1 、引言

MEMS傳感器作為微型機(jī)電系統(tǒng)的核心器件，憑借微型化、集成化、低功耗的優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于汽車電子、消費(fèi)電子、工業(yè)檢測(cè)、醫(yī)療健康等領(lǐng)域。其核心結(jié)構(gòu)（如懸臂梁、膜片、梳齒電極等）的光學(xué)3D輪廓參數(shù)（如厚度、高度差、表面粗糙度、結(jié)構(gòu)間隙等）直接決定傳感靈敏度、響應(yīng)速度及工作穩(wěn)定性，對(duì)測(cè)量精度提出納米級(jí)嚴(yán)苛要求。傳統(tǒng)二維測(cè)量方法僅能獲取局部尺寸信息，無(wú)法完整表征MEMS微結(jié)構(gòu)的三維形貌特征，難以滿足高精度MEMS器件的質(zhì)量管控需求。3D白光干涉儀憑借非接觸測(cè)量特性、納米級(jí)分辨率及全域三維形貌重建能力，可快速精準(zhǔn)捕捉MEMS傳感器核心結(jié)構(gòu)的完整光學(xué)3D輪廓，為MEMS制備工藝優(yōu)化提供可靠數(shù)據(jù)支撐。本文重點(diǎn)探討3D白光干涉儀在MEMS傳感器光學(xué)3D輪廓測(cè)量中的應(yīng)用。

2、 3D白光干涉儀測(cè)量原理

3D白光干涉儀以寬光譜白光為光源，經(jīng)分束器分為參考光與物光兩路。參考光射向固定參考鏡反射，物光經(jīng)高數(shù)值孔徑物鏡聚焦后照射至MEMS傳感器核心微結(jié)構(gòu)表面，反射光沿原路徑返回并與參考光匯交產(chǎn)生干涉條紋。因白光相干長(zhǎng)度極短（僅數(shù)微米），僅在光程差接近零時(shí)形成清晰干涉條紋。通過(guò)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)裝置帶動(dòng)參考鏡進(jìn)行精密掃描，高靈敏度探測(cè)器同步采集干涉條紋強(qiáng)度變化，形成干涉信號(hào)包絡(luò)曲線，曲線峰值位置精準(zhǔn)對(duì)應(yīng)MEMS微結(jié)構(gòu)表面各點(diǎn)的三維坐標(biāo)。結(jié)合全域掃描拼接與微結(jié)構(gòu)輪廓擬合技術(shù)，可完整重建MEMS傳感器核心結(jié)構(gòu)的全域光學(xué)3D輪廓，精準(zhǔn)提取厚度、高度差、表面粗糙度、結(jié)構(gòu)間隙等核心光學(xué)參數(shù)，其垂直分辨率可達(dá)亞納米級(jí)，適配微納尺度MEMS結(jié)構(gòu)的高精度測(cè)量需求。

3 、3D白光干涉儀在MEMS傳感器光學(xué)3D輪廓測(cè)量中的應(yīng)用

3.1 光學(xué)3D輪廓精準(zhǔn)重建與參數(shù)提取

針對(duì)MEMS傳感器核心微結(jié)構(gòu)（尺寸范圍1 μm-200 μm、厚度/高度差50 nm-50 μm）的光學(xué)3D輪廓測(cè)量需求，3D白光干涉儀可通過(guò)優(yōu)化測(cè)量策略實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)表征。測(cè)量時(shí)，根據(jù)微結(jié)構(gòu)類型與尺寸選取適配物鏡倍率與掃描范圍，對(duì)MEMS傳感器核心區(qū)域進(jìn)行高精度掃描，通過(guò)三維點(diǎn)云拼接技術(shù)重建完整的光學(xué)3D輪廓。采用微結(jié)構(gòu)特征提取算法，自動(dòng)識(shí)別懸臂梁的厚度與撓度、膜片的平整度、梳齒電極的間隙等關(guān)鍵參數(shù)，精準(zhǔn)計(jì)算核心指標(biāo)數(shù)值。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，其厚度測(cè)量誤差≤2 nm，結(jié)構(gòu)間隙測(cè)量誤差≤5 nm，可有效捕捉光刻、蝕刻、鍵合等制備工藝中參數(shù)波動(dòng)導(dǎo)致的輪廓偏差，為工藝優(yōu)化提供精準(zhǔn)量化依據(jù)，同時(shí)支持MEMS傳感器陣列的全域均勻性評(píng)估。

3.2 形貌缺陷同步檢測(cè)

