頻閃動態(tài)干涉法測量離面位移的研究

李 松

（武漢理工大學物流工程學院 武漢 430063）

0 引 言

視覺測量和干涉測量是當前微機電系統(tǒng)（micro－electro－mechanical systems，MEMS）動態(tài)測試中最常用的幾種非接觸無損測量技術.激光多普勒振動儀（laser doppler vibrometer，LDV）是一類應用最廣的非接觸式無損測量設備，目前已具備納米級的測量精度，在宏觀結(jié)構(gòu)和微型結(jié)構(gòu)的動態(tài)測量方面都獲得了廣泛應用，但它一次只能測量單個點運動的弱點限制了它在很多場合的應用.頻閃視覺測量和頻閃干涉測量代表了目前最先進的MEMS動態(tài)測試技術，但該技術目前被國外少數(shù)大學的科研小組所掌握，國內(nèi)的研究在起步階段［1－3］.微機電器件的變形范圍通常在微米或者更小納米級別，通常要實現(xiàn)非接觸無損測量，有很大難度，所以本文采用頻閃動態(tài)干涉法，選取器件的微小離面位移作為對象開展研究.

1 頻閃動態(tài)干涉實驗

本實驗采用華中科技大學微系統(tǒng)中心的頻閃顯微干涉視覺測量系統(tǒng)，如圖1所示.它融合了計算機顯微視覺、頻閃照明、激光干涉和計算機自動控制等多項技術.該系統(tǒng)的核心是一個改進了的泰曼干涉儀，包括一個激光二極管、擴束準直系統(tǒng)、兩個偏振片、一個1／2波片、一個偏振分光棱鏡、兩個1／4波片、一個參考平面鏡、兩個透鏡及兩個光學特性一致的物鏡組成.激光二極管作為頻閃脈沖光源將周期性運動的MEMS器件“凍結(jié)”在不同時刻，從而CCD攝像機采集到的是對應于該運動周期內(nèi)各相對時刻“靜止”不變的圖像.因此，不需高速攝像機，普通攝像機就能完成高速運動物體的圖像采集任務.激光二極管脈沖光擴束準直后獲得一束給參考平面鏡和MEMS器件照明的平行光.為了獲得高對比度的干涉圖案，必須使分別由參考鏡和試件反射得到的光束強度能較好地匹配.在該系統(tǒng)中，通過旋轉(zhuǎn)偏振分光棱鏡之前的1／2波片改變偏振光的偏振化方向，可改變線偏振光在偏振分光棱鏡中的分光比.通過改變分光比，從而調(diào)整從偏振分光棱鏡出射的兩束偏振化方向相互正交的偏振光的光強，最終補償參考鏡與試件的反射性能差異并獲得高對比度的干涉圖.然后擴束準直系統(tǒng)的1／2波片和偏振片用來產(chǎn)生強度可調(diào)的線偏振光，以便CCD攝像機采集到的干涉圖案亮度適中.圖中的1／4波片的作用是使分別從參考鏡和試件反射回來的光不按其原路返回，而是都入射到CCD攝像機上.參考平面鏡的精度要求很高，對于直徑25 mm參考平面鏡其不平度一般要小于幾十個nm.通過選用不同焦距的物鏡，可以改變系統(tǒng)的分辨率、放大倍數(shù)、景深及視場大小.通過該系統(tǒng)可以測量MEMS器件表面靜態(tài)形貌、離面運動和垂向變形，測試過程具有高速可視化非接觸性特

點［4－5］.

圖1 微變形測量實驗設備框圖

本干涉試驗是運用邁克爾遜干涉方法，將一束激光擴束后平行地照射到標準平面和待測平面上，兩平面反射光產(chǎn)生的等厚干涉條紋，經(jīng)一系列光學透鏡顯現(xiàn)在測微目鏡中.根據(jù)等厚干涉的原理，同一條紋對應的待測面上各點與平晶平面的距離都相等，而每跨過一個條紋，距離變化1／2波長.因此，從條紋數(shù)的變化就可計算出待測平面上兩點間的相對高度h，進而可求出薄膜應力.已知光線通過遮光閘時，由PZT相移器以Nλ／8（λ為頻閃光波長，N＝0，1，2，3，4）的微小位移移動參考鏡，可獲得不同移相的一組（5幅）干涉圖像集.通過頻閃照明和相對延時，可獲得MEMS器件激勵周期內(nèi)不同時刻的多組干涉圖像集.對校正過的同一時刻的5幅干涉圖案利用5步相移算法可計算包裹相位圖，再用去包裹算法對包裹相位圖進行解包裹得到去包裹相位圖，對各時刻的多組去包裹相位圖進行組間去包裹后，可計算得出具有時間分辨率的表面三維靜態(tài)形貌圖.當彎曲量較小，即離面位移h遠小于試驗尺寸r時，曲率半徑R與彎曲高度h和薄膜半徑r的關系為［6－7］

