２００９年第２３卷第３期测试技术学报Ｖ０１．２３Ｎｏ．３２００９（总第７５期）ＪｏｕＲＮＡＬＯＦＴＥＳＴＡＮＤＭＥＡｓｕＲＥＭＥＮＴＴＥＣＨＮＯＩ。ＯＧＹ（ＳｕｍＮｏ．７５）
文章编号：１６７１—７４４９（２００９）０３—０２０１—０４
李秋柱，刘毅，牛康康，刘君，丑修建电价查询
（中北大学电子测试技术国家重点实验室，山西太原０３００５１）
摘要：垂直扫描法可以重构微系统中微纳结构的表面形貌，更适合具有台阶结构的微纳结构。其分辨率 高、解算速度快、精度较高．本文利用基于白光干涉技术的垂直扫描法，对微器件的台阶形貌在微系统测试
仪下所得的干涉图进行分析，并重构台阶结构的表面形貌，微系统测试仪所取的干涉图符合垂直扫描法的
要求，即光强峰值附近没有达到饱和，得出了清晰的三维形貌图，解算出的台阶高度和实际台阶高度一致，
其横向分辨率为１．６／ｚｍ，纵向分辨率为０．０５ｐｍ．
关键词：微器件；白光干涉；垂直扫描法；包络线；零光程差位置
中图分类号：ＴＭ９３０文献标识码：Ａ
Ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅ３ＤＳｕｒｆａｃｅＰｒｏｆｉｌｅｏｆＭｉｃｒｏＤｅｖｉｃｅ复方川羚定喘胶囊
ＢａｓｅｄｏｎＷｈｉｔｅ—ＬｉｇｈｔＩｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
ＬＩＱｉｕｚｈｕ，ＬＩＵＹｉ，ＮＩＵＫａｎｇｋａｎｇ，ＬＩＵＪｕｎ，ＣＨＯＵＸｉｕｊｉａｎ
（ＮａｔｉｏｎａｌＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｆｏｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＮｏｒｔｈＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣｈｉｎａ。Ｔａｉｙｕａｎ０３００５１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｖｅｒｔｉｃａｌｓｃａｎｎｉｎｇｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙｃａｎｒｅａｌｉｚｅｔｈｅｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆｓｕｒｆａｃｅｐｒｏｆｉｌｅｏｆｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｆｏｒｓｔｅｐｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ．Ｉｔｉｓｅｘｔｅｎｓｉｖｅｌｙａｐｐｌｉｅｄｔｏｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍｓｄｕｅｔｏｉｔｓｆａｓｔｃｏｍｐｕｔｉｎｇｓｐｅｅｄａｎｄｈｉｇｈａｃｃｕｒａｃｙａｎｄｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｔｈｅｉｎｔｅｒｆｅｒｏｇｒａｍｓｂｅｉｎｇｇｏｔｖａｌｕｅｆｒｏｍｔｈｅｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍａｎａｌｙｚｅｒａｒｅａｎａｌｙｚｅｄｕｓｉｎｇｖｅｒｔｉｃａｌｓｃａｎｎｉｎｇｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ，ａｎｄｔｈｅ３Ｄｓｕｒｆａｃｅｐｒｏｆｉｌｅｏｆｔｈｅｍｉｃｒｏｓｔｅｐｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｓｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ．Ｔｈｅｉｎｔｅｒｆｅｒｏｇｒａｍｓｍｅｅｔｔｈｅｄｅｍａｎｄｓｏｆｔｈｅｖｅｒｔｉｃａｌ
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ｖａｌｕｅ．ＴｈｅｍｅｔｈｏｄａｔｔａｉｎｓｔｈｅｌａｔｅｒａｌｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎＯｆ１．６弘ｍａｎｄｔｈｅｖｅｒｔｉｃａｌｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎｏｆ０．０５ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
／．ｔｍ・
