利用Mirau显微干涉仪测量微器件的纳米级运动

　　0　引言

　　MEMS设计和加工需要强大的测量工具来保证它们的性能和设计者的初衷相一致,并且在工程开发中给设计和加工过程提供反馈信息.这个反馈信息包括了器件的材料属性、三维结构、动态特性、表面形貌、可靠性估计等.对于微谐振器、微陀螺、微加速度计、光开关等一些具有可动部件的MEMS器件,其动态特性决定了MEMS器件的基本性能,因此MEMS动态特性的测量在MEMS研发过程中具有极为重要的地位[1~3].

　　视觉成像系统以前常用于测量MEMS器件的三维运动,而干涉测量系统则提供了更好的离面运动解决方案[4].Mirau显微干涉仪基于商业化的光学系统,由该仪器获得的数据显示了很好的离面干涉法与面内亮场计算机微视觉两者的结合,从而较容易实现高精度三维测量[5~7].

　　1　测试方法

　　1.1　显微干涉仪的选择

　　显微干涉仪是显微镜和干涉系统结合的产物,与其它光学干涉技术相比,它具有表面信息直观、测量精度高和全视场三维测量等优点.特别是相移技术在显微干涉仪中的应用,使得系统的测量精度大大提高,离面测量的分辨力超过0.1 nm.常用的显微干涉仪主要有Michelson型、Mirau型、Linnik型三种,它们的光学结构如图1.

　　Michelson型显微干涉仪如图1(a).来自照明系统的光束经显微物镜后被分光棱镜分为两束,一束被参考面反射,另一束由被测面反射,两束光再次经过分光棱镜后会合发生干涉.从干涉分光方式和光路结构看,Michelson型显微干涉仪类似于经典的Michelson干涉仪,所不同的是,Michelson干涉仪是一种宏观测量,它测量的是表面形状或表面形状误差,而Michelson显微干涉仪是一种显微放大测量,测量的是物体表面的微观形貌.

　　Michelson显微干涉仪的特点是测量光路与参考光路共同使用一个显微物镜,因而在测量时两束干涉光不会因物镜的不同而引入附加的光程差.此外,由于测量光路与参考光路近似共路,因此抗干扰能力强.但由于在物镜和被测表面之间需放置分光板,因此只能使用工作距离较长的显微物镜,致使显微物镜的数值孔径受到限制,横向测量分辨力较低,它的放大倍率一般只有1.5×,2.5×和5×.

　　图1(c)为Linnik型显微干涉仪.来自照明系统的光束经分光棱镜后形成两路,一路经显微物镜聚焦在参考面上并反射回显微物镜还原成平行光,另一路经过另一个显微物镜聚焦在被测表面上,反射后经显微物镜还原成平行光,两束反射光经过分光棱镜后重新会合并产生干涉.

　　在Linnik型显微干涉仪中,测量光路与参考光路分成两路,两光路采用完全相同的显微物镜,因此系统要求两组物镜的波面应具有一致性.由于在物镜与被测面之间没有其它光学元件,它可以使用工作距离较短的物镜,其数值孔径可高达0.95,因而横向分辨力较高.物镜的放大倍率最高一般达100×,甚至200×.