（工程力学专业论文）微结构动态变形的光学测试方法与应用研究.pdf

摘要 摘要 随着m e m s 工艺的发展和完善，出现了多种微型的机械构件，如微铰链、微制动 器、微悬臂梁、微桥等。这些微型机械构件，由于尺寸较小，在宏观上往往被看作薄膜 结构，其力学行为与宏观的大块机械材料之间有相当大的差异，不能用我们所熟知的宏 观机械材料的参数来衡量薄膜结构材料的力学性能。随着微电子工业的发展，大规模集 成电路的集成度越来越高，集成电路进一步朝着小型化方向发展。由于集成度提高，体 积减小，对外界影响变得异常敏感。因此，对微结构的性能研究变得极为重要与艰难。 此时，光学测试方法作为一种非接触、全场测量的方法，其各种优点显得尤为突出，已 经广泛应用于物体面内变形、离面变形、三维形貌以及材料力学性能等领域的测量，并 日渐成为微结构与材料静动态性能的一种最基本而有效的测试技术。 离面变形是光测力学最基本的测量参数之一。传统的离面变形的光学测量方法常需 要对被测物体表面做预处理，甚至需做成模型，然后通过特定的光学或几何干涉形成条 纹，再从条纹中提取所需的信息，因此，对测量环境要求比较高。本文利用数字散斑相 关方法实现了物体离面位移的测量，使得离面位移的测量变得简单、快速。利用该方法 实现了新型材料的电致伸缩性能测量。 m e m s 产品表面具有镜面反射性质，尺寸较小又要求有较高的分辨率，致使传统的 测量方法难以达到测量要求。本文采用投影相关方法对m e m s 产品翘曲度进行测量， 该方法是结构光投影和数字散斑相关方法的结合，测量结果不受投影光强分布的影响。 通过实验模拟对比分析了投影散斑方法和投影条纹方法的测量精度。最后利用投影散斑 相关方法对手机屏幕芯片的翘曲进行了测量，取得了满意的结果。、 电子器件的可靠性与其工作温度关系密切，其间可靠性不高的主要原因之一是热设 计不合理，因此，研究m e m s 产品的热致封装效应成为可靠设计的关键技术。热致封 装效应的测量主要是封装器件温度变化引起的热变形的测量。本文对c o b 封装芯片进 行了热致封装效应测试分析，通过分离面内膨胀变形和翘曲变形引起的图像面内位移， 晟终获得了温度变化过程中芯片的离面变形，实现了热致封装效应分析，获得了满意的 结果，为有限元模拟算法以及理论计算模型提供了一种有力的实验参考依据。 三维形貌的光学测量是m e m s 设计和制作中最基本的测试技术。傅里叶变换轮廓 术是有效的光学三维形貌测量方法之一，该方法只需采集一帧条纹图就能恢复出物体的 三维形貌分布，测量速度快，适合动态过程的三维形貌测量。基于该方法本文提出了基 于时间域的傅里叶变换方法，并利用该方法对连续振动悬臂梁进行了测量，有效的重建 了悬臂梁的瞬时三维形貌，再现了悬臂梁的整个连续振动过程。 小波变换作为传统傅里叶分析的严重挑战，已经成为理想的时频分析法。本文提出 了基于小波变换的时域相位分析方法，通过提取小波脊线恢复解调相位，提高了测量精 度，有效地恢复了动态物体的瞬时三维形貌。文中利用该方法对连续振动悬臂梁进行了 分析，得到连续振动悬臂梁的瞬时速度以及瞬时三维形貌，为研究动态物体瞬时特性提 供了一种新的方法。 东南人学博i 学位论文 关键词：微结构；力学性能；离面变形；翘曲；三维形貌；数字散斑相关方法；散斑 投影相关方法；傅里叶变换轮廓术；小波变换方法；高分子材料；芯片；悬臂梁 l l a b s t r a c t a b s t r a c t w j t i lt h ed e v e l o p m e n to f m i c r o e l e c t r o - m e c h a n i c a ls y s t e m ( m e m s ) al o to f m e c h a n i c a l m e m b e r sh a v ec o m ef o r t h f o re x a m p l em i c r og e m e l ，m i c r oa r r e s t e r , m i c r oc a n t i l e v e ra n d m i c r ob r i d g e ，a n ds oo n b e c a u s et h ew e es i z e ，t h e s em i n i s i z em e c h a n i c a lm e m b e r sw e r e o f t e nb el o o k e da st h em e m b r a n ef r a n l e s t h em e c h a n i c sc h a r a c t e r i s t i ch a v em a n yd i f f e r e n c e s b e t w e e nt h e s em i n i s i z em e c h a n i c a lm e m b e r sa n d l a r g em e c h a n i c a lm a t e r i a l a n dw ec o u l d n t 嘴t h ep a r a m e t e r so fm a c r o s c o p i