GB/T 34893-2017 微机电系统（MEMS）技术 基于光学干涉的MEMS微结构面内长度测量方法

　　ICS 3 1 . 200 L 55

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 34893—2017

　　微机电系统(MEMS)技术

　　基于光学干涉的 MEMS微结构

　　面内长度测量方法

　　Micro-electromechanicalsystem technology—

　　Measuringmethodforin-planelengthmeasurementsofMEMSmicrostructures

　　usinganopticalinterferometer

　　2017-1 1-01 发布 2018-05-01 实施

　　中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局中 国 国 家 标 准 化 管 理 委 员 会

　　发

　　布

　　GB/T 34893—20 17

　　GB/T 34893—20 17

　　前 言

　　本标准按照 GB/T 1 . 1—2009 给出的规则起草。

　　本标准由全国微机电技术标准化技术委员会(SAC/TC 336)提出并归口 。

　　本标准主要起草单位：天津大学、中机生产力促进中心、国家仪器仪表元器件质量监督检验中心、南京理工大学中国电子科技集团公司第十三研究所。

　　本标准主要起草人：胡晓东、郭彤、于振毅、李海斌、程红兵、裘安萍、崔波、朱悦。

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　　微机电系统(MEMS)技术

　　基于光学干涉的 MEMS微结构

　　面内长度测量方法

　　1 范围

　　本标准规定了基于光学干涉显微镜获取 MEMS微结构表面形貌进行面内长度测量的方法。

　　本标准适用于表面反射率不低于 4% ,宽深比不低于 1 ∶ 10,且使用光学干涉显微镜能够获取形貌

　　的 MEMS微结构。

　　2 规范性引用文件

　　下列文件对于本文件的应用是必不可少的。 凡是注 日期的引用文件，仅注 日期的版本适用于本文件 。凡是不注 日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。

　　GB/T 3505 产品几何技术规范(GPS) 表面结构 轮廓法 术语、定义及表面结构参数GB/T 26111 微机电系统(MEMS)技术 术语

　　GB/T 26113 微机电系统(MEMS)技术 微几何量评定总则

　　3 术语和定义

　　GB/T 3505 和 GB/T 26111 界定的以及下列术语和定义适用于本文件。

　　3.1

　　表面形貌 surfacetopography

　　表面结构的宏观和微观几何特性。

　　注：一般包括表面几何形状、表面波纹度、表面粗糙度及表面缺陷等。

　　3.2

　　面内长度 in-planelength

　　表面有边缘结构特征的两点、点与线或两条线之间的距离。

　　4 测量方法

　　4 . 1 总则

　　4 . 1 . 1 实施面内长度测量前提是 MEMS结构具备阶梯型边缘结构，两边缘结构(端面 1 和端面 2)之间的距离即为所测微结构的面内长度，如图 1 所示。

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　　图 1 面内长度测量的一种典型阶梯型边缘结构示意图

　　4 . 1 . 2 光学显微干涉测量法是 GB/T 26113 中规定的一种 MEMS 微结构几何量评定的方法。 本标准利用光学干涉显微镜(光学干涉显微镜的典型形式和主要技术特点参见附录 A)获得被测对象的三维表面形貌，从中提取相关的二维轮廓线，利用轮廓线上阶跃变化的特征进行面内长度计算。

　　4 . 1 . 3 对于提取的二维轮廓线与理想面内长度测量方向存在夹角引入的测量误差，可通过选取多组平行的轮廓线进行计算给予修正。

　　4 . 1 . 4 提取二维轮廓线时应避开有明显缺陷的区域。

　　4 . 2 测量环境

　　测量环境为：

　　— 环境温度：15 ℃ ~35 ℃ ;

　　— 相对湿度：20%~80% ;

　　— 大气压力：86 kPa~106 kPa。

　　4 . 3 测量设备

　　4 . 3 . 1 测量设备要求

　　测量设备为能够测量微结构表面形貌的光学干涉显微镜，要求离面方向测量分辨力不低于 1 nm,且离面测量范围要大于被测微结构的最大高度差，通常不低于 100 μm。

　　4 . 3 . 2 测量设备校准

　　测量设备校准时应对每一种显微物镜的成像放大因子进行标定。

　　标定使用栅线样板(通常栅线间距为 10 μm) ,x轴和y轴的成像放大因子需分别进行标定，成像放

　　大因子按照式(1)进行计算：

　　Ki=q/(pn) …………………………( 1 )

　　式中：

　　Ki — 成像放大因子，i为x或 y;

　　q — 栅线间距，单位微米(μm) ;

　　pn — 栅线间像素数。

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　　4 . 4 测量步骤

　　4 . 4 . 1 测量准备

　　测量准备方法如下：

　　a) 将被测对象放置在光学干涉显微镜载物台上，选择合适放大倍率的显微物镜，使被测面内长度约占视场长度或宽度的三分之二;

　　b) 旋转被测对象使图 1 所示的端面 1 和端面 2 的边缘平行或者垂直于光学干涉显微镜的x或者y轴，且使得端面 1 和端面 2 基本对称于光学干涉显微镜视场中心。

