CN101435698B - 透明封装介质下微器件的表面形貌测量系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种透明封装介质下微结构的表面形貌测量系统和方法。该系统包括LED点光源或激光光源、扩束准直透镜组、光阑、分光棱镜、测量物镜、参考物镜、平面参考反射镜、光程补偿板、纳米定位仪、纳米定位仪控制器、数字摄像机、光学成像镜头、数字图像采集卡、三维电控位移台、数据处理和控制计算机；所述的测试方法，其过程包括补偿光学平板厚度的匹配选择、测量和参考光路之间光程差分布的补偿。本发明的优点在于：利用林尼克显微干涉结构所具有的长工作距离和分光路结构特点，在对透明封装介质下微结构测量时可获得对比度好的干涉图像，从而实现表面形貌的精确测量。

Description

透明封装介质下微器件的表面形貌测量系统与方法

技术领域

本发明涉及一种透明封装介质下微器件的表面形貌测量系统与方法，属于面向微机电系统的光电非接触法的几何量测量技术。

背景技术

微机电系统(MEMS)是在微电子技术的基础上发展起来的，是由电子和机械元件组成的集成化器件或系统，采用与集成电路兼容的大批量处理工艺制造，尺寸在微米到毫米之间，将计算、传感与执行融为一体，从而改变了感知和控制自然界的方式。微机电系统(MEMS)的大部分制造工艺与微电子技术领域的加工工艺相兼容，但是相当数量的MEMS器件包含可变形或运动的结构，这是与微电子器件的最大区别。

光学测试方法由于其非接触、快速、精度高等优点，在MEMS测试领域中得到广泛应用。微结构表面形貌的测量不仅是测量离面变形和运动的基础，而且也是评价所构成微结构的制造工艺和性能的关键环节之一。利用显微光学干涉方法可测得微结构的表面形貌，而评价微结构的变形和运动，最有效的方法是获得其变形或运动瞬间的表面形貌的变化，直接的方法是采用高速摄像机进行瞬态运动状态的干涉图像采集。然而，高速摄像机价格昂贵，难以进行大范围的应用推广。另外一种解决方法是采用频闪成像技术，该技术可采用每秒采集图像为十几帧的普通摄像机。由于单次频闪不能得到足够的光强进行成像，因此需要对相同运动瞬间进行若干次频闪成像，摄像机得到的图像来自于若干次频闪照明下光强的总和，这也就要求被测的微结构进行重复性很高的周期运动。通过高速摄像或频闪成像的方法可得到包含微结构变形或运动各个瞬间的干涉图像，通过分析干涉图像就可获得各个瞬间的表面形貌，比较各个瞬间表面形貌的变化就可对微结构的变形和运动进行评价。微结构的变形或运动特性可计算得到微结构的一些材料力学特性，从而可用于对制造工艺进行评价，如果微结构的变形或运动是用来实现特定的功能的，那么其特性也可用于评价所构成微器件工作性能的评价。通过上述分析，可看出表面形貌测量是微结构很多特性测量的基础。

绝大多数微器件在制作完成之后必须经过封装才能正常使用，封装后微器件内部的环境可能是真空或包含特定的气体。目前微结构表面形貌的测量都是在大气下进行的，即测试时所构成微器件所处的环境与实际工作环境是不同的，而在大气状态下的表面气液吸附和空气阻尼不仅会影响微结构的表面形貌，而且会影响微结构的变形和运动特性，尤其是由于尺寸的缩小，绝大多数微结构的运动频率都比较高，一般在50K～500KHz，甚至更高。

为了能够真实测量出微结构在实际工作状态下性能，那么必须对封装后的微结构进行测量。在这种情况下，为了使得光学测量方法能够实施，可用透明介质对微结构进行封装，即光束可透过透明封装介质照射到被测微结构上而实施测量，即使实际应用时微器件的封装层是不透光的，但是在实施测量时采用透明介质进行封装也能完全保证实际应用中所处真空或特定气氛的环境。然而，显微干涉测量表面形貌的关键是测量光束和参考光束之间光程差的分布，而透明封装介质的插入会带来光程差分布的变化，从而导致测得表面形貌存在一定的偏差；另外透明封装介质会引起光程长的变化，这样就会导致干涉图像中干涉条纹的对比度下降，从而影响测量的准确性，甚至可能导致干涉条纹消失，此时测量无法进行。因此，透明封装介质下微结构表面形貌的测量必须解决透明封装介质在测量光路中插入后所引起的光程变化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种透明封装介质下微器件的表面形貌测量系统与方法，所述的测量系统结构简单，测量方法简单、适用、可靠。

