专利名称：基于红外白光干涉技术的微结构形貌测试方法
技术领域：
本发明涉及微机电MEMS器件的微形貌测试，具体是一种针对硅制 MEMS器件中的沟槽侧壁形貌进行测试的基于红外白光干涉技术的微结构形 貌测试方法，尤其针对高深宽比的深沟槽结构。
背景技术：
随着微机电系统MEMS的发展，对微结构所提出的要求也越来越高，对 于现在MEMS高深宽比微细结构(即高深宽比的深沟槽结构)来说，如采 用侧壁电容取样的结构和谐振陀螺的梳齿结构，侧壁粗糙度直接影响着微机械 器件的性能，如驱动力、使用频率范围、灵敏度和位移量等；现在MEMS 高深宽比微细结构的宽度为1 10pm,高度为10 500pm，深宽比一般在10 100: l之间。随着这种高深宽比微细结构的发展对于推动微机电系统技术在航 空、航天、电子、化工、生物、医疗、机电等许多领域的应用将起到关键的作 用，同时在工艺中相应的测试技术和检测仪器也不断涌现。国内外现有对微结构器件几何量测试技术大致有两种解剖测试和轮廓测 试；对于解剖测试，最常用的仪器要数扫描电子显微镜SEM和原子力显微镜， 它们可以把测试区域放大上千倍，能清晰的看清各个部位的微小形貌特征，但 是，它们只能测量表面的二维形貌，由于其探测原理上的局限性使得对于具有 高深宽比的沟槽结构，其槽的底部跟侧面的形貌就无法看清，只能通过破坏器 件结构的方法进行测量，不适用于在线测试，也不能实时地对提高器件性能提 供有效帮助。干涉测量技术是以光波干涉原理为基础进行测量的一门技术，与一般光学成像测量技术相比，干涉测量具有大量程、高灵敏度、高精度等特点。近几年, 利用此原理逐渐成熟起来的轮廓测试方法，以白光干涉仪为代表的非接触式形 貌测量装置，此类装置不用接触样品表面，无需破坏器件结构，即可完成对器 件结构的三维形貌测试。目前国内外成熟的同类产品有英国泰勒'霍普森有限公司的TalySurf CCI、德国Polytec公司以及美国Zygo公司的zygo —系列白光干涉产品性能卓越应用广泛。对于测试结果，其横向分辨率在um量级，纵向分 辨率能达到nm量级，通过对白光光谱的分析能得到高分辨率的三维表面图形。尽管基于白光干涉技术的测量方法方兴未艾，相继研制的设备也不断出 现，但鉴于白光的波长测试极限及其测量精度的限制，此类测试仪器对高深宽 比的深沟槽结构仍无法看到其侧面表面形貌。发明内容本发明为了解决现有测试技术无法对MEMS器件中深沟槽结构的侧壁形 貌进行测量的问题，提供了一种基于红外白光干涉技术的微结构形貌测试方 法。本发明是采用如下技术方案实现的基于红外白光干涉技术的微结构形貌 测试方法，以下列步骤实现1) 、在不损伤待测器件深沟槽结构的待测侧壁表面形貌的基础上，在待测 侧壁表面进行阻止红外线透射的无损处理；2) 、以红外光源作为测量光源，由红外光源发出的红外光经透镜调整后变 为平行光束，平行光束通过分光器件分成参考光束和检测光束，检测光束透射 深沟槽结构的待测侧壁，经侧壁与无损处理的交界面反射后，与经参考镜面反 射的参考光束相干迭加，形成表征侧壁表面形貌的明暗相间的干涉条纹图样；3)、干涉条纹图样经过光学透镜由CCD图像传感器转换成电信号，传输 至计算机，并应用现有图像重构软件对信号进行分析处理得所测侧壁的三维形 貌图。本发明利用在红外光波长下MEMS器件加工工艺材料一硅的微观结构是 相对透明的特性，以红外光作为测量光源，红外光透射深沟槽结构的硅质待测 侧壁，并在硅质侧壁与无损处理采用材料的交界面上发生反射及散射，与参考 光束相干迭加，可以得到反映此深沟槽侧壁的表面轮廓的干涉条纹图样，然后， 经光学透镜由CCD图像传感器转换成电信号，经由计算机分析处理得到所测 深沟槽结构侧壁表面的三维形貌图。所述无损处理是本技术领域的技术人员能 够实现的，因此未详细进行描述。与现有技术相比，本发明由于应用了红外光的透射特性，能够对复杂的深 沟槽结构进行测量，突破了现有测量技术无法实现深沟槽结构测量的缺点，本 发明除应用于具有深沟槽结构的MEMS器件外，还适用于表面有高低起伏的 轮廓结构与其表面粗糙度的测量，也可应用于反射式材料，应用领域广。