MEMS傳感器制備過(guò)程中易出現(xiàn)的微結(jié)構(gòu)變形、邊緣毛刺、表面劃痕、結(jié)構(gòu)粘連等缺陷，會(huì)嚴(yán)重影響傳感性能與工作穩(wěn)定性。3D白光干涉儀在重建光學(xué)3D輪廓的同時(shí)，可同步識(shí)別此類缺陷。當(dāng)檢測(cè)到懸臂梁撓度偏差超過(guò)50 nm、邊緣毛刺高度超過(guò)30 nm，或梳齒電極存在粘連、表面劃痕長(zhǎng)度超過(guò)200 nm時(shí)，可判定為不合格產(chǎn)品。通過(guò)缺陷的尺寸、位置量化分析，可追溯光刻掩膜精度、蝕刻工藝參數(shù)、鍵合溫度等制備環(huán)節(jié)的問題。例如，當(dāng)出現(xiàn)梳齒電極粘連缺陷時(shí)，可反饋調(diào)整蝕刻時(shí)間或清洗工藝參數(shù)，提升MEMS傳感器成型質(zhì)量。

相較于傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡的二維觀測(cè)局限，3D白光干涉儀可提供完整的MEMS傳感器光學(xué)3D輪廓信息，實(shí)現(xiàn)多維度微結(jié)構(gòu)參數(shù)的精準(zhǔn)量化；相較于原子力顯微鏡的點(diǎn)掃描低效率缺陷，其具備更快的全域掃描速度（單個(gè)核心微結(jié)構(gòu)測(cè)量時(shí)間≤5 s），可滿足產(chǎn)業(yè)化批量檢測(cè)需求。同時(shí)，非接觸測(cè)量模式可避免損傷MEMS傳感器脆弱的微結(jié)構(gòu)，保障樣品完整性。通過(guò)為MEMS傳感器提供全面、精準(zhǔn)的光學(xué)3D輪廓測(cè)量數(shù)據(jù)及缺陷檢測(cè)結(jié)果，3D白光干涉儀可助力構(gòu)建嚴(yán)格的質(zhì)量管控體系，提升MEMS傳感器制備良率與性能穩(wěn)定性，為MEMS技術(shù)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。

大視野 3D 白光干涉儀：納米級(jí)測(cè)量全域解決方案?

突破傳統(tǒng)局限，定義測(cè)量新范式！大視野 3D 白光干涉儀憑借創(chuàng)新技術(shù)，一機(jī)解鎖納米級(jí)全場(chǎng)景測(cè)量，重新詮釋精密測(cè)量的高效精密。

三大核心技術(shù)革新?

1）智能操作革命：告別傳統(tǒng)白光干涉儀復(fù)雜操作流程，一鍵智能聚焦掃描功能，輕松實(shí)現(xiàn)亞納米精度測(cè)量，且重復(fù)性表現(xiàn)卓越，讓精密測(cè)量觸手可及。?

2）超大視野 + 超高精度：搭載 0.6 倍鏡頭，擁有 15mm 單幅超大視野，結(jié)合 0.1nm 級(jí)測(cè)量精度，既能滿足納米級(jí)微觀結(jié)構(gòu)的精細(xì)檢測(cè)，又能無(wú)縫完成 8 寸晶圓 FULL MAPPING 掃描，實(shí)現(xiàn)大視野與高精度的完美融合。?

3）動(dòng)態(tài)測(cè)量新維度：可集成多普勒激光測(cè)振系統(tǒng)，打破靜態(tài)測(cè)量邊界，實(shí)現(xiàn) “動(dòng)態(tài)” 3D 輪廓測(cè)量，為復(fù)雜工況下的測(cè)量需求提供全新解決方案。?

實(shí)測(cè)驗(yàn)證硬核實(shí)力?

1）硅片表面粗糙度檢測(cè)：憑借優(yōu)于 1nm 的超高分辨率，精準(zhǔn)捕捉硅片表面微觀起伏，實(shí)測(cè)粗糙度 Ra 值低至 0.7nm，為半導(dǎo)體制造品質(zhì)把控提供可靠數(shù)據(jù)支撐。?

（以上數(shù)據(jù)為新啟航實(shí)測(cè)結(jié)果）

有機(jī)油膜厚度掃描：毫米級(jí)超大視野，輕松覆蓋 5nm 級(jí)有機(jī)油膜，實(shí)現(xiàn)全區(qū)域高精度厚度檢測(cè)，助力潤(rùn)滑材料研發(fā)與質(zhì)量檢測(cè)。?

高深寬比結(jié)構(gòu)測(cè)量：面對(duì)深蝕刻工藝形成的深槽結(jié)構(gòu)，展現(xiàn)強(qiáng)大測(cè)量能力，精準(zhǔn)獲取槽深、槽寬數(shù)據(jù)，解決行業(yè)測(cè)量難題。?

分層膜厚無(wú)損檢測(cè)：采用非接觸、非破壞測(cè)量方式，對(duì)多層薄膜進(jìn)行 3D 形貌重構(gòu)，精準(zhǔn)分析各層膜厚分布，為薄膜材料研究提供無(wú)損檢測(cè)新方案。?

新啟航半導(dǎo)體，專業(yè)提供綜合光學(xué)3D測(cè)量解決方案！

審核編輯 黃宇