MEMS器件深槽侧壁形貌测试方法研究

摘要

干涉显微镜法是一种获取表面形貌特征的光学测量技术，在半导体器件、光学加工、MEMS技术和微纳米材料分析领域广泛应用。随着微机电系统MEMS的发展，干涉显微技术在MEMS工艺中可以作为非接触、高精度的在线无损检测手段，特别是在MEMS高深宽比微细结构加工工艺检测方面具有显著的发展潜力。通常MEMS高深宽比微细结构大约是宽度为1～10μm，高度为10～500μm的微结构，深宽比一般在10:1到100:1之间。对于现有测量仪器而言，只能在破环高深宽比MEMS器件结构的条件下进行测量，无法实现在线无损检测。因此，研究开发一种针对MEMS器件深槽侧壁形貌的无损测试方法具有迫切的现实需求和重要的科学意义。 本文围绕MEMS器件深槽侧壁形貌的无损测试技术这一主题，利用MEMS器件半导体材料(Si、GaAs)在红外光波段的透明特性，提出了一种基于红外白光干涉技术的MEMS器件沟槽侧壁表面轮廓的测试方法，并搭建红外白光干涉测试系统平台，同时对测试系统进行相关实验验证。按照工作开展的顺序，本文的研究内容可归纳为以下几个方面： (1)对干涉测量技术及仪器进行全面分析，针对MEMS工艺中在线无损检测技术要求提出新的测量方案。依据半导体材料的光学特性理论，利用硅半导体单晶材料对于波长大于1.1μm的红外光的透明特性，创新性的提出了基于红外白光干涉技术的MEMS器件高深宽比结构侧壁表面轮廓测试方法，利用近红外光透过硅结构深入探测可见光无法达到的深槽侧壁表面。 (2)依据提出的红外白光干涉测量方法，研究满足系统要求测量算法；分析了测试系统中关键部件红外光源与红外探测器的性能指标要求以及对干涉条纹的影响规律；光学测量系统分析；PZT微位移器的性能测试及操作控制软件部分，最终设计研制并搭建完成测试系统平台。 (3)采用硅/玻璃键合样品，验证测试系统的测试效果。通过搭建的测试系统获得了硅/玻璃键合样品透射干涉图样，对实验结果进行分析，并获取三维形貌图。测试结果验证新的测试方法及测试系统，完全可以对下一步的MEMS器件沟槽样品侧壁表面形貌的测试。同时针对提高系统测试精度，创新性的提出了透射光路光程差补偿方案。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1 表面三维形貌光学测量技术

1.1.1表面三维形貌光学测量技术概况

1.1.2表面三维形貌测量的发展趋势

1.2纳米测量系统研究现状

1.3课题研究背景与本论文主要内容

2干涉测量技术原理

2.1 光学低相干干涉

2.2移相干涉(PSI)原理

2.3傅立叶频域分析(FDA)原理

2.4 白光垂直扫描干涉(VSI)原理

2.5本课题测试算法

2.5.1包络曲线拟合

2.5.2白光垂直扫描干涉

3 MEMS器件深槽侧壁形貌测试方法研究

3.1 MEMS深槽宽比工艺概述

3.2 光在介质中的反射、吸收、折射

3.3 半导体材料红外光学特性

3.3.1红外透射理论

3.3.2硅材料红外光学特性

3.4 深沟槽侧壁形貌测试方法

4测试系统设计与搭建

4.1 系统整体设计

4.2光学干涉显微镜

4.3红外光源

4.3.1红外光源光谱范围选定

4.3.2红外光源测试

4.4 PZT压电陶瓷微位移器

4.4.1压电陶瓷微位移器工作原理及其特性

4.4.2压电陶瓷微位移器性能测试

4.4.3 PZT微位移平台系统

4.5 红外探测器

4.5.1探测器特性

4.5.2 InGaAs近红外相机

4.6 测试系统研制

4.6.1系统结构

4.6.2系统测量范围

4.6.3测量系统分辨率

4.6.4系统误差

5硅／玻璃键合样品测试及分析

5.1样品测试

5.1.1成分测试

5.1.2形貌测试

5.2 样品透射测试

5.2.1透射测试

5.2.2结果分析

5.3光路补偿

6结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及所取得的研究成果

致谢