GB T 26113-2010 微机电系统（MEMS）技术 微几何量评定总则.pdf

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1、ICS 3 1. 200 L 55 喧嚣中华人民圭七./、和国国家标准GB/T 26113-2010 微机电系统(MEMS)技术微几何量评定总则Micro-electromechanical system technology一General rules for the assessment of micro-geometrical parameters 2011-01-10发布2011-10-01实施数码防伪中华人民共和国国家质量监督检验检班总局中国国家标准化管理委员会发布GB/T 26113-2010 目U昌本标准按照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

2、术委员会CSAC/TC336)提出并归口。本标准主要起草单位:中机生产力促进中心、西安交通大学、天津大学、中原工学院。本标准主要起草人:丁红宇、张苹、刘伟、蒋庄德、景蔚置、胡晓东、赵则祥。I G/T 26113-2010 1 范围微机电系统(MEMS)技术微几何量评定总则本标准规定了微几何量的评定基本原则、评定要素、评定程序、评定方法以及评定规则。本标准适用于企业、研究机构、检测机构等从事微机电技术及产品的研究、设计、生产、检测。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，仅所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

3、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 18779.2 产品几何量技术规范(GPS)工件与测量设备的测量检验第2部分:测量设备校准和产品检验中GPS测量的不确定度评定指南GB/T 26111微机电系统(MEMS)技术术语3 术语和定义3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 GB/T 3505和GB/T26111中给出的术语和定义以及下列术语和定义适用于本文件。微几何要素micro-geometrical feature 构成微结构几何特征最基本的点、线、面。微几何量micro-geometrical parameter M

4、EMS构件的几何特征参数。尺寸特征feature of size 由一定大小的线性尺寸或角度尺寸确定几何形状。表面结构surface structure 几何表面的重复性或偶然性偏差，这些偏差形成该表面的三维形貌。表面(结构)参数surface (structure) parameter 表示表面微观几何特性的参数。形状特征characteristic of form 单一实际要素的形状所允许的变动全量。1 G/T 26113-2010 3. 7 位置特征characteristic of position 实际要素的方向或位置相对于基准所允许的变动全量。4 评定基本原则4. 1 冗余原则任何

5、测量系统都存在误差，当通过减小阿贝误差、热变形等方法不能提高测量精度时，要考虑采用冗余测量，如测量次数的增加、测量方式的改变、测量传感器数量的增加等来提高测量精度。微几何量评定宜遵从冗余原则。一一当采用冗余原则时，应合理设计冗余度。在测量过程中，可利用冗余对测量信息进行诊断，剔除粗大误差。4.2 测量特征参数原则测量实际要素上具有代表性的参数特征参数，用这些特征参数的差异来表示被测实际要素的相应误差。5 评定要素微几何量主要是反映特征尺寸在微米级别的MEMS结构的尺寸和质量特征。微几何量评定要素(见表1)主要包括t尺寸特征、形位特征、表面结构特征等三类。表1评定要素分类关系类别评定要东尺寸尺寸

6、特征半径角度距离直线度圆度平面度平行度形位特征垂直度倾斜度同心度位置度对称度原始轮廓表面结构特征粗糙度轮廓波纹度轮廓表面缺陷2 GB/T 26113-2010 6 评定程序微几何量评定的基本程序(见图。如下:1) 根据评定要素确定测量任务，对于不能直接进行测量的评定要素，可以通过计算转化等方法采用间接测量方法进行。2) 根据可行性和现有条件，确定合适的测量方法(框2);3) 根据测量方法，明确测量步骤，进行测量(框3);的按照所选方法确定测量次数，将测量数据(框的进行误差分析及误差处理(框5)，如需要进行相应计算转化才能得到评定要素，则按照给定的计算方法进行计算(框的得到计算结果;5) 根据测

7、量过程等因素，进行测量不确定度概算(框7);的选定合适的评定规则、评定指标对处理后的测量结果进行评定(框的，得出评定结论(框的。测量数据处理2 5 6 7 i 9 图1微几何量评定程序流程图7 测量样晶凡使用的测量样品需给出测量样品规范。测量样品规范应包括样品的结构几何特征尺寸、表面特征等对测量样品特征进行描述的文字(如需要可以加图形进行描述)，确保使用者可以明确测量样品的结构特征。8 测量方法8.1 测量方法慨述微几何量评定要素可采用测量方法主要有:光学显微视觉测量法、扫描电子显微镜测量法、接触式探针轮廓测量法、光学探针轮廓测量法、光学干涉显微测量法、扫描探针显微镜测量法、椭圆偏振膜厚测量法

