书 书 书犐犆犛 ３１ ． ２００ 犔 ５５ 中华人民共和国国家标准 犌犅 ／ 犜 ３４８９４ — ２０１７ 微机电系统 （ 犕犈犕犛 ） 技术基于光学干涉的 犕犈犕犛 微结构应变梯度测量方法 犕犻犮狉狅犲犾犲犮狋狉狅犿犲犮犺犪狀犻犮犪犾狊狔狊狋犲犿狋犲犮犺狀狅犾狅犵狔 — 犕犲犪狊狌狉犻狀犵犿犲狋犺狅犱犳狅狉狊狋狉犪犻狀犵狉犪犱犻犲狀狋犿犲犪狊狌狉犲犿犲狀狋狊狅犳犕犈犕犛犿犻犮狉狅狊狋狉狌犮狋狌狉犲狊狌狊犻狀犵犪狀狅狆狋犻犮犪犾犻狀狋犲狉犳犲狉狅犿犲狋犲狉 ２０１７  １１  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 发布书 书 书目 　　 次 前言 Ⅲ ………………………………………………………………………………………………………… １ 　 范围 １ ……………………………………………………………………………………………………… ２ 　 规范性引用文件 １ ………………………………………………………………………………………… ３ 　 术语和定义 １ ……………………………………………………………………………………………… ４ 　 测量方法 １ ………………………………………………………………………………………………… ５ 　 影响测量不确定度的主要因素 ６ ………………………………………………………………………… 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 ７ ………………………………… Ⅰ 犌犅 ／ 犜 ３４８９４ — ２０１７ 前 　　 言 　　 本标准按照 ＧＢ ／ Ｔ１．１ — 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 ／ ＴＣ３３６ ） 提出并归口 。 本标准主要起草单位 ： 中机生产力促进中心 、 天津大学 、 国家仪器仪表元器件质量监督检验中心 、 中国电子科技集团公司第十三研究所 、 南京理工大学 。 本标准主要起草人 ： 胡晓东 、 郭彤 、 程红兵 、 于振毅 、 李海斌 、 崔波 、 朱悦 、 裘安萍 。 Ⅲ 犌犅 ／ 犜 ３４８９４ — ２０１７ 微机电系统 （ 犕犈犕犛 ） 技术基于光学干涉的 犕犈犕犛 微结构应变梯度测量方法 １ 　 范围 本标准规定了基于光学干涉显微镜获取的微悬臂梁结构表面形貌进行应变梯度测量的方法 。 本标准适用于表面反射率不低于 ４％ 且使用光学干涉显微镜能够获取表面形貌的微悬臂梁结构 。 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 ／ Ｔ３５０５ 　 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 ／ Ｔ２６１１１ 　 微机电系统 （ ＭＥＭＳ ） 技术 　 术语 ＧＢ ／ Ｔ２６１１３ 　 微机电系统 （ ＭＥＭＳ ） 技术 　 微几何量评定总则 ＧＢ ／ Ｔ３４８９３ — 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 ３ 　 术语和定义 ＧＢ ／ Ｔ３５０５ 、 ＧＢ ／ Ｔ２６１１１ 和 ＧＢ ／ Ｔ３４８９３ — ２０１７ 界定的以及下列术语和定义适用于本文件 。 ３ ． １ 应变梯度 　 狊狋狉犪犻狀犵狉犪犱犻犲狀狋 结构内部单位长度的应变变化值 。 ４ 　 测量方法 ４ ． １ 　 总则 ４ ． １ ． １ 　 悬臂梁是薄膜力学特性测量中最常用的测量结构 ， 如基于表面 ＭＥＭＳ 工艺制作的微悬臂梁 ， 通过去除牺牲层释放结构层实现可动结构 。 在残余应力作用下 ， 释放的微悬臂梁结构将产生弯曲变形 （ 如图 １ 所示 ）， 通过弯曲变形的测量获取微悬臂梁的应变梯度 。 １ 犌犅 ／ 犜 ３４８９４ — ２０１７ 图 １ 　 表面 犕犈犕犛 工艺制作的微悬臂梁三维图 ４ ． １ ． ２ 　 光学显微干涉测量法是 ＧＢ ／ Ｔ２６１１３ 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 ， 通过轮廓线弯曲变形程度的计算获取应变梯度 。 ４ ． １ ． ３ 　 对于提取的二维轮廓线与微悬臂梁固定端端面垂线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 ： ８６ｋＰａ ～ １０６ｋＰａ 。 