GB/T 34894-2017 微机电系统（MEMS）技术 基于光学干涉的MEMS微结构应变梯度测量方法

　　ICS 3 1 . 200 L 55

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 34894—2017

　　微机电系统(MEMS)技术

　　基于光学干涉的 MEMS微结构

　　应变梯度测量方法

　　Micro-electromechanicalsystem technology—Measuringmethod

　　forstraingradientmeasurementsofMEMSmicrostructures

　　usinganopticalinterferometer

　　2017-1 1-01 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

　　GB/T 34894—20 17

　　GB/T 34894—20 17

　　前 言

　　本标准按照 GB/T 1 . 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/TC 336)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。

　　GB/T 34894—20 17

　　微机电系统(MEMS)技术

　　基于光学干涉的 MEMS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/T 3505 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/T 26111 微机电系统(MEMS)技术 术语

　　GB/T 26113 微机电系统(MEMS)技术 微几何量评定总则

　　GB/T 34893—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/T 3505、GB/T 26111 和 GB/T 34893—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 straingradient

　　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。

　　GB/T 34894—20 17

　　图 1 表面 MEMS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/T 26113 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：86 kPa~106 kPa。

　　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 1 nm,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 μm。

　　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 ≈ 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 μm) ,x轴和y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：

　　Ki=q/(pn) …………………………( 1 )

　　式中：

　　Ki — 成像放大因子，i为x或 y;

　　q — 栅线间距，单位为微米(μm) ;

　　pn — 栅线间像素数。

　　≈ 轴校正因子的标定，使用台阶高度样板(通常台阶高度为 100 nm) , ≈ 轴的校正因子按照式(2)进

　　行计算：

　　GB/T 34894—20 17

　　C=h0/h …………………………( 2 )

　　式中：

　　C —≈ 轴校正因子;

　　h0 — 标准台阶高度，单位为纳米(nm) ;

　　h — 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(x轴或 y 轴)提取表面轮廓线，x 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 x1u_t , 也可选择阶梯结构的下边缘点，如图 3 中 x1d_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。

　　GB/T 34894—20 17

　　图 3 三维表面形貌中提取的表面轮廓线(a或 e)

　　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(b、c或 d)

　　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

　　…………………………( 5 )

　　GB/T 34894—20 17

　　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 x轴坐标：

　　x …………………………( 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 x 轴坐标进行修正，按

　　式(7)和式(8)进行计算。

　　式中：

　　xti — 第 t条轮廓线第i测量点的原始x轴坐标;

　　x’ti — 第 t条轮廓线第i测量点修正后的x轴坐标;

　　xs — 轮廓线起点的 x轴坐标;

　　t — 轮廓线序号，t= b, c, d;

　　i — 测量点序号，i= 1 , 2 , 3。

　　b) 修正后测量点坐标分别为(x’ti,yti ,≈ti) ,在 x≈平面坐标系内建立以下圆方程：

　　式中：

　　(at ,bt) — 第 t条轮廓线拟合圆的圆心坐标;

　　Rt — 第 t条轮廓线拟合圆的半径。

　　求解方程组(9)得到 at ,bt 和 Rt , 利用式(10)计算得到应变梯度。

　　s …………………………( 10 )

　　注 ：当微悬臂梁呈向上弯曲变形时，上述计算的应变梯度取正值;当微悬臂梁呈向下弯曲变形时，上述计算的应变梯度取负值。

　　GB/T 34894—20 17

　　5 影响测量不确定度的主要因素

　　影响 MEMS微结构应变梯度测量结果不确定度的主要因素包括：

　　a) 光学干涉显微镜 狓轴和y轴成像放大因子标定误差;

　　b ) 光学干涉显微镜 ≈ 轴校正因子标定误差;

　　c) 微悬臂梁基座结构边缘点选取位置误差;

　　d ) 被测对象表面光学属性不同造成的表面形貌测量误差;

　　e ) 微悬臂梁非圆弧变形造成的拟合误差;

　　f) 重复测量的次数。

　　GB/T 34894—20 17

　　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

　　光学干涉显微镜依据测量原理可主要分为相移干涉、白光扫描干涉、数字全息等，其共同之处是测量光束在被测对象表面反射后与参考光束形成干涉，被测对象表面高度的变化就使得测量光束在成像视场上不同位置具有不同的光程，通过解析该光程的变化就获得被测对象的表面形貌，图 A. 1 为一种相移干涉/白光扫描干涉显微镜的基本结构示意图，两种测量模式要求纳米定位器产生不同形式的机械运动。 白光扫描干涉信号如图 A. 2 所示，其信号可见度不恒定，随扫描位置不同而变化。 当测量光与参考光光程差为零时，干涉信号出现最大值，称之为相干峰。 相干峰位置就代表了表面上对应数据点的相对高度信息，所有数据点的相对高度就组合成了被测对象的三维表面形貌。

　　图 A.1 光学干涉显微镜的基本结构示意图

　　GB/T 34894—20 17

　　图 A.2 白光扫描干涉信号示意图

　　光学干涉显微镜在高度方向的测量分辨力一般为 0. 1 nm~ 1 nm,相移显微干涉的测量分辨力为0 .1 nm, 白光扫描干涉的测量分辨力为 1 nm,数字全息显微干涉的测量分辨力为 0 .1 nm。白光扫描干

　　涉的高度测量范围只受限于高度方向扫描器的范围，可达到数毫米甚至更大;相移显微干涉和数字全息显微干涉的高度测量范围一般为成像系统的景深，与显微物镜的放大倍率相关，放大倍率越大景深越

　　小，例如：20×物镜的景深约为数微米。相移显微干涉和数字全息显微干涉通常使用单波长光源，对于

　　阶梯高度的测量有一个限制条件：阶跃高度差超过四分之一波长时无法进行正确的测量。 对于大多数情况，这一限制不会对离面弯曲变形的测量带来影响，因为微悬臂梁的表面形貌是连续变化的，只要微悬臂梁产生向下的弯曲变形不会导致与下方的结构相接触，没有必要准确测量出微悬臂梁基座上表面与下方结构的高度。 当存在微悬臂梁产生向下的弯曲变形可能导致与下方结构相接触时，则需要准确测量出微悬臂梁基座上表面与下方结构的高度，来判断是否接触，如果产生了接触，测量不能进行。