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｉｃｒｏｄｅｖｉｃｅ；ｗｈｉｔｅ—ｌｉｇｈｔｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ；ｖｅｒｔｉｃａｌｓｃａｎｎｉｎｇｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ；ｅｎｖｅｌｏｐｅ；ｚｅｒｏｏｐｔｉｃａｌｐａｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ
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，结构质量的好坏直接决定了其性能的高低，由此在工艺中，相对应的测试计量技术和检测仪器层出不穷［¨．国内外现有对微纳结构器件几何量的测试技术大致有两种：解剖测试和轮廓测试．就解剖测试来说，最常用的仪器有扫描电子显微镜（ＳＥＭ）和原子力显微镜（ＡＦＭ），其能够把测试区域放大上千倍，可以清晰地看到每个部位的微小形貌特征，但其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
收稿日期：２００８—０６—１５
基金项目：国家自然基金重点资助项目（５０５３５０３０；５０７３０００９）
作者简介：李秋柱（１９６２・），男，博士生。主要从事测试计量技术及仪器研究．
冷焊钳２０２测试技术学报２００９年第３期
件性能提供有效帮助；而传统的触针式轮廓仪，在测量微纳结构的表面时，总是会在测量的同时划伤
被测样品的表面瞳］．另外传统的光学测试方法也不能满足现代工业技术的高精度、高效率和自动化的测试要求［３］．为了提高产品在市场中的竞争能力，半导体工业提出对产品质量进行全面控制，其中微结构的表面形貌就是质量评定中的一个非常重要指标，其将直接影响到产品的质量和使用性能。因此，高精度、非接触、无损在线检测显得尤为重要【４・．
白光干涉测量技术是干涉测量法中一种非常重要的方法，其具有量程大、非接触、灵敏度高、无损伤、精度高的特点，以此为主要技术的代表设备有英国泰勒・霍普森有限公司的ＴａｌｙＳｕｒｆＣＣＩ、德国Ｐｏｌｙｔｅｃ公司以及美国Ｚｙｇｏ公司的Ｚｙｇｏ等，此类装置可以不接触样品的表面，无需破坏器件的结构，就可以完成对器件结构的表面形貌测试，具有高测量精度，高灵敏度的特点．依据算法解算的对象的不同，白光干涉信号的算法可以分为以下两种：解算相位信息提取相对高度值的，主要算法有空间频域算法、包络线拟合法、移相法；分析光强值信息解算相对高度值的，其主要算法有重心法、垂直扫描法［６］．在各种算法中，解算相位信息的空间频域算法、包络线拟合法和移相法的计算精度基本一样，而且优于其它几种算法，而分析光强值信息的重心法、垂直扫描法的计算精度相对较低，但可测试台阶比较明显的结构．文中针对测量特定的ＭＥＭＳ台阶样品，分析了垂直扫描法的适用范围，重构此样品的三维形貌阳］．１测量方法及原理
本实验采用德国Ｐｏｌｙｔｅｃ公司的三维形貌微系统测试分析仪，其有三大功能：三维形貌测试系统（ＴｏｐｏｇｒａｐｈｙＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＳｙｓｔｅｍ，ＴＭＳ），应用白光干涉原理测
量微结构的表面形貌，１０倍显微镜下的视场大小为９００／Ｌｍ×６７０ｂｔｍ，横向分辨率为１．６肛ｍ，５０倍显微镜下视场大小为０．１８ｍｍ×０．１３４ｍｍ，横向分辨率为０．８５ｂｔｍ，纵向分辨率都为０．１ｎｍ；微系统分析仪（ＭｉｃｒｏＳｙｓｔｅｍＡｎａｌｙｚｅｒ，ＭＳＡ４００），对微结构的三维运动进行无接触、无破坏的测量，其中显微扫描振动平台（ＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅＳｃａｎｎｉｎｇＶｉｂｒｏｍｅｔｅｒ，ＭＳＶ）是利用多普勒效应对微结构及其微谐振器进行面外运动测量，而面内运动分析仪（ＰｌａｎａｒＭｏｔｉｏｎＡｎａｌｙｚｅｒ，ＰＭＡ）是采用区域扫频的方式来测量微结构的面内运动．本文利用此设备对台阶高度为１．５ｐｍ的微纳结构进行干涉图采集，其放大倍数为１０×，步长为０．３ｔＬｍ，选图范围为１６１×１６１（ｐｉｘｅｌ），大小为１０３．５ｐｍ×１０３．５肛ｍ，曝光时间为１／４００ｓ［引．
应用基于白光干涉原理的垂直扫描法测量台阶结构的表面形貌，如图１所示为白光干涉原理示意
图．光源经发散聚焦后，经过半透镜将光分为两束，分别打到参考镜的表面和被测样品的平面，反射后在半透镜表面形成干涉，干涉图样经聚焦后成像于ＣＣＤ上，当被测表面与参考镜表面的光程差为零时，就形成了明暗相间的干涉条纹．
依据光学干涉的原理，干涉系统中ＣＣＤ上采集到的干涉图光强，可以表示为