c a lm a t e r i a l sw eu s u a l l yu s e dt oa n a l y z et h em e c h a n i c s c h a r a c t e r i s t i co fm e m b r a n ef r a m e a l o n gw i t l lt h ed e v e l o p m e n to fm i c r o e l e c t r o i n d u s t r i a l t h ec e m p o s i t i v ed e g r e eo f l a r g es c a l ei n t e g r a t i o nh a sb e c o m es t r i c t n e s sa n di n t e g r a t ec k c u l ti s d e v e l o p i n gf o rt h em i n i a t u r i z a t i o nd i r e c t i o n d u et ot h ed e g r e eo fi n t e g r a t i o na n d1 1 1 1 n i s i z e v o l u n l e , t h ei n t l u e n c e so fc i r c u m s t a n c eb e c o m es e n s i t i v i t y 1 1 伦r 刎o r m a n c er e s e a r c ho f m i c r os t r u c t u r eb e c o n l 鹉v e r yi m p o r t a n ta n dh a r d s h i p f u r t h e r m o r e t h eo p t i c sm e a s u r e m e n t m e t h o di san o n - c o n t a c t , w h o l ef i e l dt e c h n i q u ed e f o r m a t i o nm e a s u r e m e m a n dt h eo p t i c s m e a s u r e m e n tm e t h o dh a sb e e na p p l i e dt om c a s u r ；e i n - p l a n ed e f o r m a t i o n , o u t p l a n e d e f o r m a t i o n , t h r e e - d e m e n s i o ns u r f a c ea n dt h em e c h a n i c sc h a r a c t e r i s t i co fm a t e r i a l s 1 1 1 e a d v a n t a g e so fo p t i c sm e a s u r e m e n tm e t h o dg i v ep r o m i n e n c et o t h es t a t i ca n dd y n a m i c d e f o r m a t i o nm e a s u r e r n e u to fm i c r os t r u c t u r ea n db e c o m eo u eo ft h eb e s to fa l lb a s i ca n d e f f e c t i v em e t h o d o u t - p l a n ed e f o r m a t i o ni s o n eo fb a s i cp a r a m e t e r so fo p t i c sm e a s m e m e n tm e t h o d t r a d i t i o n a lm e t h o dm e a s u r i n go u t - p l a n ed e f o r m a t i o no f t e nn e e dm a k ea s a m p l ep r e t r e a t m e n t ， 1 5 n r e nam o d e l t h e ni l s es p e c i a l o p t i c a lo rg e o m e t r yi n t c r f e r o m e t r yt op r o d u c ef r i n g ea n d e x t r a c ti n f o r m a t i o nf r o mf i i n g e ，t h c r e f o r e ，n e e dh i g hq u a l i t ym e a s u r e m e u te n v i r o n m e n t i n t h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ed i g i t a ls p e c k l ec o r r e l a t i o nm e t h o di su