图l为本发明所述方法的测试原理图；图2为以本发明所述方法测量高深宽比的深沟槽侧壁的示意图； 图l中l-待测器件；2-红外光源；3-透镜组；4-分光器件；5-参考镜面； 6-CCD图像传感器。
具体实施方式
基于红外白光干涉技术的微结构形貌测试方法，以下列步骤实现1)、在不损伤待测器件1深沟槽结构的待测侧壁表面形貌的基础上，在待测侧壁表面进行阻止红外线透射的无损处理；2) 、(如图1所示)以红外光源2作为测量光源，由红外光源2发出的红 外光经透镜组3调整后变为平行光束，平行光束通过分光器件4分成参考光束 和检测光束，检测光束透射深沟槽结构的待测侧壁，经侧壁与无损处理的交界 面反射后，与经参考镜面5反射的参考光束相干迭加，形成表征侧壁表面形貌 的明暗相间的干涉条纹图样；3) 、干涉条纹图样经过光学透镜由CCD图像传感器6转换成电信号，传 输至计算机，并应用现有图像重构软件对信号进行分析处理得所测侧壁的三维 形貌图。具体测试时，考虑到透射程度和测试需要，所述红外光源采用是 800-1200nm光谱范围内的红外光源；由于待测侧壁表面会存在不同的形貌特 征，要想在任何区域都出现干涉现象，就需要调节待测器件的位置，产生纳米 量级的相位变化，使得在待测侧壁面出现的明级中央亮条纹发生位移变化，我 们通过为参考镜面以及待测器件分别配备压电微位移器和三维可调节平台，来 调节参考镜面和待测器件的俯仰角度、左右位置，从而使红外光可以透射过临 近待测深沟槽的梳齿，照射在待测深沟槽侧壁与无损处理的交界面，经反射形 成干涉条纹，例如对深度为50um、宽度为5um、深宽比为10: 1的深沟槽 梳齿结构侧壁进行测量，将其倾斜11.3°，侧壁上半部分的形貌即可得到，而 对于下半部分侧壁，红外光透射过一个梳齿的厚度(如图2所示)，打到侧壁 的下半部分，从而实现整个侧壁的测量；对深度为100um、宽度为5um、深宽 比为20: 1的深沟槽梳齿结构侧壁进行测量，将其倾斜5.7。，得到整个侧壁的 形貌。
权利要求
1. 一种基于红外白光干涉技术的微结构形貌测试方法，其特征在于以下列步骤实现1)、在不损伤待测器件(1)深沟槽结构的待测侧壁表面形貌的基础上，在待测侧壁表面进行阻止红外线透射的无损处理；2)、以红外光源(2)作为测量光源，由红外光源(2)发出的红外光经透镜组(3)调整后变为平行光束，平行光束通过分光器件(4)分成参考光束和检测光束，检测光束透射深沟槽结构的待测侧壁，经侧壁与无损处理的交界面反射后，与经参考镜面(5)反射的参考光束相干迭加，形成表征侧壁表面形貌的明暗相间的干涉条纹图样；3)、干涉条纹图样经过光学透镜由CCD图像传感器(6)转换成电信号，传输至计算机，并应用现有图像重构软件对信号进行分析处理得所测侧壁的三维形貌图。
2、 根据权利要求l所述的基于红外白光干涉技术的微结构形貌测试方法， 其特征在于所述红外光源(2)采用是800-1200nm光谱范围内的红外光源。
全文摘要
本发明涉及微机电MEMS器件的微形貌测试，具体是一种基于红外白光干涉技术的微结构形貌测试方法，解决了现有测试技术无法对MEMS器件中深沟槽结构侧壁形貌进行测量的问题，以下列步骤实现1)在待测侧壁表面进行阻止红外线透射的无损处理；2)以红外光源作为测量光源，红外光经透镜组调整为平行光束，经分光器件分成参考光束、检测光束，检测光束透射深沟槽结构的侧壁，经侧壁与无损处理的交界面反射后，与经参考镜面反射的参考光束相干迭加，形成干涉条纹图样；3)干涉条纹图样经光学透镜、CCD图像传感器传输至计算机，分析处理得所测侧壁的三维形貌图。本发明突破了现有测量技术无法实现深沟槽结构测量的缺点，应用领域广。
文档编号G01B11/30GK101266139SQ200810054908
公开日2008年9月17日 申请日期2008年4月30日 优先权日2008年4月30日
发明者俊 刘, 刘文怡, 张文栋, 明 李, 熊继军, 薛晨阳, 魏天杰 申请人:中北大学