專利名稱：基于紅外白光干涉技術(shù)的微結(jié)構(gòu)形貌測試方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微機電MEMS器件的微形貌測試，具體是一種針對硅制 MEMS器件中的溝槽側(cè)壁形貌進行測試的基于紅外白光干涉技術(shù)的微結(jié)構(gòu)形 貌測試方法，尤其針對高深寬比的深溝槽結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
隨著微機電系統(tǒng)MEMS的發(fā)展，對微結(jié)構(gòu)所提出的要求也越來越高，對 于現(xiàn)在MEMS高深寬比微細(xì)結(jié)構(gòu)(即高深寬比的深溝槽結(jié)構(gòu))來說，如采 用側(cè)壁電容取樣的結(jié)構(gòu)和諧振陀螺的梳齒結(jié)構(gòu)，側(cè)壁粗糙度直接影響著微機械 器件的性能，如驅(qū)動力、使用頻率范圍、靈敏度和位移量等；現(xiàn)在MEMS 高深寬比微細(xì)結(jié)構(gòu)的寬度為1 10pm,高度為10 500pm，深寬比一般在10 100: l之間。隨著這種高深寬比微細(xì)結(jié)構(gòu)的發(fā)展對于推動微機電系統(tǒng)技術(shù)在航 空、航天、電子、化工、生物、醫(yī)療、機電等許多領(lǐng)域的應(yīng)用將起到關(guān)鍵的作 用，同時在工藝中相應(yīng)的測試技術(shù)和檢測儀器也不斷涌現(xiàn)。國內(nèi)外現(xiàn)有對微結(jié)構(gòu)器件幾何量測試技術(shù)大致有兩種解剖測試和輪廓測 試；對于解剖測試，最常用的儀器要數(shù)掃描電子顯微鏡SEM和原子力顯微鏡， 它們可以把測試區(qū)域放大上千倍，能清晰的看清各個部位的微小形貌特征，但 是，它們只能測量表面的二維形貌，由于其探測原理上的局限性使得對于具有 高深寬比的溝槽結(jié)構(gòu)，其槽的底部跟側(cè)面的形貌就無法看清，只能通過破壞器 件結(jié)構(gòu)的方法進行測量，不適用于在線測試，也不能實時地對提高器件性能提 供有效幫助。干涉測量技術(shù)是以光波干涉原理為基礎(chǔ)進行測量的一門技術(shù)，與一般光學(xué)成像測量技術(shù)相比，干涉測量具有大量程、高靈敏度、高精度等特點。近幾年, 利用此原理逐漸成熟起來的輪廓測試方法，以白光干涉儀為代表的非接觸式形 貌測量裝置，此類裝置不用接觸樣品表面，無需破壞器件結(jié)構(gòu)，即可完成對器 件結(jié)構(gòu)的三維形貌測試。目前國內(nèi)外成熟的同類產(chǎn)品有英國泰勒'霍普森有限公司的TalySurf CCI、德國Polytec公司以及美國Zygo公司的zygo —系列白光干涉產(chǎn)品性能卓越應(yīng)用廣泛。對于測試結(jié)果，其橫向分辨率在um量級，縱向分 辨率能達(dá)到nm量級，通過對白光光譜的分析能得到高分辨率的三維表面圖形。盡管基于白光干涉技術(shù)的測量方法方興未艾，相繼研制的設(shè)備也不斷出 現(xiàn)，但鑒于白光的波長測試極限及其測量精度的限制，此類測試儀器對高深寬 比的深溝槽結(jié)構(gòu)仍無法看到其側(cè)面表面形貌。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明為了解決現(xiàn)有測試技術(shù)無法對MEMS器件中深溝槽結(jié)構(gòu)的側(cè)壁形 貌進行測量的問題，提供了一種基于紅外白光干涉技術(shù)的微結(jié)構(gòu)形貌測試方 法。