基片彎曲法的原理分析：多層膜加熱升溫，較軟的金屬多層膜開始發(fā)生蠕變，此時基片不發(fā)生蠕變，薄膜中應力發(fā)生松弛，基片的曲率也隨之發(fā)生變化.由于塑性流變，在不考慮多層膜層界能作用的情況下，最終的薄膜應力將為零；反之，由于金屬多層膜層界能的作用，層界收縮，導致基片和薄膜同時發(fā)生彎曲，直至多層膜中的層界能與基片的彈性應變能作用達到平衡狀態(tài)，此時多層膜蠕變速率為零（零蠕變狀態(tài)）.對于厚度為tf的金屬多層膜，具有N層界面（多層膜膜層總數(shù)減去1），界面自由能為γint，平衡時系統(tǒng)自由能的變化為［8］

式中：σi和εi（i＝1，2）分別為平面應力和應變.如果Nγint≠σitf，薄膜將會拉伸或收縮，因此˙ε≠0.只有在Nγint＝σitf的情況下，才有˙ε≠0，由此達到零蠕變狀態(tài).如果平面應力呈各向同性，通過測量二維平衡應力可以決定γint的值［8］：

已知該干涉儀所用He－Ne激光器的波長為632.8mm.本試驗采用華中科技大學微系統(tǒng)研究中心的頻閃顯微干涉視覺測量系統(tǒng)，針對本試驗進行了改動，更換激光發(fā)射器為氦氖激光器，重新更新了采集軟件，實現(xiàn)實時采集多組干涉圖像，設計了真空加熱平臺，如圖2所示.實驗方案：選取了正方形單晶硅片Si（111），它的參數(shù)為ts＝200μm，Ms＝229GPa，邊長2cm，Si wafers蒸鍍上Cu薄膜（thickness＝10μm）.利用鍍膜前后曲率變化，計算出鍍膜樣品在升溫過程中應力的變化.

圖2 微變形測量實驗設備實物圖

2 實驗結(jié)果分析

圖3a）是25℃下銅膜硅片的干涉圖像，在升溫過程中，薄膜中應力發(fā)生松弛，基片的曲率也隨之發(fā)生變化，干涉圖像的條紋發(fā)生變化，如圖3b）所示.圖3的三維形貌圖顯示在常溫下，由于制備過程中應力使得薄膜向內(nèi)彎曲，升溫過程中，隨著應力的釋放，凹面逐漸減小，向平面逐漸過渡中.

圖3 銅膜硅片干涉圖和三維形貌圖

根據(jù)以上公式計算出Cu膜／Si片的應力結(jié)果如圖4所示.觀察到隨著溫度的升高，應力呈線性下降趨勢開始的應力從320MPa降至80 MPa，當溫度升高至300℃開始降溫，膜應力不斷上升至400MPa，證明用該方法可以來測量薄膜界面應力.

經(jīng)分析，Cu膜／Si片退火過程中應力隨溫度的變化大致可以分為3個階段：（1）常溫下Cu膜表現(xiàn)為張應力，隨著溫度的升高，應力呈線性下降趨勢.這是因為在鍍膜沉積過程中，薄膜的生長區(qū)處于較高的溫度下，結(jié)束鍍膜后，溫度又迅速下降，由于金屬膜比Si基底的熱膨脹系數(shù)大，薄膜的收縮帶動基片彎曲，那么在升溫過程中基片和薄膜開始膨脹，從而恢復形變，釋放彈性能，使應力減?。唬?）當溫度升至60℃左右后，應力隨溫度的升高非線性地減小.薄膜開始產(chǎn)生塑性變形，基片仍然只產(chǎn)生彈性形變，膜層向應力松弛方向發(fā)展.這種變形是非線性的，因而應力隨溫度的變化也是非線性的.在不斷升溫過程中，晶粒也在生長，缺陷漸漸消失.在300℃下保溫360min而應力值基本不變，這說明再結(jié)晶過程在此之前已經(jīng)結(jié)束，而蠕變也達到了平衡狀態(tài)；（3）降溫時，薄膜蠕變產(chǎn)生的塑性流動隨之降低，薄膜應力單調(diào)增加.溫度降低至200℃左右，薄膜不再發(fā)生塑性形變而只發(fā)生彈性形變，又開始帶動基片彎曲，應力隨溫度降低線性地增加.降溫時，多層膜應力不斷上升，到40℃時為拉應力，遠大于多層膜的初始應力.這說明再結(jié)晶之后薄膜的彈性得到很大的增強.

圖4 Cu膜／Si片在熱循環(huán)中應力和溫度的曲線變化關系

3 結(jié)束語

對動態(tài)干涉設備進行了改進，重新設計采集軟件，采用了真空環(huán)境、石英玻璃下加熱，實現(xiàn)實時測量計算.結(jié)合本實驗條件，對回流過程中的物理潤濕和反應潤濕的應力分別進行分析，實時測量了三種不同焊料回流時的界面應力變化.

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