s e dt om e a s u r et h eo u t - p l a n e d e f o r m a t i o na n dt h ed e f o r m a t i o nm e a s u r e m e n tb e c o m es i m p l ea n dr a p i d t h ee l e c t r o s t r i c t i v e r e s p o n s eo f n e wm a t e r i a li sm e a s u r e du s i n gt h i sm e t h o da n dag o o dr e s u l ti so b t a i n e d m e m sp r o d u c tw h i c hh a v et h eq u a l i t yo fm i n o rr e f l e c ti sa ni m p o r t a n tp r o b l e mo f m i c r om e a s u r e m e n td o m a i na n dt h ep r o d u c ta s k sh i g h r e s o l u t i o n t h es p e c k l ep r o j e c t i o n c o r r e l a t i o nt e c h n i q u ei su s e dt om e a s u r et h ec h i pw a r p a g eo fc h i p s t r u c t u r a ll i g h tp r o j e c t i o n m e t h o da n dd i g i t a ls p e c k l ec o r r e l a t i o nm e t h o dh a v ec o m b i n e dt of o r ms p e c k l ep r o j e c t i o n c o r r e l a t i o nt e c h n i q u e r e s d to f t h i sm e t h o di si m m u n et 0t h ed i s t r i b u t i o no f p r o j c c t i o nl i g h t 1 1 b ee x p e r i m e n ts i m u l a t i o ni su s e dt oc o m p a r et h et h em e a s u r e m e n tp r e c i s i o no fp r o j e c t i o n s p e c k l em e t h o da n dp r o j e c t i o nf r i n g em e t h o d n l es p e c k l ep r o j e c t i o nc o r r e l a t i o nt e c h n i q u ei s u s e dt om e a s u r et h ec h i pw a r p a g eo fm o b i l ep h o n ei nt h i sd i s s e r t a t i o na n da g o o dr e s u l ti s o b t a i n e d 1 1 1 er e l i a b i l i t yo fe l e c t r o np r o d u c th a sac l o s er e l a t i o nw i t hi t sw o r kt e m p e r a t u r e o n eo f t h em a i nr e a s o n so fl o wr e l i a b i l i t yi su n r e a s o n a b l et h e r m a ld e s i g n , t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ho f 东南人学博 。学位论文 t h e r m a lp a c k a g i n ge f f e c to fm e m s p r o d u c tb e c o m eak e yt e c h n i q u eo fr e l i a b i l i t yd e s i g n m e a s u r e m e n to ft h e r m a lp a c k a g i n ge f f e c t ，i e m e a s 啊e m e n to ft h et h e r m a ld e f o r m a t i o n , i s m a i n l yt h et h e r m a ld e f o r m a t i o nd u et ot h ec h a n g i n go ft e m p e r a t u r em a p i n t h i sd i s s e r t a t i o n t h et h e r m