专利名称：：基于红外光干涉技术的mems器件形貌测量方法
技术领域：
：本发明涉及MEMS器件的形貌测试，具体是一种基于红外光干涉技术的MEMS器件形貌测量方法。
背景技术：
：随着微机电系统MEMS的发展，对MEMS器件所提出的要求也越来越高，其中，MEMS器件的表面形貌是器件质量评定中的重要指标，直接影响到器件的质量和使用性能的高低。目前，国内外在应用白光干涉技术测量MEMS器件表面形貌方面已取得了很大的进展。其中，白光干涉技术测量的原理是以45度角的分光镜将光源分成两束，一束作为参考光线，另一束作为测量光线，测量光线被被测物体反射后与参考光线形成干涉，被CCD采集后，经图像处理得到被测物体的三维形貌图；不用接触待测器件表面，无需破坏器件的结构，可以进行大范围的形貌测量，具有量程大、非接触、灵敏度高、无损伤、精度高的特点。现有白光干涉测量设备以美国Zygo公司、英国Taylor-Hobson公司、德国Polytec公司生产的产品最为典型，其纵向分辨率能达到nm量级，横向分辨率尽管受到CXD的限制也可以达到μm量级，性能卓越，应用广泛，通过对白光干涉条纹的分析可以获得高分辨率的三维表面图形。且白光干涉技术测量已由可见光范围扩展至红外光范围，例如申请号为"200810054908.5”的中国专利申请中公开的“基于红外白光干涉技术的微结构形貌测试方法”，该测试方法利用在红外光范围内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可得到所测深沟槽结构侧壁表面的三维形貌图。但由于MEMS器件所采用的半导体材料折射率较大，因此，在以红外光干涉技术透射MEMS器件的半导体材料测量MEMS器件微结构形貌时，需要大幅度的调整参考镜以补偿红外光透射半导体材料时引起的光程差，以使测量光束与参考光束相干迭加，才能形成表征MEMS器件待测表面形貌的明暗相间的干涉条纹图样，但大幅度调整参考镜位置，首先面临的就是操作问题，调整幅度过大不但不易操作，而且在调整过程中，不易确定测量光线与参考光线的相干迭加点，必然会导致较大的测量误差，使测量得到的三维形貌图与所测MEMS器件微结构的实际形貌存在偏差，无法准确体现MEMS器件微结构的形貌状况，不利于MEMS器件的质量评定，影响MEMS器件的后续加工质量和使用性能。
发明内容本发明为了解决以现有红外光干涉技术测量MEMS器件结构形貌存在的操作不易、测量误差较大等问题，提供了一种基于红外光干涉技术的MEMS器件形貌测量方法。本发明是采用如下技术方案实现的基于红外光干涉技术的MEMS器件形貌测量方法，以下列步骤实现1)、对待测MEMS器件进行测量前准备在不损伤待测MEMS器件待测表面形貌的基础上，在待测MEMS器件待测表面进行阻止红外线透射的无损处理；并在处理后，置于干涉仪扫描平台上，且使待测MEMS器件的待测表面(进行无损处理的那一面)面向干涉仪扫描平台；所述实现上述目的的无损处理方式有很多，对于本
技术领域：
的技术人员来说，可以根据实际待测MEMS器件的结构，选择不同的无损处理方式。