)際形貌存在偏差，無(wú)法準(zhǔn)確體現(xiàn)MEMS器件微結(jié)構(gòu)的形貌狀況，不利于MEMS器件的質(zhì)量評(píng)定，影響MEMS器件的后續(xù)加工質(zhì)量和使用性能。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明為了解決以現(xiàn)有紅外光干涉技術(shù)測(cè)量MEMS器件結(jié)構(gòu)形貌存在的操作不易、測(cè)量誤差較大等問(wèn)題，提供了一種基于紅外光干涉技術(shù)的MEMS器件形貌測(cè)量方法。本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的基于紅外光干涉技術(shù)的MEMS器件形貌測(cè)量方法，以下列步驟實(shí)現(xiàn)1)、對(duì)待測(cè)MEMS器件進(jìn)行測(cè)量前準(zhǔn)備在不損傷待測(cè)MEMS器件待測(cè)表面形貌的基礎(chǔ)上，在待測(cè)MEMS器件待測(cè)表面進(jìn)行阻止紅外線透射的無(wú)損處理；并在處理后，置于干涉儀掃描平臺(tái)上，且使待測(cè)MEMS器件的待測(cè)表面(進(jìn)行無(wú)損處理的那一面)面向干涉儀掃描平臺(tái)；所述實(shí)現(xiàn)上述目的的無(wú)損處理方式有很多，對(duì)于本
技術(shù)領(lǐng)域：
的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，可以根據(jù)實(shí)際待測(cè)MEMS器件的結(jié)構(gòu)，選擇不同的無(wú)損處理方式。2)、應(yīng)用干涉儀對(duì)待測(cè)MEMS器件進(jìn)行測(cè)量a、以紅外光光源作為測(cè)量光源，由紅外光光源發(fā)出的紅外光經(jīng)光學(xué)透鏡調(diào)整后變?yōu)槠叫泄馐?，平行光束通過(guò)分光器件分成沿參考光路傳播的參考光束和沿測(cè)量光路傳播的測(cè)量光束，參考光束經(jīng)參考光路的光學(xué)透鏡折射、參考鏡鏡面反射后原路返回，測(cè)量光束經(jīng)測(cè)量光路的光學(xué)透鏡折射、透射待測(cè)MEMS器件后，照射經(jīng)無(wú)損處理后的待測(cè)MEMS器件待測(cè)表面，由待測(cè)表面反射后原路返回，水平調(diào)整參考鏡的位置，使待測(cè)MEMS器件待測(cè)表面反射的測(cè)量光束與經(jīng)參考鏡鏡面反射的參考光束在分光器件處相干迭加，形成表征待測(cè)MEMS器件待測(cè)表面形貌的明暗相間的干涉條紋圖樣；b、干涉條紋圖樣經(jīng)光學(xué)透鏡聚焦后，成像于CCD圖像傳感器，由CCD圖像傳感器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，傳輸至計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)應(yīng)用圖像重建軟件對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析處理得所測(cè)MEMS器件表面的三維形貌圖；在應(yīng)用干涉儀對(duì)待測(cè)MEMS器件進(jìn)行測(cè)量時(shí)，在參考光路的光學(xué)透鏡前設(shè)置與待測(cè)MEMS器件同材質(zhì)的半導(dǎo)體晶片，經(jīng)分光器件分出的參考光束在透射半導(dǎo)體晶片后，再經(jīng)參考光路的光學(xué)透鏡折射、參考鏡鏡面反射，與待測(cè)MEMS器件待測(cè)表面反射的測(cè)量光束在分光器件處相干迭加。為驗(yàn)證本發(fā)明所述方法的測(cè)量效果，選擇如圖1所視的具有兩個(gè)臺(tái)階結(jié)構(gòu)的GaAs樣品進(jìn)行表面形貌測(cè)量。