本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實現(xiàn)的基于紅外白光干涉技術(shù)的微結(jié)構(gòu)形貌 測試方法，以下列步驟實現(xiàn)1) 、在不損傷待測器件深溝槽結(jié)構(gòu)的待測側(cè)壁表面形貌的基礎(chǔ)上，在待測 側(cè)壁表面進行阻止紅外線透射的無損處理；2) 、以紅外光源作為測量光源，由紅外光源發(fā)出的紅外光經(jīng)透鏡調(diào)整后變 為平行光束，平行光束通過分光器件分成參考光束和檢測光束，檢測光束透射 深溝槽結(jié)構(gòu)的待測側(cè)壁，經(jīng)側(cè)壁與無損處理的交界面反射后，與經(jīng)參考鏡面反 射的參考光束相干迭加，形成表征側(cè)壁表面形貌的明暗相間的干涉條紋圖樣；3)、干涉條紋圖樣經(jīng)過光學(xué)透鏡由CCD圖像傳感器轉(zhuǎn)換成電信號，傳輸 至計算機，并應(yīng)用現(xiàn)有圖像重構(gòu)軟件對信號進行分析處理得所測側(cè)壁的三維形 貌圖。本發(fā)明利用在紅外光波長下MEMS器件加工工藝材料一硅的微觀結(jié)構(gòu)是 相對透明的特性，以紅外光作為測量光源，紅外光透射深溝槽結(jié)構(gòu)的硅質(zhì)待測 側(cè)壁，并在硅質(zhì)側(cè)壁與無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，經(jīng)由計算機分析處理得到所測 深溝槽結(jié)構(gòu)側(cè)壁表面的三維形貌圖。所述無損處理是本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員能 夠?qū)崿F(xiàn)的，因此未詳細(xì)進行描述。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明由于應(yīng)用了紅外光的透射特性，能夠?qū)?fù)雜的深 溝槽結(jié)構(gòu)進行測量，突破了現(xiàn)有測量技術(shù)無法實現(xiàn)深溝槽結(jié)構(gòu)測量的缺點，本 發(fā)明除應(yīng)用于具有深溝槽結(jié)構(gòu)的MEMS器件外，還適用于表面有高低起伏的 輪廓結(jié)構(gòu)與其表面粗糙度的測量，也可應(yīng)用于反射式材料，應(yīng)用領(lǐng)域廣。


圖l為本發(fā)明所述方法的測試原理圖；圖2為以本發(fā)明所述方法測量高深寬比的深溝槽側(cè)壁的示意圖； 圖l中l(wèi)-待測器件；2-紅外光源；3-透鏡組；4-分光器件；5-參考鏡面； 6-CCD圖像傳感器。
具體實施方式
基于紅外白光干涉技術(shù)的微結(jié)構(gòu)形貌測試方法，以下列步驟實現(xiàn)1)、在不損傷待測器件1深溝槽結(jié)構(gòu)的待測側(cè)壁表面形貌的基礎(chǔ)上，在待測側(cè)壁表面進行阻止紅外線透射的無損處理；2) 、(如圖1所示)以紅外光源2作為測量光源，由紅外光源2發(fā)出的紅 外光經(jīng)透鏡組3調(diào)整后變?yōu)槠叫泄馐叫泄馐ㄟ^分光器件4分成參考光束 和檢測光束，檢測光束透射深溝槽結(jié)構(gòu)的待測側(cè)壁，經(jīng)側(cè)壁與無損處理的交界 面反射后，與經(jīng)參考鏡面5反射的參考光束相干迭加，形成表征側(cè)壁表面形貌 的明暗相間的干涉條紋圖樣；3) 、干涉條紋圖樣經(jīng)過光學(xué)透鏡由CCD圖像傳感器6轉(zhuǎn)換成電信號，傳 輸至計算機，并應(yīng)用現(xiàn)有圖像重構(gòu)軟件對信號進行分析處理得所測側(cè)壁的三維 形貌圖。