激光共焦扫描显微镜在微机电系统中的应用

　　1　引　言

　　微电子机械系统(MEMS)技术是建立在微纳米技术基础上的21世纪前沿技术,是指对微纳米材料进行设计、加工、制造、测量和控制的技术,它可 将机械构件、光学系统、驱动部件、电控系统集合成为一个整体单元。微机电系统从设计到封装各个环节都要贯彻测试要求。其中,在微结构的设计与加工中,微结 构三维形貌信息对评判加工工艺和研究微尺寸特性有着重要的指导意义。

　　本文介绍采用激光共聚焦扫描显微镜(LSCM)对三维微结构进行分析与测量的方法。LSCM技术是20世纪80年代末、90年代初兴起的一项新 的光学显微测试方法,集显微技术、高速激光扫描和图像处理技术为一体,弥补了普通光学显微镜与扫描电子显微镜测量功能上的不足,在三维微结构分析与测量方 面具有许多新的功能和优势。

　　2　LSCM成像原理

　　图1为LSCM的成像原理图。

　　LSCM采用激光束作为光源,激光束经照明针孔,由分光镜反射至物镜,并聚焦于样品上,对样品内焦平面上每一点进行扫描。然后,反映样品形貌的 光信号经原来入射光路直接反向回到分光镜,通过探测针孔时先聚焦,聚焦后的光被光电倍增管(Photo Multiple Tube,PMT)收集,并将信号输送到计算机,在显示屏上显示图像。也就是说,焦平面就如同一把刀,以非破坏性的方式切割样品的三维曲面,得到不同二维 切面图像,组合这些二维切面图像,可获得样品三维形貌。在此过程,只有焦平面上的光才能穿过探测针孔,焦平面以外区域射来的光线在探测针孔平面是离焦的, 不能通过小孔。因此,非观察点的背景呈黑色,反差增加,成像清晰。由于照明针孔与探测针孔相对于物镜焦平面是共轭的,焦平面上的点同时聚焦于照明针孔和探 测针孔,焦平面以外的点不会在探测针孔成像,即共聚焦。

　　3　LSCM在MEMS中的应用

　　3.1　基本的测量功能

　　图2为Olympus公司生产的OLS1200-FAR2型LSCM。该设备采用He-Ne激光束作为光源,波长为633 nm,纵向扫描精度达0.01μm。LSCM采集样品数据后,可测量线与面粗糙度、线宽、台阶、面积和体积等。

　　图3是硅片在超声状态下进行湿法刻蚀后的表面粗糙度分析,可以看出湿法刻蚀后的表面呈“橘皮”状,对整体1和局部区域2进行表面粗糙度分析,其值分别为Rq0.029μm和Rq0.027μm。

　　图4是干法刻蚀后硅片的形貌分析。图4(a)表达刻蚀后硅片的三维形貌,图4(b)是在二维状态下,分析台阶的高度和宽度。1处台阶高度为26.508μm,2处台阶宽度为8.047μm。

　　3.2　角度测量