測(cè)量前，對(duì)GaAs樣品具有臺(tái)階的一面進(jìn)行無(wú)損處理為順利進(jìn)行測(cè)量，增強(qiáng)GaAs樣品表面對(duì)測(cè)量光束反射，在GaAs樣品具有臺(tái)階的一面鍍一層厚度約300nm的金層。其中，所述GaAs樣品使用商業(yè)儀器PolytecMSA400進(jìn)行非透射形貌測(cè)量(將GaAs樣品具有臺(tái)階的一面面向測(cè)量光路，使測(cè)量光束直接照射GaAs樣品的金層表面進(jìn)行測(cè)量)，測(cè)量結(jié)果如圖2、3所示，并定為與后續(xù)驗(yàn)證測(cè)量所得測(cè)量結(jié)果比較的參考標(biāo)準(zhǔn)。選擇以中心波長(zhǎng)為1250nm、半峰寬為150nm的紅外光光源作為測(cè)量光源，如圖4所示，以本發(fā)明所述方法對(duì)所述GaAs樣品進(jìn)行透射補(bǔ)償表面形貌測(cè)量(即在參考光路的透鏡前放置與GaAs樣品同材質(zhì)的GaAs晶片)，測(cè)量結(jié)果如圖5、6所示；標(biāo)定為A方式。如圖7所示，區(qū)別于本發(fā)明所述方法，在參考光路的透鏡前不放置GaAs晶片，對(duì)所述GaAs樣品進(jìn)行透射非補(bǔ)償表面形貌測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖8、9所示；標(biāo)定為B方式。另外，如圖10所示，區(qū)別于上述測(cè)量方法，同現(xiàn)有白光干涉測(cè)量一致，將GaAs樣品具有臺(tái)階的一面面向測(cè)量光路的透鏡置于干涉儀掃描平臺(tái)上，使測(cè)量光束直接照射GaAs樣品的金層表面進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖11、12所示。標(biāo)定為C方式。上述三種測(cè)量方法測(cè)量結(jié)果與參考標(biāo)準(zhǔn)的比較結(jié)果如下表所示表1<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>由表1可以看出通過(guò)方式A(本發(fā)明所述測(cè)量方法)和方式C測(cè)試所得誤差較小(小于1.3%)，可完全滿足一般的三維形貌測(cè)試；而通過(guò)方式B測(cè)試所得誤差較大(大于10%)，可以充分表明應(yīng)用與待測(cè)MEMS器件同材質(zhì)的半導(dǎo)體晶片對(duì)參考光束進(jìn)行透射補(bǔ)償，可以補(bǔ)償測(cè)量光束透射MEMS器件半導(dǎo)體材料時(shí)引起的光程差，并大大減小由于透射而引起的系統(tǒng)測(cè)試誤差，在此基礎(chǔ)上，只需微調(diào)參考鏡位置，甚至不進(jìn)行參考鏡位置調(diào)整，即可準(zhǔn)確、快速地確定測(cè)量光束與參考光束的相干迭加點(diǎn)，形成表征MEMS器件待測(cè)表面形貌的明暗相間的干涉條紋圖樣，進(jìn)而大大提高對(duì)MEMS器件表面形貌的測(cè)試精度，準(zhǔn)確體現(xiàn)MEMS器件微結(jié)構(gòu)的形貌狀況。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明仍利用紅外光對(duì)半導(dǎo)體材料的良好透射性能，將現(xiàn)有白光干涉技術(shù)從可見光波段推廣到紅外光波段，應(yīng)用紅外光干涉技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)MEMS器件結(jié)構(gòu)形貌的測(cè)量；并在應(yīng)用紅外光干涉技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)MEMS器件結(jié)構(gòu)形貌的測(cè)量時(shí)，在干涉儀參考光路的透鏡前設(shè)置與待測(cè)MEMS器件同材質(zhì)的半導(dǎo)體晶片，實(shí)現(xiàn)參考光束與測(cè)量光束間的光程差補(bǔ)償，參考鏡只需做正常范圍內(nèi)的微調(diào)即可，相比于單純依靠大幅度調(diào)整參考鏡位置補(bǔ)償光程差的方式(即上述B方式)而言，更容易獲得較好的干涉條紋圖，實(shí)現(xiàn)更高精度(達(dá)百nm量級(jí))的測(cè)量。