Ｊ＿●＿＿＿＿＿一
１一１１＋１２＋２√１１１２ｃｏｓ艿，（１）
艿＝（２７（／Ａ）△，（２）
钢骨架塑料复合管
ＣＣＤ
圈１白光干涉原理示意图
式中：ｊ１，Ｊ２分别为是被测样品表面反射光的光强和Ｆｉｇ．１Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｗｈｉｒｅ—ｌｉｇｈｔｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｅｅ
参考镜平面反射光的光强；ｄ是两束反射光的相位差；Ａ为两束反射光的光程差；Ａ为波长．白光干涉法就是通过提取干涉图的光强值，进而解算被测样品表面形貌的高度信息，其中垂直扫描法就为一种垂直扫描测量方法．由于白光为宽带光源，因此白光干涉条纹图是不同波长的光干涉叠加的效果，故其光强ｊ表示为‘９］，（ｚ，ｙ，２）：Ｉ。＋ｒ｝ｆ＋～州）ｃｏｓ型掣ｄＡ，（３）
ＪＩ一～＾
式中：，ｎ为背景光强；疋为光源的中心波长；２九为光源的带宽；妒（Ａ）是干涉图在ＣＣＤ摄像机上关于波长Ａ的能量分布；ｚ为压电陶瓷的相对位置；Ｚ，ｐ为零光程差位置．
（总第７５期）基于白光干涉测量技术的微器件三维形貌重构（李秋柱等）２０３
由于白光的相干长度大约为几个微米到几十个微米，其光相干距离短，因此当在零光程差位置（２＝都）上，干涉图中的一些特征参数会达到最大值，如光强、对比度等，那么可以通过控制压电陶瓷来精确移动被测样品平面，然后在纵向的方向上扫描被测样品表面，可以得到一系列不同ｚ值的干涉样图，最后再应用白光干涉技术提取被测样品中每个点的纵向零光程差位置２。，重构被测样品表面的三维形貌．此算法在重构表面形貌时需要出每个点的零光程差位置，故需要对每个点的光强值与位置的关系图进行验证，看曲线在峰值附近是否达到饱和，若达到饱和，就不能准确地出每个点的零光程位置．
２测量解算结果分析
对标准台阶样品（１．５弘ｍ）进行了测量及解算，如图２所示为在微系统测试仪的１０倍专用白光干涉镜头所得到的部分干涉图样，微系统测试仪中ＣＣＤ的分辨率为１３９２×１０４０，对其中的一个范围进行了解算分析（１６１×１６１）．
圈２微系统测试仪在相同步进不同位置下所取的干涉图圈３理想化的光强值与光程差位置关系图
Ｆｉｇ．２Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｇｒａｍｓｗｉｔｈｈｏｍｏｌｏｇｙｓｔｅｐａｎｄｄｉｆｆｅｒ
ｅｎｔｐｏｓｉｔｉｏｎｇｏｔｂｙＭＳＡＦｉｇ．３ＤｉａｇｒａｍｏｆＩｎｔｅｎｓｉｔｙａｎｄｏｐｔｉｃａｌｐａｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ分析图３可知在运用垂直扫描算法时，理想的实验条件下光强峰值附近不为饱和状态，但在实际的实验环境下，光强峰值是否为饱和状态还需做出进一步的验证，如图４所示为部分点的光强值与位置关系图及其对应的包络线图．
趔
慧
皋
ｊ四
霞
米
圈４光强值（０～２５５）与光程差位置关系图及其包络线图
Ｆｉｇ．４Ｄｉａｇｒａｍｏｆｉｎｔｅｎｓｉｔｙａｎｄｏｐｔｉｃａｌｐａｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ
踮∞柏∞∞∞∞∞加Ｏ数字振镜
２０４测试技术学报２００９年第３期
分析所有像素点可知，每个点都可以到对应的
零光程差位置，其中像素（３，３）对应的零光程差值位
置为１５肛ｍ，其包络线对应的零光程差值位置亦在
１５，ｕｍ，同理像素（９，９）对应的零光程差位置为
１５，ｕｍ，其包络线对应的零光程差位置亦在１５ｐ．ｍ，故
设备所取的干涉图符合垂直扫描干涉法的要求．应用
垂直扫描干涉法解算此台阶三维形貌，如图５所示．
对横向像素相同、纵向像素不同的位置，进行高度
差解算，如图５中所示两个点（１１４，５７），（１１４，１３７）的
相对高度差，高度差为１．５ｐ．ｍ，和实际台阶尺寸吻
合．
３结论
圈５台阶的三维表面形貌
Ｆｉｇ．５Ｔｏｐｏｇｒａｐｈｙｐｒｏｆｉｌｅｏｆｌｅｖｅｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
利用微系统测试仪所得的干涉图样，采用基于白光干涉技术的垂直扫描法可以准确地重构ＭＥＭＳ的表面形貌，解算的台阶高度和实际台阶高度基本一致，横向分辨率１．６弘ｍ，纵向分辨率０．０５ｐｍ．垂直扫描法的精确度及其分辨率取决于采集干涉图的设备，具有分辨率高、精度较高、解算速度快的特点，能够实现微系统中微纳结构的表面形貌重构，尤其适用于具有台阶结构的微纳结构．
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