频闪动态干涉法测量离面位移的研究

李 松

（武汉理工大学物流工程学院 武汉 430063）

0 引 言

视觉测量和干涉测量是当前微机电系统（micro－electro－mechanical systems，MEMS）动态测试中最常用的几种非接触无损测量技术.激光多普勒振动仪（laser doppler vibrometer，LDV）是一类应用最广的非接触式无损测量设备，目前已具备纳米级的测量精度，在宏观结构和微型结构的动态测量方面都获得了广泛应用，但它一次只能测量单个点运动的弱点限制了它在很多场合的应用.频闪视觉测量和频闪干涉测量代表了目前最先进的MEMS动态测试技术，但该技术目前被国外少数大学的科研小组所掌握，国内的研究在起步阶段［1－3］.微机电器件的变形范围通常在微米或者更小纳米级别，通常要实现非接触无损测量，有很大难度，所以本文采用频闪动态干涉法，选取器件的微小离面位移作为对象开展研究.

1 频闪动态干涉实验

本实验采用华中科技大学微系统中心的频闪显微干涉视觉测量系统，如图1所示.它融合了计算机显微视觉、频闪照明、激光干涉和计算机自动控制等多项技术.该系统的核心是一个改进了的泰曼干涉仪，包括一个激光二极管、扩束准直系统、两个偏振片、一个1／2波片、一个偏振分光棱镜、两个1／4波片、一个参考平面镜、两个透镜及两个光学特性一致的物镜组成.激光二极管作为频闪脉冲光源将周期性运动的MEMS器件“冻结”在不同时刻，从而CCD摄像机采集到的是对应于该运动周期内各相对时刻“静止”不变的图像.因此，不需高速摄像机，普通摄像机就能完成高速运动物体的图像采集任务.激光二极管脉冲光扩束准直后获得一束给参考平面镜和MEMS器件照明的平行光.为了获得高对比度的干涉图案，必须使分别由参考镜和试件反射得到的光束强度能较好地匹配.在该系统中，通过旋转偏振分光棱镜之前的1／2波片改变偏振光的偏振化方向，可改变线偏振光在偏振分光棱镜中的分光比.通过改变分光比，从而调整从偏振分光棱镜出射的两束偏振化方向相互正交的偏振光的光强，最终补偿参考镜与试件的反射性能差异并获得高对比度的干涉图.然后扩束准直系统的1／2波片和偏振片用来产生强度可调的线偏振光，以便CCD摄像机采集到的干涉图案亮度适中.图中的1／4波片的作用是使分别从参考镜和试件反射回来的光不按其原路返回，而是都入射到CCD摄像机上.参考平面镜的精度要求很高，对于直径25 mm参考平面镜其不平度一般要小于几十个nm.通过选用不同焦距的物镜，可以改变系统的分辨率、放大倍数、景深及视场大小.通过该系统可以测量MEMS器件表面静态形貌、离面运动和垂向变形，测试过程具有高速可视化非接触性特

点［4－5］.

图1 微变形测量实验设备框图

本干涉试验是运用迈克尔逊干涉方法，将一束激光扩束后平行地照射到标准平面和待测平面上，两平面反射光产生的等厚干涉条纹，经一系列光学透镜显现在测微目镜中.根据等厚干涉的原理，同一条纹对应的待测面上各点与平晶平面的距离都相等，而每跨过一个条纹，距离变化1／2波长.因此，从条纹数的变化就可计算出待测平面上两点间的相对高度h，进而可求出薄膜应力.已知光线通过遮光闸时，由PZT相移器以Nλ／8（λ为频闪光波长，N＝0，1，2，3，4）的微小位移移动参考镜，可获得不同移相的一组（5幅）干涉图像集.通过频闪照明和相对延时，可获得MEMS器件激励周期内不同时刻的多组干涉图像集.对校正过的同一时刻的5幅干涉图案利用5步相移算法可计算包裹相位图，再用去包裹算法对包裹相位图进行解包裹得到去包裹相位图，对各时刻的多组去包裹相位图进行组间去包裹后，可计算得出具有时间分辨率的表面三维静态形貌图.当弯曲量较小，即离面位移h远小于试验尺寸r时，曲率半径R与弯曲高度h和薄膜半径r的关系为［6－7］