o m e c h a n i c a lc o u p l i n ge f f e c to fc o bp a c k a g i n gs t r u c t u r e si s a n a l y z e d n i e e x p e r i m e n tr e s u l t sp r o v i d ea l la v a i l a b i l i t yc o n s u l tt ot h ed e s i g no fm e m sa p p a r a t u s 3 一ds u r f a c em e a s u r e m e n ti st h ee s s e n t i a lt e c h n i q u ei nm e m sd e s i g na n df a b r i c a t i o n f o u r i e rt r a n s f o r mp r o f i l o m e t r y ( f t p ) i sa ne f f i c i e n tm e t h o dt od e a l 嘶t l l3 - ds h a p e m e a s u r e m e n t f t pr e q u i r e so n l yo n ei m a g eo ft h ed e f o r m e df r i n g ep a t t e mt oo b t a i nt h e3 - d $ u r f a c e t h ec o m p u t a t i o nv e l o c i t yo ff t pi sq u i c k l ya n dt h i sm e t h o di ss u i t t oa n a l y z e d y n a m i c3 ds u r f a c em e a s u r e m e m b a s e do nt h et e m p o r a lf o u r i e rt r a n s f o r i l la n a l y s i s ，an e w m e t h o di sp r o p o s e d 1 1 他m e t h o di su s e dt om e a s u r et h ei i l q t a n t a n e o u s3 dp r o f i l eo fa c o n t i n u a l l yv i b r a t i n gc a n t i l e v e rb e a ma n dt h ec o n t i n u o u a lv i b r a t i n gp r o c e s so ft h ec a n t i l e v e r b e a mc a nb er e c o n s t r u c t e d a sc h a l l e n g e so ft r a n d i t i o nf o u r i e rt r a n s f o i t f lm e t h o d , w a v e l e tt r a n s f o r mm e t h o dh a s b e c a m ea l li d e a lt i m e f r e q u e n c ya n a l y s i sm e t h o d 1 1 拉m e t h o df o rp h a s ee x t r a c t i o no f c o n t i n u o u a ld e f o r m a t i o no b j e c tb a s e do nt e m p o r a lw a v e l e tt r a n s f o r mi sp r o p o s e d b y e x t r a c t i n gt h ew a v e l e tr i d g e ，t h ew r a p p e dp h a s ei so b t a i n e da n dt h ei n s t a n t a n e o u s3 - dp r o f i l e i sr e t r i e v ee f f e c t i v e l y i nt h i sa p p l i c a t i o nac a n t i l e v e rb e a mw i t hac o n t i n u o u a ld e f o r m a t i o ni s t e s t e d 耵忙e x p e r i m e n t a lr e s u l t so ft h ec a n t i l e v e rb e a ma l ew e l ld e m o n s t r a t e st h ev a l i d i t yo f t h i sm e t h o da n dr e t r i e v et h ep r o c e s so ft h ec o n t i n u a lv i b r a t i n go ft h eb e a m t 1 1 et e