半导体器件 微电子机械器件 第8部分：薄膜拉伸特性测量的带材弯曲测试方法.pdf

薄膜拉伸特性测量的带材弯曲测试方法

1范围

本文件规定了用于测量薄膜拉伸性能的带材弯曲测试方法，与常规拉伸测试相比，该方法操作难度

适中,具有精度高和可重复的优点。本方法适用于厚度在50纳米到几微米之间，且长宽比（长度和厚度

的比值）大于300的试样。

在微机电系统（MEMS）中，两个固定支点之间的悬空带材（或桥）被广泛采用。与制造传统的拉伸

试样相比，制造这种带材结构比较容易，且测试过程简单，很容易实现自动化。该标准可用于MEMS生产

中的质量控制测试，与传统拉伸测试相比，其测试效率更高。

2引用文件

下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，

仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其必威体育精装版版本（包括所有的修改单）适用于本

文件。

无

3术语和定义

下列术语和定义适用于本文件。

3.1

挠度ωdeflection

试样相对于试样两个固定端之间连线在连线中点处的位移。

3.2

挠度角βdeflectionangle

变形后的试样与试样两个固定端连线的夹角。

注：本文件中的试样通常称为带材试样。

4测试设备

4.1总则

测试设备由驱动器、负载传感器、位移传感器和对准机构组成，例如微拉伸测试仪和纳米压痕仪。

带状试样具有很强的柔顺性，与尺寸相近的微拉伸试样相比，在较小的载荷下会产生较大的挠度。因此，

负载传感器应具有良好的分辨率，位移传感器也需要较大的量程。测试设备的各组成部分的详细信息如

下所述。

4.2驱动器

所有能够直线运动的驱动设备均可用于测试，如压电驱动器、音圈驱动器、伺服电机等。但由于试

样尺寸小，应优先使用具有良好位移分辨率的设备。分辨率应优于试样最大挠度的1/1000。

4.3负载压头

对试样施加线接触力的负载压头形状类似传统的楔形压头，可由金刚石、蓝宝石或其他硬质材料制

成。负载压头的半径应与试样厚度相当或大于试样厚度，且小于L/50（见附录C.3）。

1

4.4对准机制

负载压头应安装在与负载和位移测量轴对齐的测试设备上，对准误差应小于1度。负载压头还应与

试样表面对齐，偏差角度应小于1度（偏差角度的定义和估算见附录C）。测试设备上最好安装有可调

节倾斜角的载物台。负载压头应位于试样中心位置，位置误差应小于L/100。

4.5力和位移传感器

力和位移传感器的分辨率应优于测试过程中最大载荷和变形量的1/1000。传感器的精度应在量程

的±1%以内。位移传感器可以是电容型、差动变压器型（LVDT）和光学型，且具有合适的分辨率和精

度。在实际中，挠度可以使用电容式传感器由负载压头的平移来测量，或者使用光学方法由试样的挠度

来测量。

4.6测试环境

建议在恒温恒湿环境下进行测试。在挠度测量中，温度变化会引起热漂移。所以在试验前后应检查

温度变化或热漂移情况。

5试样

5.1通则

试样应采用与制造实际器件相同的工艺进行制备。为了把试样的尺寸效应降到最低，试样的结构和

尺寸应与器件的结构和尺寸相当。

根据应用的不同，试样的制作方法有很多种。例如，附录B中描述了基于MEMS工艺的试样制作方法。

很多带材弯曲测试的试样都可以在晶圆或者其他衬底上制作。

5.2试样形状

试样形状及符号分别见图1和表1。试样的设计应尽量减少弯矩效应。为了减小弯矩效应，试样的最

大挠度应大于试样厚度的40倍，试样长度应大于试样厚度的300倍，试样宽度应该大于试样厚度的10倍，

试样长度应大于宽度的10倍。衬底厚度应大于试样厚度的500倍。衬底大小受测试设备尺寸的限制。支

撑试样的固定端几何形状会影响测试结果。在刻蚀试样的牺牲层和衬底时，试样下方的区域可能被过刻，

形成侧蚀。固定端的侧蚀应尽量小（各向异性刻蚀比各向同性刻蚀更好）。

图1薄膜试样

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表1试样的符号和名称

符号