8、、光反射膜厚测量法等(参见附录A)。表2测量方法与评定要素对应表评定要素测量方法光学显扫描电接触式光学探光学显扫描探椭圆偏光反射微视觉子显微探针轮针轮廓微干涉针显微振膜厚膜厚测测量法镜测量法廓测量法测量法测量法镜测量法测量法量法尺寸、/、j、J、J、/、/。半径、/飞j、/J 、/、J。距离。、/、/J 、J、/、/3 GB/T 26113-2010 表2(续)评定要素测量方法光学显扫描电接触式光学探光学显扫描探椭圆偏光反射微视觉子显微探针轮针轮廓微干涉针显微振膜厚膜厚测测量法镜测量法廓测茧法测量法测量法镜测量法测量法量法角度、/、J、/、J、jJ 。直线度、/J J J 、J、/。圆度J 、

9、/、/、/、/、J。平面度。、/、/、/、/。平行度J J J 、J、/、/。垂直度、/、/、jJ 、/、/。倾斜度飞/、JJ J 、/、/。位置度、/、J、/、JJ 、/。同心度、/、/J 、/、/、j。对称度、/、/J 、/、/、/。原始表面轮廓。J 、/、JJ 。粗糙度轮廓。、/、/、JJ 。波纹度轮廓。J 、/、J、/。表面缺陷、/J J J 、JJ 。注1:、/表示测量方法可用于此评定要素的测量，0表示测量方法不可用于此评定要素的测量.注2:光学显微视觉测量法和扫描电子显微镜测量法属于2维测量，只能对平面的2维几何量特征要素进行评定。注3:接触式探针轮廓测量法、光学探针轮廓测量法、光

10、学干涉显微测量法、扫描探针显微镜测量法属于2.5维测茧，微结构侧壁轮廓的测址还不能很好的实现，应用于3维几何量特征要素的评定有一定的限制条件。注4:椭圆偏振膜厚测盐法和光反射膜j孚祖国主t法只适用于薄膜厚度的测量，对应于，.距离评定要素。8.2 测量条件需给出明确的测量条件(如测量环境、仪器等)。凡所使用的测量仪器和设备需经国家计量部门校准，且仪器须在校准期内使用。9 测量数据处理9. 1 测量误差的类型对测量结果应进行误差分析。按它们在测量结果中出现的规律，误差可分为系统误差、随机误差和粗大误差、漂移等。4 一一系统误差:在重复条件下，对同一被测量进行无限多次测量所得结果的平均值与被测量的真

11、值之差，称为系统误差。随机误差=在可重复条件下，对同一被测量进行元限多次测量所得结果的平均值之差，称为随机误差。. GB/T 26113-2010 一一粗大误差:由测量过程中不可重复的突发事件所引起的误差，称为粗大误差。一一漂移:漂移是一种随时间或随使用次数而改变的误差，由不受控的影响量的系统影响所引起的。9.2 测量数据误差处理对上述四类误差进行判别之后，进行正确的处理，以减小误差对测量结果的影响。一一根据系统误差的特征，采用合适的方法进行判别，找出产生系统误差的原因，并采取有效措施来消除系统误差的影响。一一根据随机误差的性质，对随机误差宜运用相关的概率理论进行分析处理，得出测量结果的置信概

12、率与置信区间，并减小该类误差。一一根据粗大误差的特点，采用合适的判断准则，从测量数据中正确地找出并剔出该类误差。一一根据漂移的特点，可采用处理系统误差的方法对该类误差进行处理。9.3 测量不确定度概算为了验证测量结果是否符合要求，应把测量不确度考虑进去，对测量结果进行不确度概算，并在测量结果的完整表述中给出测量不确定度，必要时还应说明有关影响量的取值范围。10 评定规则在对计算结果进行评定时，需要按照测量对象和方法给出相应的评定规则。对微几何量评定时应遵循GB/T18779.2。门评定结论应根据测量任务要求给出明确的唯一的评定结论，并对评定结果进行简要说明。评定结论中应给出尽可能多的信息，以避

13、免用户错误的使用评定结果。5 GB/T 26113-2010 附录A(资料性附录微几何量基本测量方法A.1 光学显微视觉方法方法光学显微视觉测量法有两种实现方式:方式-.被测微结构置于光学显微镜样品台，显微镜成像后经摄像机采集和数字化后将图像送入计算机，由计算机软件对数字图像进行处理，通过图像的特征计算微结构的平面几何特征参数。方式二:被测微结构置于可读数的xy位移台和旋转台上，用光学显微镜目镜分划板上的刻线与微结构的点或线特征进行对准，通过xy位移台和旋转台移动被测微结构，使得刻线与微结构其他位置的点或线特征再次对准，通过位移台和旋转台的读数和对准特征的情况来计算微结构的平面几何特征参数。A