2)、应用干涉仪对待测MEMS器件进行测量a、以红外光光源作为测量光源，由红外光光源发出的红外光经光学透镜调整后变为平行光束，平行光束通过分光器件分成沿参考光路传播的参考光束和沿测量光路传播的测量光束，参考光束经参考光路的光学透镜折射、参考镜镜面反射后原路返回，测量光束经测量光路的光学透镜折射、透射待测MEMS器件后，照射经无损处理后的待测MEMS器件待测表面，由待测表面反射后原路返回，水平调整参考镜的位置，使待测MEMS器件待测表面反射的测量光束与经参考镜镜面反射的参考光束在分光器件处相干迭加，形成表征待测MEMS器件待测表面形貌的明暗相间的干涉条纹图样；b、干涉条纹图样经光学透镜聚焦后，成像于CCD图像传感器，由CCD图像传感器转换为电信号，传输至计算机，由计算机应用图像重建软件对信号进行分析处理得所测MEMS器件表面的三维形貌图；在应用干涉仪对待测MEMS器件进行测量时，在参考光路的光学透镜前设置与待测MEMS器件同材质的半导体晶片，经分光器件分出的参考光束在透射半导体晶片后，再经参考光路的光学透镜折射、参考镜镜面反射，与待测MEMS器件待测表面反射的测量光束在分光器件处相干迭加。为验证本发明所述方法的测量效果，选择如图1所视的具有两个台阶结构的GaAs样品进行表面形貌测量。测量前，对GaAs样品具有台阶的一面进行无损处理为顺利进行测量，增强GaAs样品表面对测量光束反射，在GaAs样品具有台阶的一面镀一层厚度约300nm的金层。其中，所述GaAs样品使用商业仪器PolytecMSA400进行非透射形貌测量(将GaAs样品具有台阶的一面面向测量光路，使测量光束直接照射GaAs样品的金层表面进行测量)，测量结果如图2、3所示，并定为与后续验证测量所得测量结果比较的参考标准。选择以中心波长为1250nm、半峰宽为150nm的红外光光源作为测量光源，如图4所示，以本发明所述方法对所述GaAs样品进行透射补偿表面形貌测量(即在参考光路的透镜前放置与GaAs样品同材质的GaAs晶片)，测量结果如图5、6所示；标定为A方式。如图7所示，区别于本发明所述方法，在参考光路的透镜前不放置GaAs晶片，对所述GaAs样品进行透射非补偿表面形貌测量，测量结果如图8、9所示；标定为B方式。另外，如图10所示，区别于上述测量方法，同现有白光干涉测量一致，将GaAs样品具有台阶的一面面向测量光路的透镜置于干涉仪扫描平台上，使测量光束直接照射GaAs样品的金层表面进行测量，测量结果如图11、12所示。标定为C方式。上述三种测量方法测量结果与参考标准的比较结果如下表所示表1<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>由表1可以看出通过方式A(本发明所述测量方法)和方式C测试所得误差较小(小于1.3%)，可完全满足一般的三维形貌测试；而通过方式B测试所得误差较大(大于10%)，可以充分表明应用与待测MEMS器件同材质的半导体晶片对参考光束进行透射补偿，可以补偿测量光束透射MEMS器件半导体材料时引起的光程差，并大大减小由于透射而引起的系统测试误差，在此基础上，只需微调参考镜位置，甚至不进行参考镜位置调整，即可准确、快速地确定测量光束与参考光束的相干迭加点，形成表征MEMS器件待测表面形貌的明暗相间的干涉条纹图样，进而大大提高对MEMS器件表面形貌的测试精度，准确体现MEMS器件微结构的形貌状况。与现有技术相比，本发明仍利用红外光对半导体材料的良好透射性能，将现有白光干涉技术从可见光波段推广到红外光波段，应用红外光干涉技术实现对MEMS器件结构形貌的测量；并在应用红外光干涉技术实现对MEMS器件结构形貌的测量时，在干涉仪参考光路的透镜前设置与待测MEMS器件同材质的半导体晶片，实现参考光束与测量光束间的光程差补偿，参考镜只需做正常范围内的微调即可，相比于单纯依靠大幅度调整参考镜位置补偿光程差的方式(即上述B方式)而言，更容易获得较好的干涉条纹图，实现更高精度(达百nm量级)的测量。