具體測試時，考慮到透射程度和測試需要，所述紅外光源采用是 800-1200nm光譜范圍內(nèi)的紅外光源；由于待測側(cè)壁表面會存在不同的形貌特 征，要想在任何區(qū)域都出現(xiàn)干涉現(xiàn)象，就需要調(diào)節(jié)待測器件的位置，產(chǎn)生納米 量級的相位變化，使得在待測側(cè)壁面出現(xiàn)的明級中央亮條紋發(fā)生位移變化，我 們通過為參考鏡面以及待測器件分別配備壓電微位移器和三維可調(diào)節(jié)平臺，來 調(diào)節(jié)參考鏡面和待測器件的俯仰角度、左右位置，從而使紅外光可以透射過臨 近待測深溝槽的梳齒，照射在待測深溝槽側(cè)壁與無損處理的交界面，經(jīng)反射形 成干涉條紋，例如對深度為50um、寬度為5um、深寬比為10: 1的深溝槽 梳齒結(jié)構(gòu)側(cè)壁進行測量，將其傾斜11.3°，側(cè)壁上半部分的形貌即可得到，而 對于下半部分側(cè)壁，紅外光透射過一個梳齒的厚度(如圖2所示)，打到側(cè)壁 的下半部分，從而實現(xiàn)整個側(cè)壁的測量；對深度為100um、寬度為5um、深寬 比為20: 1的深溝槽梳齒結(jié)構(gòu)側(cè)壁進行測量，將其傾斜5.7。，得到整個側(cè)壁的 形貌。
權(quán)利要求
1. 一種基于紅外白光干涉技術(shù)的微結(jié)構(gòu)形貌測試方法，其特征在于以下列步驟實現(xiàn)1)、在不損傷待測器件(1)深溝槽結(jié)構(gòu)的待測側(cè)壁表面形貌的基礎(chǔ)上，在待測側(cè)壁表面進行阻止紅外線透射的無損處理；2)、以紅外光源(2)作為測量光源，由紅外光源(2)發(fā)出的紅外光經(jīng)透鏡組(3)調(diào)整后變?yōu)槠叫泄馐?，平行光束通過分光器件(4)分成參考光束和檢測光束，檢測光束透射深溝槽結(jié)構(gòu)的待測側(cè)壁，經(jīng)側(cè)壁與無損處理的交界面反射后，與經(jīng)參考鏡面(5)反射的參考光束相干迭加，形成表征側(cè)壁表面形貌的明暗相間的干涉條紋圖樣；3)、干涉條紋圖樣經(jīng)過光學(xué)透鏡由CCD圖像傳感器(6)轉(zhuǎn)換成電信號，傳輸至計算機，并應(yīng)用現(xiàn)有圖像重構(gòu)軟件對信號進行分析處理得所測側(cè)壁的三維形貌圖。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的基于紅外白光干涉技術(shù)的微結(jié)構(gòu)形貌測試方法， 其特征在于所述紅外光源(2)采用是800-1200nm光譜范圍內(nèi)的紅外光源。
全文摘要
本發(fā)明涉及微機電MEMS器件的微形貌測試，具體是一種基于紅外白光干涉技術(shù)的微結(jié)構(gòu)形貌測試方法，解決了現(xiàn)有測試技術(shù)無法對MEMS器件中深溝槽結(jié)構(gòu)側(cè)壁形貌進行測量的問題，以下列步驟實現(xiàn)1)在待測側(cè)壁表面進行阻止紅外線透射的無損處理；2)以紅外光源作為測量光源，紅外光經(jīng)透鏡組調(diào)整為平行光束，經(jīng)分光器件分成參考光束、檢測光束，檢測光束透射深溝槽結(jié)構(gòu)的側(cè)壁，經(jīng)側(cè)壁與無損處理的交界面反射后，與經(jīng)參考鏡面反射的參考光束相干迭加，形成干涉條紋圖樣；3)干涉條紋圖樣經(jīng)光學(xué)透鏡、CCD圖像傳感器傳輸至計算機，分析處理得所測側(cè)壁的三維形貌圖。本發(fā)明突破了現(xiàn)有測量技術(shù)無法實現(xiàn)深溝槽結(jié)構(gòu)測量的缺點，應(yīng)用領(lǐng)域廣。
文檔編號G01B11/30GK101266139SQ200810054908
公開日2008年9月17日 申請日期2008年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月30日
發(fā)明者俊 劉, 劉文怡, 張文棟, 明 李, 熊繼軍, 薛晨陽, 魏天杰 申請人:中北大學(xué)