本发明是通过下述技术方案加以实现的，一种透明封装介质下微器件的表面形貌测量系统，该测量系统包括：用于完成干涉图像的采集、处理与分析的装置，林尼克相移显微干涉仪及放置透明封装介质下微器件的三维电控位移台，所述的干涉图像的采集、处理与分析的装置包括：控制计算机，控制计算机的输出端连接林尼克相移显微干涉仪中的纳米定位仪控制器，控制计算机输入端依次连接数字图像采集卡和数字摄像机，其特征在于：林尼克相移显微干涉仪包括：LED点光源或激光光源，在光源光的投射光路上依次设置扩束准直透镜组、光阑和分光棱镜，在分光棱镜的两条光的输出端分别设置测量物镜和参考物镜，测量物镜照射微器件，参考物镜的光投射光路上依次设置光程补偿板和设置在纳米定位仪上的平面参考反射镜，纳米定位仪连接纳米定位仪控制器。

采用上述的测量系统，测量透明封装介质下微器件的表面形貌的方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)将一块平面反射镜放置在测量物镜下，通过三维电控位移台进行聚焦而清晰成像，利用相移干涉法计算出平面反射镜的表面形貌；

(2)步骤(1)计算出平面反射镜的表面形貌将不是平面，而其偏差则是测量光路和参考光路之间光程差的分布，保存该数据以用于后续其他被测对象表面形貌测量数据的补偿；

(3)将透明封装介质下的微器件放置在测量物镜下并准确聚焦；

(4)在参考物镜和平面反射镜之间依次插入与透明封装介质厚度相近且各不相同的光程补偿平板，记录不同厚度光程补偿板下的干涉图像；

(5)对步骤(4)得到的不同厚度光程补偿板下的干涉图像进行比较，选择干涉图像中暗条纹与亮条纹灰度差最大时的光程补偿板用于后续表面形貌测量；

(6)利用相移干涉法计算出被测微器件的表面形貌，并用步骤(2)得到的光程差分布数据进行数据补偿而得到被测微器件真实的表面形貌；

(7)如果要进一步提高微器件表面形貌的测量准确度时，则要考虑所插入透明封装介质和补偿光学平板之间差异对干涉图像上位相的影响，消除该影响通过以下步骤来实现：

(7-1)在对微器件进行封装之前将透明封装板放置在测量物镜之下，透明封装板下面再放置一块标准平面反射镜，调整透明封装板与标准平面反射镜之间的间距，使得与微器件封装后被测表面和透明封装板之间的间距基本相同；

(7-2)按照步骤(4)和(5)选择相应厚度的光程补偿板；

(7-3)按照步骤(1)和(2)得到测量光路和参考光路之间光程差的分布；

(7-4)用上述步骤(3)使用的透明封装板对微器件进行封装，并按照步骤(6)和步骤(7-3)得到的光程差分布得到真实且更为精确的表面形貌。

本发明的优点在于：采用林尼克相移显微干涉结构，测量的工作距离完全取决于显微物镜的工作距离，相对较长，这样对封装层和被测表面之间距离的限制小，提高了封装的灵活度，林尼克相移显微干涉结构可方便地在参考光路中插入不同的光程补偿板，这样不同厚度的透明封装介质都可选择出对应的光程补偿板而实施精确的表面形貌测量。