本发明所述方法合理，操作方便，测量精度高，能高精度体现MEMS器件微结构的形貌状况，利于MEMS器件的质量评定，为改进MEMS器件加工工艺、过程提供依据，促进MEMS器件质量和使用性能的提高。适用于基于半导体材料的MEMS器件内部形貌重构、键合样品键合界面粗糙度评估、MEMS工艺实时在线检测等领域。图1为具有两个台阶结构的GaAs样品的结构示意图；图2为使用商业仪器PolytecMSA400对图1所示样品测量得到的三维形貌图；图3为图2所示三维形貌图的截面图4为本发明所述测量方法(即A方式所述测量方法)的测量原理图；图5为以本发明所述测量方法对图1所示样品测量得到的三维形貌图；图6为图5所示三维形貌图的截面图；图7为B方式所述测量方法的测量原理图；图8为以B方式所述测量方法对图1所示样品测量得到的三维形貌图；图9为图8所示三维形貌图的截面图；图10为C方式所述测量方法的测量原理图；图11为以C方式所述测量方法对图1所示样品测量得到的三维形貌图；图12为图11所示三维形貌图的截面图；图13为Lirmik型光学干涉结构的原理示意图；图14为Michelson型光学干涉结构的原理示意图；图中1_红外光光源；2-光学透镜；3-分光器件；4-光学透镜；5-参考镜；6_光学透镜；7-待测MEMS器件；8-光学透镜；9-CXD图像传感器；10-计算机；11-半导体晶片；12_金层ο具体实施例方式基于红外光干涉技术的MEMS器件形貌测量方法，以下列步骤实现1)、对待测MEMS器件7进行测量前准备在不损伤待测MEMS器件7待测表面形貌的基础上，在待测MEMS器件7待测表面进行阻止红外线透射的无损处理(例如
发明内容中验证试验里在待测MEMS器件待测表面镀设的金层12)；并在处理后，置于干涉仪扫描平台上，且使待测MEMS器件7的待测表面朝下面向干涉仪扫描平台；2)、应用干涉仪对待测MEMS器件进行测量如图4所示，a、以红外光光源1作为测量光源，由红外光光源1发出的红外光经光学透镜2调整后变为平行光束，平行光束通过分光器件3分成沿参考光路传播的参考光束和沿测量光路传播的测量光束，参考光束经参考光路的光学透镜4折射、参考镜5镜面反射后原路返回，测量光束经测量光路的光学透镜6折射、透射待测MEMS器件7后，照射经无损处理后的待测MEMS器件7待测表面，由待测表面反射后原路返回，水平调整参考镜5的位置，使待测MEMS器件7待测表面反射的测量光束与经参考镜5镜面反射的参考光束在分光器件3处相干迭加，形成表征待测MEMS器件7待测表面形貌的明暗相间的干涉条纹图样；b、干涉条纹图样经光学透镜8聚焦后，成像于CXD图像传感器9，由CXD图像传感器9转换为电信号，传输至计算机10，由计算机10应用图像重建软件对信号进行分析处理得所测MEMS器件表面的三维形貌图；在应用干涉仪对待测MEMS器件7进行测量时，在参考光路的光学透镜4前设置与待测MEMS器件7同材质的半导体晶片11，经分光器件3分出的参考光束在透射半导体晶片11后，再经参考光路的光学透镜4折射、参考镜5镜面反射，与待测MEMS器件7待测表面反射的测量光束在分光器件3处相干迭加。具体实施时，本发明所述测量方法除基于采用Lirmik型光学干涉结构(如图4、图13所示)的干涉仪实现外，也适用于Michelson型光学干涉结构(如图14所示)的干涉仪实现，只要在参考光路的参考镜5前设置与待测MEMS器件7同材质的半导体晶片11即可，实现容易，利于扩展本发明所述测量方法的应用范围；另外，经试验验证，参考光路光学透镜4前增设的半导体晶片11的厚度与本发明所述测量方法的测量精度无关；所述计算机应用的图像重建软件主要依据现有白光VSI(垂直扫描)和PSI(相移干涉)算法自行编程实现，而所述图像重建软件的编制对于本
