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测试方法1范围本文件规定了通过对薄膜材料施加单轴和双轴载荷测试和计算泊松比的方法,适用于长度和宽度小于10μm、厚度小于10μm的MEMS薄膜材料。2规范性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,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。IEC62047-8:2011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ASTME132-04:2010室温下泊松比标准测试方法。3术语、定义、。’sratioν材料弹性变形范围内,纵向应力均匀分布时,横向应变与纵向应变之比的负值,表示为-εt/εl,其中εt是横向应变,εl是纵向应变。。4:..GB/TXXXXX—XXXX/IEC62047-21:2014a)用于单轴拉伸的1型样品b)用于鼓膜的2型样品图1测量两种类型的样品的泊松比表1样品的符号和名称符号单位名称lμm纵向应变测量结构的长度1lμm横向应变测量结构的长度2bμm样品的宽度Lμm总长度Rμm样品的圆角半径mμm矩形膜的长度1mμm矩形膜的宽度2mμm圆形膜直径3hμm膜厚度4样品5:..GB/—XXXX/IEC62047-21:,且应与实际器件具有相同的尺寸量级,以使与尺寸相关的特性所产生的影响最小化。IEC62047-8中给出了一个制造工艺示例。应使用退火工艺使样品厚度方向上的内部应力梯度最小化,但当退火工艺可能影响样品的杨氏模量和泊松比时,则应避免使用退火工艺。。。1型样品类似于一个拉伸试样的形状,如图1a)所示,2型样品具有两个膜,如图1b)所示。对于1型样品,应制作两对测试结构标记,以定义纵向和横向应变。通过测试纵向和横向的应变,-εt/εl的比值计算获得。在拉伸试验过程中,由于横向的压缩应变,样品上形成褶皱时,不希望的面外变形会导致光学测量误差,从而造成横向应变的光学测量困难。在该情况下,应该使用2型样品来替代1型样品。对于2型样品,包含了圆形膜和矩形膜。在一个给定的压力下,同时对两个膜的最大挠度进行测试。应使用光学技术或原子力显微镜(AFM)测量由于施加压力而引起的面外挠度,以尽量减少样品的机械干扰。对于矩形膜,长宽之比(m1/m2)应大于4。,由于样品尺寸用于提取测试材料的机械性能,需对样品尺寸进行准确测试,对于1型样品,纵向和横向测试结构长度(l1、l2)、宽度(b)和厚度(h)的测试误差应小于±5%。对于2型样品,矩形膜的宽度(m2)、圆形薄膜的直径(m3),以及膜的厚度(h)的测量应误差小于±5%。,通过对样品施加拉伸载荷来进行测试。由拉伸载荷引起的纵向和横向应变在测试结构的界面上应均匀,且在该样品的弹性区内。纵向应变和横向应变应同时测试,它们之间的时间延迟应小于数据采样周期的1/100。当样品有卷曲时,很难测试横向应变。在这种情况下,应使用2型样品测试泊松比。对于2型样品,通过对样品施加气压来执行测试。圆形膜和矩形膜应承受相同的施加压力。应同时测试两层膜的挠度,并且它们之间的时间延迟应小于数据采样周期的1/100。,只是它能够测试横向应变。由于测试片较薄,应使用激光干涉或数字图像相关法(DIC)等光学技术测试纵向和横向应变。2型样品的测试设备由一个空气压缩机、空气调节器、、压力传感器和用于测试平面外挠度的位移传感器构成。)使用拉伸夹具固定样品。样品的纵向应与试验设备的致动方向对准,且偏差角应小于1°,按IEC62047-8:;b)核实应变测试单元的纵向和横向应变,这些应变信号应与负载信号同时测试;6:..GB/TXXXXX—XXXX/IEC62047-21:2014c)以恒定的应变率(或夹持位移率)对样品施加拉伸载荷,应变率应在0,01min-1至10min-1之间,具体值由样品的材料体系和用户的实际使用条件确定;d)当负载完全超过比例限制时,卸载测试设备;e)按照ASTME132-04中描述,绘制纵向和横向应变相对于载荷图形,并确定泊松比。)将样品固定在测试设备的夹具上,夹具应具有气压入口和出口,以及允许将气压施加到样品的连接端口,夹具中的气压管路应设计为向样品中的两个膜提供相同的压力;b)对样品中的圆形膜和矩形膜施加气压,并测试两种膜的中心挠度和施加的压力;c)当压力超过样品的比例限制或者膜破裂时,卸载测试设备;d)按附录B分析测试结果,并确定泊松比。,因此测试期间,温度波动应控制在±2℃以下,测试场所的相对湿度(RH)变化应控制在±5%RH以下。6测试报告测试报告应包含以下信息。a)参照本国际标准;b)样品的标识;c)样品材料:-使用单晶:晶向;-使用多晶:质地和粒度;d)样品的形状和尺寸;e)样品制造方法的详细信息:-沉积的方法;-退火条件;-加工条件;f)测试系统:-测试设备;-载荷和应变的测试方法(或压力和挠度);g)测试的特性和结果:泊松比,纵向和横向的应变与施加的载荷(或压力)曲线。7:..GB/TXXXXX—XXXX/IEC62047-21:2014附录A(资料性)。类似制造工艺参见IEC62047-8:2011附录B。,宽度为500μm,圆角半径为5mm(图1)。为了分析测试数据,应准确测试样品的尺寸。。,在定义了应变测试的标记后,测试了纵向和横向应变。。将样品固定在夹具上后,使用压电致动器在样品的纵向上施加单轴拉力。纵向与单晶硅制成的样品的<110>方向重合。测试期间的应变率为5×10?4/s。通过显微镜获取图像,并使用DIC测量纵向和横向应变。。纵向的两个标记之间的间距越大,给定光学系统的应变测量分辨率就越高。在该测试中,纵向和横向标距长度分别为250μm和173μm,这是光学系统的视场和试件的最大位移。纵向和横向应变(εl,εt)和载荷(F)由数据采集模块同时采集。a)纵向应变标记b),能够得到F-ε曲线()。对两条曲线进行线性拟合后,得到两条曲线的斜率为dεl/dF==-0,00113。泊松比由下式计算。1:..GB/—XXXX/IEC62047-21:2014ddF?/()?=?=?l/-应变图2:..GB/TXXXXX—XXXX/IEC62047-21:2014附录B(资料性)。因为膜的厚度远小于宽度和直径,因此,膜的弯曲刚度可以忽略不计,这是可以接受的简化。矩形膜的长度和宽度之比应大于4。(p)施加到圆形膜和矩形膜两种膜时,膜会发生应变,并产生相应的应力。根据[1]1,对于直径为D、厚度为h、中心偏转为δcircular的圆膜,膜中的等双轴应力(σcircular)和应变(εcircular)使用以下公式进行评估:pD2()?circular=16h?circular2?2circular()?circular=D2应力和应变是相关的,由公式()计算:E()?circularcircular=1???其中,E是杨氏模量,v是泊松比。对于宽度W,厚度h,和一个中心偏转δrec的矩形膜,应力(δrec)和应变(εrec)使用以下方程计算:pW2()?rec=8h?rec8?2rec()?rec=3W2矩形膜的应力和应变是相关的,由下面的公式计算:E()?recrec=1??2?3:..GB/—XXXX/IEC62047-21:()和()中,得到公式():??()circularcircular=+(1)???recrec通过代入公式()、()、()和()到公式(),获得以下公式:??D4???3()?=?21????rec??W???circular使用2型样品来测试泊松比,且当两个膜承受相同的压力时,没有必要测试在膜上所施加的压力。但测试过程中需要测试膜的尺寸和挠度。4