　　4 . 4 . 2 获取三维表面形貌

　　操作光学干涉显微镜，获取被测对象在全视场内的三维表面形貌。

　　4 . 4 . 3 提取表面轮廓线及边缘点

　　提取表面轮廓线及边缘点方法如下：

　　a) 按照面内长度的测量方向所对应的轴向(x轴或y轴)提取表面轮廓线，图 2 所示为 x 轴方向

　　提取的 4 条轮廓线 a ′, a, e 和 e′,其典型表现形式见图 3。

　　图 2 选择 4 条轮廓线进行面内长度的计算

　　b) 边缘点的选择可选择阶梯结构的上边缘点，如图 3 中 x1u_t 和 x2u_t , 也可选择阶梯结构的下边缘

　　点，如图 3 中 x1d_t 和 x2d_t ,也可以取两者的平均值;所有轮廓线上边缘点的选取原则应一致。

　　图 3 三维表面形貌中提取的水平方向表面轮廓线

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　　4 . 4 . 4 计算面内长度

　　x轴方向的面内长度计算：

　　a) 选取图 3 中所示的上边缘点作为面内长度计算的起止点，单条轮廓线面内长度按式(2)计算。

　　lt =(x1u_t - x2u_t ) · kx …………………………( 2 )

　　式中：

　　t— 轮廓线序号 a ′, a, e 或 e ′。

　　b) 被测微结构初始面内长度为所提取的全部轮廓线面内长度的平均值，按式(3)计算。

　　Lmeas = Σ lt/4 …………………………( 3 )

　　c) x轴与理想面内长度测量方向之间的夹角α 见图 4a) ,用两条相距最远的表面轮廓线(如图 2

　　中 a′和 e′)来进行计算。

　　a) b)

　　图 4 x轴与理想面内长度测量方向夹角的计算

　　…………………………( 7 )

　　α2 =tan …………………………( 8 )

　　…………………………( 9 )

　　d) 对夹角 α 引入的误差进行修正，得到最终面内长度 L，按照式(10)进行计算。

　　L=Lmeas cosα …………………………( 10 )

　　y轴方向面内长度的计算类似上述步骤。

　　5 影响测量不确定度的主要因素

　　影响 MEMS微结构面内长度测量结果不确定度的主要因素包括：

　　a) 光学显微镜 x轴和y轴成像放大因子标定误差;

　　b) 阶梯结构边缘点选取位置误差;

　　c) 被测对象表面光学属性不同造成的表面形貌测量误差;

　　d) 重复测量的次数。

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　　附 录 A

　　(资料性附录)

　　光学干涉显微镜的典型形式和主要技术特点

　　光学干涉显微镜依据测量原理可主要分为相移干涉、白光扫描干涉、数字全息等，其共同之处是测量光束在被测对象表面反射后与参考光束形成干涉，被测对象表面高度的变化就使得测量光束在成像视场上不同位置具有不同的光程，通过解析该光程的变化就获得被测对象的表面形貌，图 A. 1 为一种相移干涉/白光扫描干涉显微镜的基本结构示意图，两种测量模式要求纳米定位器产生不同形式的机械运动。 白光扫描干涉信号如图 A. 2 所示，其信号可见度不恒定，随扫描位置不同而变化。 当测量光与参考光光程差为零时，干涉信号出现最大值，称之为相干峰。 相干峰位置就代表了表面上对应数据点的相对高度信息，所有数据点的相对高度就组合成了被测对象的三维表面形貌。

　　图 A.1 光学干涉显微镜的基本结构示意图

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　　图 A.2 白光扫描干涉信号示意图

　　光学干涉显微镜在高度方向的测量分辨力一般为 0. 1 nm~ 1 nm,相移显微干涉的测量分辨力为0 .1 nm, 白光扫描干涉的测量分辨力为 1 nm,数字全息显微干涉的测量分辨力为 0 .1 nm。白光扫描干

　　涉的高度测量范围只受限于高度方向扫描器的范围，可达到数毫米甚至更大;相移显微干涉和数字全息显微干涉的高度测量范围一般为成像系统的景深，与显微物镜的放大倍率相关，放大倍率越大景深越

　　小，例如：20×物镜的景深约为数微米。相移显微干涉和数字全息显微干涉通常使用单波长光源，对于

　　阶梯高度的测量有一个限制条件：阶跃高度差超过四分之一波长时无法进行正确的测量。 对于绝大多数情况，这一限制不会对面内长度的测量带来影响，因为面内长度的测量只需要轮廓线上有明显的阶跃高度差，但是在一些极其特殊的情况下，阶梯结构的上下面的高度差正好相差四分之一波长或其整数倍时，所得到的表面形貌测量结果为一平面，而不是实际的存在高度差的上下面。