基片弯曲法的原理分析：多层膜加热升温，较软的金属多层膜开始发生蠕变，此时基片不发生蠕变，薄膜中应力发生松弛，基片的曲率也随之发生变化.由于塑性流变，在不考虑多层膜层界能作用的情况下，最终的薄膜应力将为零；反之，由于金属多层膜层界能的作用，层界收缩，导致基片和薄膜同时发生弯曲，直至多层膜中的层界能与基片的弹性应变能作用达到平衡状态，此时多层膜蠕变速率为零（零蠕变状态）.对于厚度为tf的金属多层膜，具有N层界面（多层膜膜层总数减去1），界面自由能为γint，平衡时系统自由能的变化为［8］

式中：σi和εi（i＝1，2）分别为平面应力和应变.如果Nγint≠σitf，薄膜将会拉伸或收缩，因此˙ε≠0.只有在Nγint＝σitf的情况下，才有˙ε≠0，由此达到零蠕变状态.如果平面应力呈各向同性，通过测量二维平衡应力可以决定γint的值［8］：

已知该干涉仪所用He－Ne激光器的波长为632.8mm.本试验采用华中科技大学微系统研究中心的频闪显微干涉视觉测量系统，针对本试验进行了改动，更换激光发射器为氦氖激光器，重新更新了采集软件，实现实时采集多组干涉图像，设计了真空加热平台，如图2所示.实验方案：选取了正方形单晶硅片Si（111），它的参数为ts＝200μm，Ms＝229GPa，边长2cm，Si wafers蒸镀上Cu薄膜（thickness＝10μm）.利用镀膜前后曲率变化，计算出镀膜样品在升温过程中应力的变化.

图2 微变形测量实验设备实物图

2 实验结果分析

图3a）是25℃下铜膜硅片的干涉图像，在升温过程中，薄膜中应力发生松弛，基片的曲率也随之发生变化，干涉图像的条纹发生变化，如图3b）所示.图3的三维形貌图显示在常温下，由于制备过程中应力使得薄膜向内弯曲，升温过程中，随着应力的释放，凹面逐渐减小，向平面逐渐过渡中.

图3 铜膜硅片干涉图和三维形貌图

根据以上公式计算出Cu膜／Si片的应力结果如图4所示.观察到随着温度的升高，应力呈线性下降趋势开始的应力从320MPa降至80 MPa，当温度升高至300℃开始降温，膜应力不断上升至400MPa，证明用该方法可以来测量薄膜界面应力.

经分析，Cu膜／Si片退火过程中应力随温度的变化大致可以分为3个阶段：（1）常温下Cu膜表现为张应力，随着温度的升高，应力呈线性下降趋势.这是因为在镀膜沉积过程中，薄膜的生长区处于较高的温度下，结束镀膜后，温度又迅速下降，由于金属膜比Si基底的热膨胀系数大，薄膜的收缩带动基片弯曲，那么在升温过程中基片和薄膜开始膨胀，从而恢复形变，释放弹性能，使应力减小；（2）当温度升至60℃左右后，应力随温度的升高非线性地减小.薄膜开始产生塑性变形，基片仍然只产生弹性形变，膜层向应力松弛方向发展.这种变形是非线性的，因而应力随温度的变化也是非线性的.在不断升温过程中，晶粒也在生长，缺陷渐渐消失.在300℃下保温360min而应力值基本不变，这说明再结晶过程在此之前已经结束，而蠕变也达到了平衡状态；（3）降温时，薄膜蠕变产生的塑性流动随之降低，薄膜应力单调增加.温度降低至200℃左右，薄膜不再发生塑性形变而只发生弹性形变，又开始带动基片弯曲，应力随温度降低线性地增加.降温时，多层膜应力不断上升，到40℃时为拉应力，远大于多层膜的初始应力.这说明再结晶之后薄膜的弹性得到很大的增强.

图4 Cu膜／Si片在热循环中应力和温度的曲线变化关系

3 结束语

对动态干涉设备进行了改进，重新设计采集软件，采用了真空环境、石英玻璃下加热，实现实时测量计算.结合本实验条件，对回流过程中的物理润湿和反应润湿的应力分别进行分析，实时测量了三种不同焊料回流时的界面应力变化.

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