本發(fā)明所述方法合理，操作方便，測(cè)量精度高，能高精度體現(xiàn)MEMS器件微結(jié)構(gòu)的形貌狀況，利于MEMS器件的質(zhì)量評(píng)定，為改進(jìn)MEMS器件加工工藝、過(guò)程提供依據(jù)，促進(jìn)MEMS器件質(zhì)量和使用性能的提高。適用于基于半導(dǎo)體材料的MEMS器件內(nèi)部形貌重構(gòu)、鍵合樣品鍵合界面粗糙度評(píng)估、MEMS工藝實(shí)時(shí)在線檢測(cè)等領(lǐng)域。圖1為具有兩個(gè)臺(tái)階結(jié)構(gòu)的GaAs樣品的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為使用商業(yè)儀器PolytecMSA400對(duì)圖1所示樣品測(cè)量得到的三維形貌圖；圖3為圖2所示三維形貌圖的截面圖4為本發(fā)明所述測(cè)量方法(即A方式所述測(cè)量方法)的測(cè)量原理圖；圖5為以本發(fā)明所述測(cè)量方法對(duì)圖1所示樣品測(cè)量得到的三維形貌圖；圖6為圖5所示三維形貌圖的截面圖；圖7為B方式所述測(cè)量方法的測(cè)量原理圖；圖8為以B方式所述測(cè)量方法對(duì)圖1所示樣品測(cè)量得到的三維形貌圖；圖9為圖8所示三維形貌圖的截面圖；圖10為C方式所述測(cè)量方法的測(cè)量原理圖；圖11為以C方式所述測(cè)量方法對(duì)圖1所示樣品測(cè)量得到的三維形貌圖；圖12為圖11所示三維形貌圖的截面圖；圖13為L(zhǎng)irmik型光學(xué)干涉結(jié)構(gòu)的原理示意圖；圖14為Michelson型光學(xué)干涉結(jié)構(gòu)的原理示意圖；圖中1_紅外光光源；2-光學(xué)透鏡；3-分光器件；4-光學(xué)透鏡；5-參考鏡；6_光學(xué)透鏡；7-待測(cè)MEMS器件；8-光學(xué)透鏡；9-CXD圖像傳感器；10-計(jì)算機(jī)；11-半導(dǎo)體晶片；12_金層ο具體實(shí)施例方式基于紅外光干涉技術(shù)的MEMS器件形貌測(cè)量方法，以下列步驟實(shí)現(xiàn)1)、對(duì)待測(cè)MEMS器件7進(jìn)行測(cè)量前準(zhǔn)備在不損傷待測(cè)MEMS器件7待測(cè)表面形貌的基礎(chǔ)上，在待測(cè)MEMS器件7待測(cè)表面進(jìn)行阻止紅外線透射的無(wú)損處理(例如
發(fā)明內(nèi)容中驗(yàn)證試驗(yàn)里在待測(cè)MEMS器件待測(cè)表面鍍?cè)O(shè)的金層12)；并在處理后，置于干涉儀掃描平臺(tái)上，且使待測(cè)MEMS器件7的待測(cè)表面朝下面向干涉儀掃描平臺(tái)；2)、應(yīng)用干涉儀對(duì)待測(cè)MEMS器件進(jìn)行測(cè)量如圖4所示，a、以紅外光光源1作為測(cè)量光源，由紅外光光源1發(fā)出的紅外光經(jīng)光學(xué)透鏡2調(diào)整后變?yōu)槠叫泄馐叫泄馐ㄟ^(guò)分光器件3分成沿參考光路傳播的參考光束和沿測(cè)量光路傳播的測(cè)量光束，參考光束經(jīng)參考光路的光學(xué)透鏡4折射、參考鏡5鏡面反射后原路返回，測(cè)量光束經(jīng)測(cè)量光路的光學(xué)透鏡6折射、透射待測(cè)MEMS器件7后，照射經(jīng)無(wú)損處理后的待測(cè)MEMS器件7待測(cè)表面，由待測(cè)表面反射后原路返回，水平調(diào)整參考鏡5的位置，使待測(cè)MEMS器件7待測(cè)表面反射的測(