m p o r a l w a v e l e tt r a n s f o r mm e t h o dp r o v i d e san g wm e t h o dt oa n a l y z et h ek i n e t i cc h a r a c t e r i s t i co fa c o n t i n u a ld e f o r m a t i o no b j e c t k e yw o r d s ：m i c r os t r u c t u r e ；m e c h a n i c sc h a r a c t e r i s t i c ；o u t - p l a n ed e f o r m a t i o n ；w a l p a g e ； t h i n ed i m e n s i o np r o f i l em e a s l l r e m e n t ；d i g i t a ls p e c i ec o r r e l a t i o nm e t h o d ；s p e c k l ep r o j e c t i o n c o r r e l a t i o n t e c h n i q u e ；f o u r i e r t r a n s f o r m p r o f i l o m e t r y ；w a v e l e t t r a n s f o r m m e t h o d ； m a c r o m o l e c u l em a t e r i a l ；c h i p ；c a n t i l e v e rb e a m 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：隧氐篮 导师签名：k 五i ：五e t 期：0 7 s ；7 第一章绪论 1 1引言 第一章绪论 随着微电子工业的发展大规模集成电路不仅广泛应用于计算机、通讯、汽车、工 业控制等方面，而且也普遍应用于日常生活用品( 如移动电话、摄像机、电视机、洗衣 机甚至玩具等) ，这就要求集成电路进步朝着小型化方向发展。应用领域对微电子器 件提出的减小体积、减轻重量和降低器件成本的要求必将促进新的微电子加工技术的发 展。微电子机械系统( m i c r o - e l e c t r o - m e c h a n i c a ls y s t e m , m e m s ) 【l 卅在学科上表现为多学 科前沿高度综合、交叉和渗透；在技术上表现为可大批量生产、功耗低、机电集成：在 产品上表现为多功能集成、微型化、智能化、成本低。m e m s 的应用领域非常广阔，如 信息领域的光开关及其阵列、射频开关、数字微镜器件( d i g i t a lm i c r o m i r r o rd e v i c e d m d ) 、m e m s 可调电容、电感等；测量领域的压力、流量、温度、湿度、气体传感器 等，以及微加速度计、微机械陀螺；生物领域的生物芯片微型流体通道分析系统、毛细 管电泳、芯片实验室( 1 a bo f c h i p ) 等等。随着m e m s 的迅速发展，对m e m s 器件的精密 检测提出了新的要求由于m e m s 具有体积小、集成度高等特点，传统的检测技术已不 能完全满足需要。因此，研究一种精度高、简单便捷、成本低的检测方法己经成为m e m s 发展的迫切需要。 在m e m s 设计制造过程中，需要检测的参数包括微几何量、材料力学性能、微机械 量及电学参数。微几何量测量主要是针对m e m s 的微小构件的变形、三维尺寸、三维形 貌的精密测量。材料力学性能主要包含材料的力学特性、应变与应力、机械运动速度以 及构件的动态参数识别等。应如何界定m e m s 尺寸范围目前没有统一的认识，一般认为 其范围在亚微米到毫米之问，几何量测量具有以下特点：测量力引起的误差较大；定位 误差往往较大；被测件轮廓影像易受异物的影响；衍射效应的影响大；温度引起的误差 小。目前，云纹法、共焦显微干涉法、干涉法、数字散斑相关方法等光学非接触测量方 法已经成为对微小构件精密测量的主要方法。其中，将计算机视觉技术与光学显微技术 相结合的微视觉测量方法越来越受到重视。 1 2微几何量检测方法 微几何量测量主要是针对m e m s 的微小构件的面内和离面变形、三维尺寸、三维形 貌的精密测量。具有测量范围小、精度要求高的特点。二维微几何量检测可以采用光学 测量方法和常用测量系统及仪器等，而普通光学显微镜、扫描电子显微镜、原子力显微 镜等显微测量工具与现代光学测量方法结合可以实现细观、微观，甚至纳米尺度测量。 由于加工工艺和m e m s 可靠性设计等方面的要求，获得精确的m e m s 微结构三维信息是 m e m s 中几何量测量的重点。三维微几何量测试的方法可以概括为两类：一类是从传统 的几何量检测技术发展和改进而来，如光切法、白光干涉法、光栅投影法、普通触针和 东南人学博i 二学位论文 光针式、三维轮廓仪等。