技术领域：
的技术人员来说很容易实现，计算机将表征干涉条纹图样的电信号转换为灰度图后，即应用自行编程的红外光VSI(垂直扫描)、PSI(相移干涉)算法对信号进行解析计算得到三维形貌图，在解析计算中，能充分考虑MEMS器件半导体材料折射率对测试结果的影响，通过软件补偿，进而进一步提高了本发明所述测量方法的测量精度。权利要求一种基于红外光干涉技术的MEMS器件形貌测量方法，以下列步骤实现1)、对待测MEMS器件(7)进行测量前准备在不损伤待测MEMS器件(7)待测表面形貌的基础上，在待测MEMS器件(7)待测表面进行阻止红外线透射的无损处理；并在处理后，置于干涉仪扫描平台上，且使待测MEMS器件(7)的待测表面面向干涉仪扫描平台；2)、应用干涉仪对待测MEMS器件进行测量a、以红外光光源(1)作为测量光源，由红外光光源(1)发出的红外光经光学透镜(2)调整后变为平行光束，平行光束通过分光器件(3)分成沿参考光路传播的参考光束和沿测量光路传播的测量光束，参考光束经参考光路的光学透镜(4)折射、参考镜(5)镜面反射后原路返回，测量光束经测量光路的光学透镜(6)折射、透射待测MEMS器件(7)后，照射经无损处理后的待测MEMS器件(7)待测表面，由待测表面反射后原路返回，水平调整参考镜(5)的位置，使待测MEMS器件(7)待测表面反射的测量光束与经参考镜(5)镜面反射的参考光束在分光器件(3)处相干迭加，形成表征待测MEMS器件(7)待测表面形貌的明暗相间的干涉条纹图样；b、干涉条纹图样经光学透镜(8)聚焦后，成像于CCD图像传感器(9)，由CCD图像传感器(9)转换为电信号，传输至计算机(10)，由计算机(10)应用图像重建软件对信号进行分析处理得所测MEMS器件表面的三维形貌图；其特征在于在应用干涉仪对待测MEMS器件(7)进行测量时，在参考光路的光学透镜(4)前设置与待测MEMS器件(7)同材质的半导体晶片(11)，经分光器件(3)分出的参考光束在透射半导体晶片(11)后，再经参考光路的光学透镜(4)折射、参考镜(5)镜面反射，与待测MEMS器件(7)待测表面反射的测量光束在分光器件(3)处相干迭加。2.根据权利要求1所述的基于红外光干涉技术的MEMS器件形貌测量方法，其特征在于以中心波长为1250nm、半峰宽为150nm的红外光光源作为测量光源。全文摘要本发明涉及MEMS器件的形貌测试，具体是一种基于红外光干涉技术的MEMS器件形貌测量方法。解决了以现有红外光干涉技术测量MEMS器件结构形貌存在的操作不易、测量误差较大等问题，基于红外光干涉技术的MEMS器件形貌测量方法，以下列步骤实现1)对待测MEMS器件进行测量前准备；2)应用干涉仪对待测MEMS器件进行测量，在参考光路的光学透镜前设置与待测MEMS器件同材质的半导体晶片。所述方法合理，操作方便，能高精度体现MEMS器件微结构的形貌状况，利于MEMS器件的质量评定，为改进MEMS器件加工工艺、过程提供依据，促进MEMS器件质量和使用性能的提高。适用于基于半导体材料的MEMS器件内部形貌重构、键合样品键合界面粗糙度评估、MEMS工艺实时在线检测等领域。文档编号G01B11/24GK101806585SQ20101014264公开日2010年8月18日申请日期2010年4月9日优先权日2010年4月9日发明者丑修建,刘俊,刘君,刘毅,张文栋,熊继军,�？悼�,薛晨阳申请人:中北大学
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