cè)量光束與經(jīng)參考鏡5鏡面反射的參考光束在分光器件3處相干迭加，形成表征待測(cè)MEMS器件7待測(cè)表面形貌的明暗相間的干涉條紋圖樣；b、干涉條紋圖樣經(jīng)光學(xué)透鏡8聚焦后，成像于CXD圖像傳感器9，由CXD圖像傳感器9轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，傳輸至計(jì)算機(jī)10，由計(jì)算機(jī)10應(yīng)用圖像重建軟件對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析處理得所測(cè)MEMS器件表面的三維形貌圖；在應(yīng)用干涉儀對(duì)待測(cè)MEMS器件7進(jìn)行測(cè)量時(shí)，在參考光路的光學(xué)透鏡4前設(shè)置與待測(cè)MEMS器件7同材質(zhì)的半導(dǎo)體晶片11，經(jīng)分光器件3分出的參考光束在透射半導(dǎo)體晶片11后，再經(jīng)參考光路的光學(xué)透鏡4折射、參考鏡5鏡面反射，與待測(cè)MEMS器件7待測(cè)表面反射的測(cè)量光束在分光器件3處相干迭加。具體實(shí)施時(shí)，本發(fā)明所述測(cè)量方法除基于采用Lirmik型光學(xué)干涉結(jié)構(gòu)(如圖4、圖13所示)的干涉儀實(shí)現(xiàn)外，也適用于Michelson型光學(xué)干涉結(jié)構(gòu)(如圖14所示)的干涉儀實(shí)現(xiàn)，只要在參考光路的參考鏡5前設(shè)置與待測(cè)MEMS器件7同材質(zhì)的半導(dǎo)體晶片11即可，實(shí)現(xiàn)容易，利于擴(kuò)展本發(fā)明所述測(cè)量方法的應(yīng)用范圍；另外，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，參考光路光學(xué)透鏡4前增設(shè)的半導(dǎo)體晶片11的厚度與本發(fā)明所述測(cè)量方法的測(cè)量精度無(wú)關(guān)；所述計(jì)算機(jī)應(yīng)用的圖像重建軟件主要依據(jù)現(xiàn)有白光VSI(垂直掃描)和PSI(相移干涉)算法自行編程實(shí)現(xiàn)，而所述圖像重建軟件的編制對(duì)于本
技術(shù)領(lǐng)域：
的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)很容易實(shí)現(xiàn)，計(jì)算機(jī)將表征干涉條紋圖樣的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為灰度圖后，即應(yīng)用自行編程的紅外光VSI(垂直掃描)、PSI(相移干涉)算法對(duì)信號(hào)進(jìn)行解析計(jì)算得到三維形貌圖，在解析計(jì)算中，能充分考慮MEMS器件半導(dǎo)體材料折射率對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，通過(guò)軟件補(bǔ)償，進(jìn)而進(jìn)一步提高了本發(fā)明所述測(cè)量方法的測(cè)量精度。權(quán)利要求一種基于紅外光干涉技術(shù)的MEMS器件形貌測(cè)量方法，以下列步驟實(shí)現(xiàn)1)、對(duì)待測(cè)MEMS器件(7)進(jìn)行測(cè)量前準(zhǔn)備在不損傷待測(cè)MEMS器件(7)待測(cè)表面形貌的基礎(chǔ)上，在待測(cè)MEMS器件(7)待測(cè)表面進(jìn)行阻止紅外線透射的無(wú)損處理；并在處理后，置于干涉儀掃描平臺(tái)上，且使待測(cè)MEMS器件(7)的待測(cè)表面面向干涉儀掃描平臺(tái)；2)、應(yīng)用干涉儀對(duì)待測(cè)MEMS器件進(jìn)行測(cè)量a、以紅外光光源(1)作為測(cè)量光源，由紅外光光源(1)發(fā)出的紅外光經(jīng)光學(xué)透鏡(2)調(diào)整后變?yōu)槠叫泄馐?