其中包括应用扫描探针显微镜的纳米观测方法以及微视觉测量 方法；另一类则是根据被测件的材料和结构特点专门设计的测量系统，如基于计算机视 觉的硅片厚度测量仪器o m m s 、m e m s 器件实时蚀刻深度检测等。 1 2 1 二维变形测量方法 1 2 1 1 光学测量方法 微位移测量的范围涵盖了结构与材料在不同物质形态侗体、流体和气体) 和运动状 态( 动态，静态) 条件下的测量与分析，并且具有越来越重要的作用。二维变形的测量主 要是面内( 离面) 变形的测量，常用的光学测量方法主要有云纹干涉法、全息干涉法、散 斑干涉法、散斑相关法、白光散斑干涉法以及由这些方法衍生出来的其他光学测量方法。 云纹干涉法i ，j 可以用来实现面内位移的测量，在残余应力分析、热应力分析、层状 纤维增强、复合材料的细观变形和界面变形以及断裂问题分析等方面均得到了非常成功 的应用。基于该方法还出现了纳米云纹法、相移云纹法、s e m 相移云纹法【6 l 、载波相移 云纹法等多种方法。 全息干涉是全息应用的一个重要方面。全息干涉是将同一束光，在不同的时间记录 在同一张全息干版上，然后使这些波前同时再现发生干涉。该方法主要用来测量离面位 移和变形，然而传统全息干涉法不能给出物体变形的精确数值，只能根据干涉条纹的分 布情况租略估计物体的变形情况，测量精度以光波波长为单位。虽然理论上相移技术可 以解决这个问题，实际上技术复杂，难以实现。数字全息干涉计量【7 】包括物体的形貌测 量和物体的变形测量。该方法由于能得到再现像振幅的精确值，所以不依靠分析条纹分 布来估计变形，可以直接给出变形的数值解，测量精度大大提高，可以达到纳米量级， 横向分辨率可以达到微米量级。 散斑照相i s l 是散斑检测技术中最简单的全场检测技术，可以实现顽内位移、位移梯 度、表面斜率和形貌等的测量。由于散斑照相术不需要参考光即可实现物体表面变形检 测。与全息术相比这是一个极大的进步。一方面它使检测系统变得简单，适合面内位移 和变形测量；另一方面不需向全息检测那样要求严格的检测环境，从而使散斑技术在应 用中更有优势。 电子散斑干涉法( e l e c t r o n i cs p e c k l ep a t t e r ni n t e r f e r o m e t r y ，e s p i ) 9 1 主要用来测量光 学粗糙表面变形的干涉计量术，可以高精度的实现面内和离面位移的测量。e s p i 晟引 人入胜的特点是它将双光束干涉技术、数字化记录设备和计算机图像处理系统相结合实 现了粗糙光学表面位移、变形和形貌等的全场、实时、无损测量。基于e s p i 方法随后 又出现了剪切散斑照相术、数字剪切散斑照相术以及数字剪切干涉术等方法，一定程度 上使得散斑干涉术的应用更加广泛。 数字散斑相关方法( d i g i t a ls p e c k l ec o r r e l a t i o nm e t h o d ，d s c m ) 产生于8 0 年代，主要 用来测量面内位移和变形。该方法在电子化探测情形下，单个或所有的序列散斑场图像 能被分别存贮在计算机存储设备中，然后利用数字相关算法分析每一幅图，从而获得所 需要的位移和变形场。文献 1 0 】根据光路几何关系转换，利用d s c m 实现了离面位移和 变形的测量。基于数字散斑相关方法，一些新的相关方法也应运而生，如直接寻址相关、 2 第一章绪论 傅里叶变换相关、投影相关法】、时间序列图像相关方法等i l 射。 白光干涉测量法i i3 l ( 也称为垂直扫描白光测量法) ，这一理论最早在1 9 8 0 年已被提 出，该方法基于白光干涉原理，通过对物体表面反射光的干涉谱进行分析得到待测物理 量，并且测量精度高，对试件无破坏。但是该方法只能实现单点离面位移测量，结合步 进电机可以实现整个物体表面的离面位移测量。白光相移干涉法以白光干涉理论为基 础，利用相移干涉法测量高度差或厚度差，计算出物体上各点的相对表面高度值，可以 实现物体的三维表面轮廓测量1 1 4 j 。 光纤干涉测量法l j5 】既具有小巧轻便、频带宽、高分辨率的优点，也具有干涉测量 法高灵敏度的性能，而且光纤干涉测量法装置简单，比起常规的空间干涉测量法还具有 更低的能量损耗，因此也广泛用在动态测试方面。光纤干涉测量法主要通过测量干涉光 光强变化或检测干涉光相位变化来测量结构的动态特性。光纤测量法具有结构简单、适 应性强的特点，可以应用在不同的场合，并且易于与其他形式的测量集成。但是，该测 量方法目前还只能测量离面运动，而对面内运动还没有很好的解决方案。并且通过增加 一套扫描机构可以实现全场测试。 1 2 1 2 二维几何量的检测设备和仪器 除了上述光学测量方法之外，一些检测系统和仪器也常用来完成面内和离面变形的 测量。激光多普勒振动仪( l a s e rd o p p l e r v i b r o m e t e r , l d v ) 是典型的非接触式无损测量设 备1 1 6 1 ，能以纳米级精度实现频率达m h z 以上的离面运动测量，但由于无法一次性同时 测量多点的运动，只能采用扫描方式，不可避免地引入扫描控制难度和测量误型1 7 1 。 d a v i s 等【1 8 1 开发的计算机微视觉系统，采用了频闪观测、多焦平面成像和景深处理等技 术。