李 松

（武漢理工大學(xué)物流工程學(xué)院 武漢 430063）

0 引 言

視覺測量和干涉測量是當(dāng)前微機(jī)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(shù).激光多普勒振動儀（laser doppler vibrometer，LDV）是一類應(yīng)用最廣的非接觸式無損測量設(shè)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(yīng)用，但它一次只能測量單個點運(yùn)動的弱點限制了它在很多場合的應(yīng)用.頻閃視覺測量和頻閃干涉測量代表了目前最先進(jìn)的MEMS動態(tài)測試技術(shù)，但該技術(shù)目前被國外少數(shù)大學(xué)的科研小組所掌握，國內(nèi)的研究在起步階段［1－3］.微機(jī)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(xué)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(jī)顯微視覺、頻閃照明、激光干涉和計算機(jī)自動控制等多項技術(shù).該系統(tǒng)的核心是一個改進(jìn)了的泰曼干涉儀，包括一個激光二極管、擴(kuò)束準(zhǔn)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(xué)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(yùn)動的MEMS器件“凍結(jié)”在不同時刻，從而CCD攝像機(jī)采集到的是對應(yīng)于該運(yùn)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(jī)，普通攝像機(jī)就能完成高速運(yùn)動物體的圖像采集任務(wù).激光二極管脈沖光擴(kuò)束準(zhǔn)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(qiáng)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(qiáng)，最終補(bǔ)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(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)的1／2波片和偏振片用來產(chǎn)生強(qiáng)度可調(diào)的線偏振光，以便CCD攝像機(jī)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(jī)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(yùn)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(shè)備框圖

本干涉試驗是運(yùn)用邁克爾遜干涉方法，將一束激光擴(kuò)束后平行地照射到標(biāo)準(zhǔn)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(xué)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(yīng)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(jìn)而可求出薄膜應(yīng)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(jìn)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(jìn)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(dāng)彎曲量較小，即離面位移h遠(yuǎn)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(guān)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(yīng)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(yīng)力將為零；反之，由于金屬多層膜層界能的作用，層界收縮，導(dǎo)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(yīng)變能作用達(dá)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(yīng)力和應(yīng)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(dá)到零蠕變狀態(tài).如果平面應(yīng)力呈各向同性，通過測量二維平衡應(yīng)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(xué)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(jìn)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(shè)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(yīng)力的變化.

圖2 微變形測量實驗設(shè)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(yīng)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(yīng)力使得薄膜向內(nèi)彎曲，升溫過程中，隨著應(yīng)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(yīng)力結(jié)果如圖4所示.觀察到隨著溫度的升高，應(yīng)力呈線性下降趨勢開始的應(yīng)力從320MPa降至80 MPa，當(dāng)溫度升高至300℃開始降溫，膜應(yīng)力不斷上升至400MPa，證明用該方法可以來測量薄膜界面應(yīng)力.

經(jīng)分析，Cu膜／Si片退火過程中應(yīng)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(yīng)力，隨著溫度的升高，應(yīng)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(fù)形變，釋放彈性能，使應(yīng)力減??；（2）當(dāng)溫度升至60℃左右后，應(yīng)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(yīng)力松弛方向發(fā)展.這種變形是非線性的，因而應(yīng)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(yīng)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(dá)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(yīng)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(yīng)力隨溫度降低線性地增加.降溫時，多層膜應(yīng)力不斷上升，到40℃時為拉應(yīng)力，遠(yuǎn)大于多層膜的初始應(yīng)力.這說明再結(jié)晶之后薄膜的彈性得到很大的增強(qiáng).

圖4 Cu膜／Si片在熱循環(huán)中應(yīng)力和溫度的曲線變化關(guān)系

3 結(jié)束語

對動態(tài)干涉設(shè)備進(jìn)行了改進(jìn)，重新設(shè)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(yīng)潤濕的應(yīng)力分別進(jìn)行分析，實時測量了三種不同焊料回流時的界面應(yīng)力變化.

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