，平行光束通過(guò)分光器件(3)分成沿參考光路傳播的參考光束和沿測(cè)量光路傳播的測(cè)量光束，參考光束經(jīng)參考光路的光學(xué)透鏡(4)折射、參考鏡(5)鏡面反射后原路返回，測(cè)量光束經(jīng)測(cè)量光路的光學(xué)透鏡(6)折射、透射待測(cè)MEMS器件(7)后，照射經(jīng)無(wú)損處理后的待測(cè)MEMS器件(7)待測(cè)表面，由待測(cè)表面反射后原路返回，水平調(diào)整參考鏡(5)的位置，使待測(cè)MEMS器件(7)待測(cè)表面反射的測(cè)量光束與經(jīng)參考鏡(5)鏡面反射的參考光束在分光器件(3)處相干迭加，形成表征待測(cè)MEMS器件(7)待測(cè)表面形貌的明暗相間的干涉條紋圖樣；b、干涉條紋圖樣經(jīng)光學(xué)透鏡(8)聚焦后，成像于CCD圖像傳感器(9)，由CCD圖像傳感器(9)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，傳輸至計(jì)算機(jī)(10)，由計(jì)算機(jī)(10)應(yīng)用圖像重建軟件對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析處理得所測(cè)MEMS器件表面的三維形貌圖；其特征在于在應(yīng)用干涉儀對(duì)待測(cè)MEMS器件(7)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，在參考光路的光學(xué)透鏡(4)前設(shè)置與待測(cè)MEMS器件(7)同材質(zhì)的半導(dǎo)體晶片(11)，經(jīng)分光器件(3)分出的參考光束在透射半導(dǎo)體晶片(11)后，再經(jīng)參考光路的光學(xué)透鏡(4)折射、參考鏡(5)鏡面反射，與待測(cè)MEMS器件(7)待測(cè)表面反射的測(cè)量光束在分光器件(3)處相干迭加。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于紅外光干涉技術(shù)的MEMS器件形貌測(cè)量方法，其特征在于以中心波長(zhǎng)為1250nm、半峰寬為150nm的紅外光光源作為測(cè)量光源。全文摘要本發(fā)明涉及MEMS器件的形貌測(cè)試，具體是一種基于紅外光干涉技術(shù)的MEMS器件形貌測(cè)量方法。解決了以現(xiàn)有紅外光干涉技術(shù)測(cè)量MEMS器件結(jié)構(gòu)形貌存在的操作不易、測(cè)量誤差較大等問(wèn)題，基于紅外光干涉技術(shù)的MEMS器件形貌測(cè)量方法，以下列步驟實(shí)現(xiàn)1)對(duì)待測(cè)MEMS器件進(jìn)行測(cè)量前準(zhǔn)備；2)應(yīng)用干涉儀對(duì)待測(cè)MEMS器件進(jìn)行測(cè)量，在參考光路的光學(xué)透鏡前設(shè)置與待測(cè)MEMS器件同材質(zhì)的半導(dǎo)體晶片。所述方法合理，操作方便，能高精度體現(xiàn)MEMS器件微結(jié)構(gòu)的形貌狀況，利于MEMS器件的質(zhì)量評(píng)定，為改進(jìn)MEMS器件加工工藝、過(guò)程提供依據(jù)，促進(jìn)MEMS器件質(zhì)量和使用性能的提高。適用于基于半導(dǎo)體材料的MEMS器件內(nèi)部形貌重構(gòu)、鍵合樣品鍵合界面粗糙度評(píng)估、MEMS工藝實(shí)時(shí)在線檢測(cè)等領(lǐng)域。文檔編號(hào)G01B11/24GK101806585SQ20101014264公開日2010年8月18日申請(qǐng)日期2010年4月9日優(yōu)先權(quán)日2010年4月9日發(fā)明者丑修建,劉俊,劉君,劉毅,張文棟,熊繼軍,?？悼?薛晨陽(yáng)申請(qǐng)人:中北大學(xué)