该系统可以进行高精度面内运动测量，但难以获得同样精度的离面运动。c i a f i s t i a l l r e m b e 等研制的m e m s 三维运动特性测量系统，集成了频闪微视觉和干涉技术，采 用最b - - - 乘法和相移算法等，可实现高精度的面内和离面运动测量。国内，冯亚林等1 2 0 1 开发了基于计算机视觉的m e m s 测试系统，通过图像处理，可进行微几何尺寸和面内 运动的测量。 目前对亚微米级的微机械量和几何量的检测仪器还有：扫描电子显微镜( s c a n n i n g e l e c t r o nm i c r o s c o p e ，s e m ) 1 2 ”、扫描探针显微镜( s c a n n i n gp r o b em i c r o s c o p e ，s p m ) 1 2 2 、 扫描隧道显微镜( s c a n n i n gt u n n e l i n gm i c r o s c o p e ，s t m ) 1 2 3 1 、原子力显微镜( a t o m i c f o r c em i c r o s c o p e a f m ) 1 2 4 1 、白光干涉显微镜、高精度轮廓仪和光电坐标测量仪等。现 代光学测量方法与扫描电子显微镜、扫描隧道显微镜、原子力显微镜以及高分辨率光学 显微镜结合可以实现细观、微观，甚至纳米尺度测量。如：戴福隆等人【2 驯提出一种扫 描电镜( s e m ) 扫描云纹法的相移技术，通过s e m 系统控制电镜电子束扫描线移动，对 获取的云纹图像实现0 2 7 r 范围内的四步相移，获得了更高的位移测量灵敏度。陈英飞 等人【2 6 1 利用原子力显微镜( a f m ) 作为测量工具，采用数字图像处理中的模板匹配方法检 测相邻序列图像的偏移，从而计算出物体的微位移，测量精度可达纳米量级，可以实现 物体面内和离面位移的微位移测量。 东南人学博l ：学位论文 1 2 2 常用微观三维轮廓检测方法 1 2 2 1 光切法 光切法( l i g h ts e c t i o nm e t h o d ，l s m ) 是近年来在激光逐点扫描法基础上发展起来的 一种非接触测量方法。激光线光源经柱面镜产生片光照射在被测物上，在被测物表面上 产生一条明亮的光带，从与入射方向成一定夹角的方向可以观察到被测表面的轮廓线。 这种方法可以对微结构进行水平和垂直两个方向测量，通过对微结构截面扫描，利用 c c d 摄像机摄取，经数字信号处理可获得光带的数字图像，再经计算机处理即得物体在 该光切面上的二维轮廓信息，若进一步沿第三维步进测量，就可以得到物体的三维轮廓 全貌。该测量方法适用于要求测得被测物的3 6 0 。三维轮廓数据，而难以实现被测物与 测量装置之间的相对旋转时的三维轮廓数据【z ”。 1 2 2 2 干涉法 干涉法用于微观形貌测量主要有三种方式。相移干涉测量法( p h a s es h i f t i n g i n t e r f c r o m e t r y ) 1 2 8 捌，简称p s i ，使用单色光。特点是精度高，测量速度快，垂直方向分 辨率可以达到纳米级，但是如果被测表面不连续，有垂直梯度变化较大的结构如阶梯、 洞、岛时，得不到有效的干涉图，这就限制了它的测量范围。一般垂直方向测量范围限 制在2 4 ( a 是所用的单色激光波长) ，约1 5 0 刀坍。垂直扫描干涉测量法( v e r t i c a l s c a n n i n gl m e r f e r o m c t r y ) 1 3 0 】，简称v s i ，也称为白光干涉法，使用白光作为光源。这种方 法并不需要对干涉条纹的具体形状进行分析，它根据的是白光干涉原理。白光干涉条纹 基本上要在等光程差位置才能够观察到，而且条纹数目少，干涉条纹在零光程差附近对 比度最大，通过观察自光干涉零级条纹就可确定零光程差位置，通过微调参考镜的位置， 对被测件进行垂直方向的扫描，记录下每一点零光程差的位置，即可获得被测件表面三 维信息。这种测量方法适合于对垂直梯度较大的不连续表面进行测量，测量精度可以达 到纳米级，测量时间相对p s i 较长，垂直方向测量范围可以达到几个毫米。比较适合于 m e m s 测量1 3 “。增强型的v s i ( e n h a n c e dv s i ) ，简称e v s i ，也称为白光相移干涉测量法， 结合了白光干涉和相移干涉的优点，具有垂直方向测量范围大、精度高的特点。干涉仪 水平方向的分辨率取决于光学系统和所用光波的波长，一般可以达n 3 0 0 t t 。 1 2 2 3 共焦显微镜 激光扫描共焦显微镜( l a s e rs c a n n i n gc o n f o c a lm i c r o s c o p y ，l s c m ) 采用了共轭焦点 成像技术，光源、被测件和探测器三点处于彼此对应的共轭位置，激光聚焦在被测件表 面后反射，反射光通过共焦针孔被探测器接收，由于共焦针孔的屏蔽作用，只有来自物 镜焦平面的光信号被接收，通过扫描聚焦点在被测件上的位置可对被测件进行三维成 像。