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 （ 光学干涉显微镜的典型形式和主要技术特点参见附录 Ａ ）， 要求离面方向测量分辨力不低于 １ｎｍ ， 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 μ ｍ 。 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和 狕 轴校正因子进行标定 。 成像放大因子的标定 ， 使用栅线样板 （ 通常栅线间距为 １０ μ ｍ ）， 狓 轴和 狔 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 ： 犓 犻 ＝ 狇 ／（ 狆狀 ） …………………………（ １ ） 　　 式中 ： 犓 犻 ——— 成像放大因子 ， 犻 为 狓 或 狔 ； 狇 ——— 栅线间距 ， 单位为微米 （ μ ｍ ）； 狆狀 ——— 栅线间像素数 。 狕 轴校正因子的标定 ， 使用台阶高度样板 （ 通常台阶高度为 １００ｎｍ ）， 狕 轴的校正因子按照式 （ ２ ） 进行计算 ： ２ 犌犅 ／ 犜 ３４８９４ — ２０１７ 犆 ＝ 犺 ０ ／ 犺 …………………………（ ２ ） 　　 式中 ： 犆 ——— 狕 轴校正因子 ； 犺 ０ ——— 标准台阶高度 ， 单位为纳米 （ ｎｍ ）； 犺 ——— 台阶高度仪器示值 ， 单位为纳米 （ ｎｍ ）。 ４ ． ４ 　 测量步骤 ４ ． ４ ． １ 　 测量准备 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 ， 使微悬臂梁的起止点约占视场长度或宽度的三分之二 。 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 。 从中选取微悬臂梁固定端部分的一个区域作为标准面 ， 对三维表面形貌进行坐标修正 。 ４ ． ４ ． ３ 　 提取表面轮廓线及计算数据点 提取表面轮廓线及计算数据点方法如下 ： ａ ） 　 按照微悬臂梁固定端端面垂线所对应的轴向 （ 狓 轴或 狔 轴 ） 提取表面轮廓线 ， 狓 轴方向提取的 ５ 条表面轮廓线见图 ２ ， 其中表面轮廓线 ａ 和 ｅ （ 只包含微悬臂梁固定端部分 ， 不包含悬空部分 ） 的典型表现形式见图 ３ ， 表面轮廓线 ｂ 、 ｃ 和 ｄ （ 同时包含微悬臂梁固定端部分和悬空部分 ） 的典型表现形式见图 ４ ； 图 ２ 　 选择 ５ 条轮廓线进行应变梯度的计算 ｂ ） 　 对于表面轮廓线 ａ 和 ｅ ， 边缘点的选择可选择阶梯结构的上边缘点 ， 如图 ３ 中 狓 １ ｕ ＿ ｔ ， 也可选择 阶梯结构的下边缘点 ， 如图 ３ 中 狓 １ ｄ ＿ 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 。 ３ 犌犅 ／ 犜 ３４８９４ — ２０１７ 图 ３ 　 三维表面形貌中提取的表面轮廓线 （ 犪 或 犲 ） ｃ ） 　 对于轮廓线 ｂ 、 ｃ 和 ｄ ， 从表面轮廓线上悬空部分选取不少于 ３ 个测量点 ， 通常微悬臂梁悬空部分中央选取一点 ， 另两点对称分布在其两侧 ， 且微悬臂梁悬空部分的端部和尾部距其最近测量点的距离约为悬空部分长度的六分之一 。 图 ４ 　 三维表面形貌中提取的表面轮廓线 （ 犫 、 犮 或 犱 ） ４ ． ４ ． ４ 　 计算微悬臂梁固定端端面垂线与二维轮廓线方向夹角 选取两条相距最远的表面轮廓线 ， 利用其 狓狔 平面坐标来进行夹角的计算 ， 如图 ２ 中 ａ 和 ｅ 。 图 ５ 所示夹角 α 按式 （ ３ ） ～ 式 （ ５ ） 分步计算如下 ： Δ 狓 ＝ 狓 １ ｕ ＿ ａ － 狓 １ ｕ ＿ ｅ …………………………（ ３ ） Δ 狔 ＝ 狔 ｕ ＿ ａ － 狔 ｕ ＿ ｅ …………………………（ ４ ） α ＝ ｔａｎ － １ Δ 狓 · 犓 狓 Δ 狔 · 犓 狔 ［］ …………………………（ ５ ） ４ 犌犅 ／ 犜 ３４８９４ — ２０１７ 图 ５ 　 微悬臂梁固定端端面垂线与二维轮廓线方向夹角的计算 ４ ． ４ ． ５ 　 确定微悬臂梁的端点 按照图 ２ 提取的表面轮廓线 ａ 和 ｅ ， 用式 （ ６ ） 计算端点 狓 轴坐标 ： 狓 １ ａｖｅ ＝ 狓 １ ｕ ＿ ａ ＋ 狓 １ ｕ ＿ ｅ ２ …………………………（ ６ ） ４ ． ４ ． ６ 　 计算应变梯度 计算应变梯度方法如下 ： ａ ） 　 对于任意一条表面轮廓线 （ ｂ 、 ｃ 或 ｄ ）， 利用夹角 α 对选取的 ３ 个测量点 狓 轴坐标进行修正 ， 按式 （ ７ ） 和式 （ ８ ） 进行计算 。 狓 ｓ ＝ 狓 １ ａｖｅ