时间相移显微干涉术用于微机电系统的尺寸表征

　　微机电系统(MEMS)是在半导体技术基础上发展而来的,但其涉及的材料、设计、加工、模拟、封装和测试技术要比半导体技术复杂.早期MEMS着重于设计和开发;现在着重于进行商品化,提高产品的可靠性和降低成本和售价.因此,测试对于MEMS越来越重要,

　　测试可占到MEMS成本的1/3[1].表面计量方法主要包括触针轮廓仪、扫描电子显微镜(scanning electron microscope, SEM)、共焦显微镜以及相移干涉仪等.触针系统对材料的属性不敏感,但是速度比光学方法慢,需要接触表面,这样可能会损伤表面.SEM具有很高的分辨力,但是价格昂贵,需要将样品放置在真空中,并且不能提供表面的三维信息.共焦系统可提供三维数据,但属于单点式测量,为了得到表面信息需要进行扫描,测量时间较长.相移干涉方法则是精密表面表征的首选方法之一,它属于非接触测量,具有快速、健壮、灵活的特点,垂直方向的分辨力可以达到0·1 nm,但是能够测量的台阶高度必须小于λ/4(λ为测量光波长).

　　早在1966年,Carré[2]就提出了时间相移显微干涉(temporal phase-shifting method,TPM)的基本思想,他所设计的四步等步长算法是目前最常用的算法之一,但是,由于当时技术水平和设备条件的限制,未能得到进一步的发展.1974年,Bruning等[3]详细描述了TPM的原理,采用压电陶瓷作为相移元件,在Twyman-Green干涉仪中推动用于反射参考光的镜子,以改变参考光的光程.Bruning利用该系统测量了光学平面、透镜的外形,首次完整报道了一套波面自动测量系统.Bruning的工作被认为是相移技术的开端,采用锆钛酸铅(Pb(Zr0·53Ti0·47)O3,PZT)引入相移是目前最常用的方法,文中用于计算相位的同步探测算法是目前应用最多的算法之一.至今,TPM的研究已非常广泛,产生相移的方法也达10种左右.相移算法也非常之多,甚至出现了许多相移算法的推导方法,研究人员可根据这些方法自己设计合适的算法[4-6].近10年来,光电技术、计算机技术和激光技术的发展,使这一技术得到更快的发展,并在光学元件质量检测、全息、散斑干涉计量等领域中得到广泛应用[7].

　　本文将时间相移显微干涉术应用在微机电系统的尺寸表征上,利用高精度压电陶瓷物镜纳米定位器实现垂直方向的移相,并通过健壮的5帧Hariharan算法获取表面的相位信息.实验测量了纳米标准台阶、微谐振器和压力传感器微薄膜的几何尺寸,说明了系统的功能.

　　1　测试系统的设置

　　测试系统采用Nikon公司的Mirau型显微干涉物镜,有10倍、20倍和50倍可供选择,安装在德国Zeiss公司的光学显微镜上.照明光源有2种:一种是高性能的LED(Luxeon公司,Star/O型,中心波长为617 nm,光学带宽为20 nm),用于时间相移干涉测量;另一种是卤素灯,用于白光扫描干涉测量,它们通过光路切换器进行选择.实验中采用的是LED光照明.一个纳米定位器(PI P-721.CL,电容传感器反馈闭环控制,最小分辨力0·7 nm),用来实现干涉图样相位的调制,以亚纳米分辨力调整光程差.图像通过一个CCD摄像机(美国Redlake公司,Megaplus 1·6i,1 534×1 024像素,9μm像素间距,100%填充因数,10位灰度值的分辨力)进行采集,然后传输给PC机进行后续处理.整套系统放置在一个隔振平台(TMC Lab Table)上,以减小外界振动对系统的影响.