l s c m 的特点：具有很高的垂直和水平分辨率，能有效抑制杂散光，光强对比度强， 能够通过对被测件逐层扫描，重建三维立体图像【竭。可用于对m e m s 轮廓、粗糙度等的 检测。 1 2 2 4 光栅投影法 4 第一章绪论 将光栅条纹投影到被测微结构表面，包含被测件高度信息的反射条纹被c c d 摄像机 接收，对接收到的图像进行解码，可以获得被测结构的三维信息，这类方法也被称为相 位测量法1 3 3 3 4 】。投影栅线的结构有正弦结构( 正弦栅线) 、线性结构( 包含等腰三角形齿 结构、直角三角形齿结构) 和矩形结构( 矩形光栅) 。其中正弦栅线投影相位解调理论比 较成熟，所以人们用得比较多。对于正弦栅线投影，相位解调方法主要有莫尔等高线法、 傅里叶变换法和相移法。其中莫尔等高线法最早是1 9 7 0 年提出p ”，是研究最深入和最 成熟的一种方法。这种方法获取三维信息比较直观，处理面积大，可以直接对物体表面 现状进行定性观测。但莫尔法需要识别莫尔条纹是上升还是下降，这是件比较麻烦的事， 而且在实际应用中，莫尔法精度低，光学装置调整复杂，所以比较适合于不需对每一点 进行测量而只需获取三维轮廓形状信息的场合。傅里叶变换法在一定程度上克服了莫尔 等高线法的一些不足，大大降低了对光学装置的要求，而且具有较高的精度和灵敏度， 但傅里叶变换法需要进行傅里叶变换和逆变换，计算量大，耗时多，而且被测物体表面 陡峭度不能太大，表面不能有台阶等突变，否则会引起频谱混乱，影响测量精度。相移 法( 这里主要指时间相移法) 在某种程度上克服了莫尔等高线法和傅里叶变换法的缺点， 可测量陡峭的物体形貌，而且精度高，计算量小。但这种方法需要拍摄至少3 幅变形条 纹图，不易用于动态测量。 1 2 2 5 触针式轮廓仪 触针式轮廓仪【3 6 】有普通接触探针式和光针式两种类型。普通接触探针式轮廓仪传 感器的测头( 触针) 与被测表面接触，通过传感器记录下接触力，并保持这个力的大小不 交，当触针在被测件工y 表面滑动时记录下触针在z 轴方向的位移，即可绘制出被测件 表面轮廓线。这种触针式轮廓仪的水平分辨率受到触针针尖直径制约，目前针尖直径已 经可以做n 4 , 于0 1 研。这种接触式测量的缺点是容易造成被测表面损伤唧。 光针式轮廓仪是基于聚焦探针原理的光学轮廓仪，将聚焦光束当作探针，用光电探 测器测量被测件表面微小起伏偏离物镜焦点的微小偏移量，通过对被测件表面扫描来获 得三维轮廓信息。利用聚焦探针原理进行表面形貌测量的方法有多种，较常见的有傅科 刀口法、l 临界角法、像散法和偏心光束法等。聚焦探测法的垂直分辨率可以达到l i t ， 目前国内研制的光针式轮廓仪垂直测量范围可达5 0 0 9 m ，并具有1 0 m 的垂直分辨率 0 s 3 9 1 。 1 2 2 6 基于调制度测量的三维轮廓术 基于调制度测量的三维轮廓术( m o d u l a t i o nm e a s u r e m e n tp r o f i l o m e t r y ，m m p ) 4 0 , 4 1 ， 它完全基于投影到待测物面上的正弦条纹的调制度分布，利用横向相移技术计算物面上 各点的调制度，然后将物体在纵向范围内移动次，就可以得到帧调制度图，再找出 每一个象素点调制度最大值的位置，由此位置就可计算出此象素点的高度值。由于投影 方向和探测方向一致，所以可以实现对物体的垂直测量，不用解相位和相位展开，亦即 可以测量物体表面高度剧烈变化或不连续的区域。它对阴影、遮挡、位相截断并无限制， 且设备较为简单，易于实现。 调制度测量轮廓术解决了所有基于三角测量的三维传感方法不能测量阴影区域的 东南人学博i 。学位论文 问题。在调制度测量轮廓术中，因为投影方向和观察方向致，所以就没有阴影、遮挡 等问题，亦即可测量有高度剧烈变化和空间不连续及有深孔的复杂物体。这种方法对获 取复杂物体的三维数据具有良好的应用前景。为了适应不同的测量要求，目前提出了基 于相移技术的调制度测量轮廓术n 2 1 和基于傅里叶变换的调制度测量轮廓术两种测量 方法。 1 2 3 特殊微几何量检测方法 由于m e m s 所用材料的特殊性及其结构的特殊性，在对m e m s 研究过程中研制出了 许多有针对性的微观几何量检测方法，如： ( 1 ) 基于机器视觉的硅片厚度测量 硅晶片是m e m s 的常用基体材料，许多微结构都是在硅晶片上通过刻蚀等方法获得 的i 删，对硅晶片厚度公差( t h i c k n e s st o l e r a n c e ) 进行控制对m e m s 制造十分重要，因此 对作为基片( s u b s t r a t e ) 的硅晶片厚度进行测量具有重要意义。美国v i t 公司研制了一种 基于计算机视觉的硅片厚度测量仪器o m m s ( o p t i c a lm i c r o m e t e rf o rm i c r o m a c h i n e d s u b s t r a t e s ) ，能够对厚度范围在l o p m - 2 0 0 a m 的硅晶片进行非接触自动测量，分辨率 可以达到0 1 j m 。o m m s 的基本原理是：硅晶片对单色激光的吸收，激光透过硅晶片在 面阵c c d