附图说明

图1透明封装介质下微器件的表面形貌测量系统框图；

图2透明封装介质下微器件的干涉图像中低对比度的干涉条纹；

图3实施光程补偿后的透明封装介质下微器件的干涉图像中高对比度干涉条纹；

图4林尼克显微干涉测量微台阶的结果；

图5 Mirau显微干涉测量时微台阶表面的干涉图像；

图6 Mirau显微干涉测量的微台阶的表面形貌；

图7林尼克显微干涉测量平面反射镜表面形貌的结果；

图8实施光程差分布补偿后林尼克显微干涉测量微台阶的结果。

具体实施方式

透明封装介质下微器件的表面形貌测量系统的框图如图1所示，该系统包括LED点光源或激光光源、扩束准直透镜组、光阑、分光棱镜、测量物镜、参考物镜、平面参考反射镜、光程补偿板、纳米定位仪(PI S303，位移分辨率优于1nm)、纳米定位仪控制器(PI 624)、数字摄像机(CV-M4+CL，10bits，1392×1040)、光学成像镜头、数字图像采集卡(Dalsa，X64-CLiPro100)、三维电控位移台、数据处理和控制计算机。LED点光源或激光光源、扩束准直透镜组、光阑、分光棱镜、测量物镜、参考物镜、平面参考反射镜、纳米定位仪、纳米定位仪控制器构成林尼克相移显微干涉结构。光从LED点光源或激光光源发出，经过扩束准直透镜组后变换成一定大小的平行光，在经过光阑入射到分光棱镜分为测量光束和参考光束，测量光束经测量物镜聚焦到被测微器件表面，反射后通过测量物镜回到分光棱镜，参考光束经参考物镜聚焦到平面参考反射镜，反射后通过参考物镜也回到分光棱镜，测量光束和参考光束的反射光在分光棱镜处产生干涉。为了获得干涉的位相分布来得到表面形貌信息，纳米定位仪在纳米定位仪控制器的控制下带动平面参考反射镜沿光轴前后移动，获得不同相位移动量，从而使得表面形貌能从多幅具有不同相移量的干涉图像中求解出来。在分光棱镜出产生的光学干涉经过光学成像镜头在数字摄像机上成像并数字化，再由数字图像卡传输到数据处理和控制计算机中进行分析。三维电控位移台的XY平面位移控制用于寻找测量区域，Z向位移控制一种情况用于上述相移干涉测量中被测表面的聚焦，另一种情况可在LED光源为白光时实施基于白光扫描干涉的表面形貌测量。位于参考物镜和平面参考反射镜之间的光程补偿板用于补偿测量物镜与被测微器件之间存在的透明封装介质所引入的光程差。

将一微台阶结构置于测量物镜下，两者之间再放置一块厚度为0.5毫米的光学平板，以等效于透明封装介质，图2是此时的干涉图像，可看出干涉条纹的对比度较低，测量的信噪比低；逐渐增加光学平板的厚度，干涉条纹的对比度将越来越低，最后干涉条纹完全消失。在参考物镜和平面参考反射镜之间插入一块相同厚度的光学平板，以补偿测量光路中插入光学平板带来的光程变化，图3是插入光学补偿板之后的干涉图像，可看出干涉图像的对比度得到了显著的提高，此时实施测量的分辨率高。

图3所示的干涉图像中干涉条纹是环形的，求解出的表面形貌如图4所示，可看出是在一个大曲面上叠加了一个小台阶，这与真实的情况是完全不同的。图5是在Mirau显微干涉物镜下得到的干涉图像，可看出微台阶结构的倾斜而使得干涉条纹平行分布，这些等间距平行的干涉条纹也表明微台阶结构的实际表面形貌是在一个平面上突起了一个台阶，台阶上表面也是个平面，与下表面相平行，图6为测得的表面形貌。因此，由于林尼克显微干涉结构中使用了两只物镜，测量光路和参考光路之间的光程差分布很难保证均一，而且插入的光学平板也会引入一些影响。为了补偿林尼克显微干涉结构中光程差的不均一，在测量具体微器件表面形貌之前先测一个标准的平面，图7是测得的结果，由于被测平面是很理想的，因此可认为图7是林尼克显微干涉结构中测量光路和参考光路间光程的不均一分布，将图7的数据对图4的数据进行补偿就得到了微台阶的真实表面形貌，如图8所示。

Claims (1)

1.一种透明封装介质下微器件的表面形貌测量方法，该测量方法采用的测量系统包括：用于完成干涉图像的采集、处理与分析的装置，林尼克相移显微干涉仪及放置透明封装介质下微器件的三维电控位移台，为了提高微器件表面形貌的测量准确度，要考虑所插入透明封装介质和补偿光学平板之间差异对干涉图像上位相的影响，其特征在于包括以下步骤：

(1)在对微器件进行封装之前将透明封装板放置在测量物镜之下，透明封装板下面再放置一块标准平面反射镜，调整透明封装板与标准平面反射镜之间的间距，使得与微器件封装后被测表面和透明封装板之间的间距基本相同；

(2)在参考物镜和平面参考反射镜之间依次插入与透明封装介质厚度相近且各不相同的光程补偿平板，记录不同厚度光程补偿板下的干涉图像；

(3)对步骤(2)得到的不同厚度光程补偿板下的干涉图像进行比较，选择干涉图像中暗条纹与亮条纹灰度差最大时的光程补偿板用于后续表面形貌测量；

(4)将放置在测量物镜下标准平面反射镜通过三维电控位移台进行聚焦而清晰成像，利用相移干涉法计算出标准平面反射镜的表面形貌，计算出标准平面反射镜的表面形貌将不是平面，而其偏差则是测量光路和参考光路之间光程差的分布，保存该数据以用于后续其他被测对象表面形貌测量数据的补偿；

(5)用上述步骤使用的透明封装板对微器件进行封装，将透明封装介质下的微器件放置在测量物镜下并准确聚焦，利用相移干涉法计算出被测微器件的表面形貌，并用步骤(4)得到的光程差分布数据进行数据补偿而得到被测微器件真实的表面形貌。

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