14、.2 扫描电子显微镜测量方法方法扫描电子显微镜是用聚焦电子束在试样表面逐点扫描，得到反映试样表面形貌的二次电子像，再运用数字图像处理方法，通过图像的特征计算微结构的平面几何特征参数。A.3 接触式探针轮廓仪测量方法方法接触式探针轮廓仪的探针接触被测表面，并使探针沿被测表面移动，被测表面的微观凹凸不平使探针上下移动，其移动量由与探针组合在一起的位移传感器测量，从而得到被测对象的表面轮廓，对表面轮廓的分析可获得相应的微几何量特征参数。6 说明这种方法的特点是实现相对简单，横向分辨率一般可达亚微米级。方式一的测量范围是光学显微镜的成像视场，视场直径一般小于1mm;方式二的测量范围是xy位移台的移动范

15、围，可达到数百毫米，但是目视对准容易引人粗大误差。该方法虽然可通过聚焦的方法来估算表面的高度，但是测量分辨率低，故不建议用于测量离面几何特征参数。说明扫描电子显微镜的分辨率与电子束的加速电压和真空度密切相关，目前其最高分辨率可达到1日mo被测对象的表面必须是非绝缘体。说明接触式探针轮廓仪纵向分辨率最高可达0.1nm，横向分辨率一般为数十纳米，测量的最大高度差可达10mm左右，单线轮廓扫描长度可达到200mm , 面扫描范围一般都低于1mm，线扫描可测离面距离，面扫描可测表面结构。在测量过程中需考虑测量力影响。 A.4 光学探针轮廓仪测量方法方法光学探针的作用是将光束聚焦到被测对象表面，将光学探

16、针在被测对象进行扫描实现表面轮廓测量。依据信号GB/T 26113-2010 说明光学探针轮廓仪的纵向分辨率最高的获取条件有两种方式:一种是共焦测量方式，被测对象表1可达1nm，横向分辨率一般为1mo面的起伏将导致光学探针的焦点产生偏离，通过控制光学|测量范围由扫描的工作台的移动范围探针与被测对象相对位置来保持共焦状态，而相对位置的|决定。控制量则反映出被测对象表面高度起伏的信息;另一种是|共焦测量方式的测量分辨率稍低于离焦测量方式，光学探针与被测对象的相对位置保持不变，I离焦测量方式，但是其高度测量范围仅被测对象表面的起伏将导致光学探针的焦点产生偏离，直受限于扫描台的工作范围，一般为几十接通

17、过这一偏移量来计算被测对象表面高度起伏的信息。|毫米，远高于离焦测量方式，应用更为表面轮廓测量完成后进行相应的分析可获得其他微几何量l广泛。特征参数。A.5 光学显微干涉测量方法方法说明光学显微干涉是依据被测对象表面反射或散射的测量光与参考光产生干涉，对干涉所包含的位相信息进行解析l| 相移显微干涉法垂直测量分辨率最来测量被测对象表面的形貌，从而计算出表面结构等参数。|I 盲，可达到0.1nm，但只能用于反射性光学显微干涉的主要测量方法有:相移显微干涉法、白|好表面的测量;全息显微干涉法垂直测光扫描干涉法、全息显微干涉法。目l量分辨率可达到0.5nm左右，对测量相移显微干涉法和白光扫描干涉法可

18、采用三种显微干|表面的反射性没有任何限制;白光扫描涉光路结构，分别为迈克尔逊(Michelson)显微干涉结构、l|干涉法测量分辨率一般为1nm，对测量米劳CMirau)显微干涉结构、林尼克CLinnik)显微干涉结|表面反射性的要求介于相移显微干涉法构。迈克尔逊干涉显微干涉结构工作距离最短:米劳显微1|和全息显微干涉法之间。干涉结构具有较好的抗干扰能力;林尼克显微干涉结构工I作距离较长。A.6 扫描探针显微镜CSPM)测量方法SPM主要包括扫描隧道显微镜CSTM)、原子力显微镜CAFM)等，其中AFM、STM的测量特点如下。7 GB/T 26113-2010 A. 6.1 扫描隧道显微镜(S

19、TM)测量方法方法STM的针尖与导电的被测表面之间相距很近的距离(小于1nm)时，在两者之间加上0.1V左右的小电压，就会产生1nA的微小隧道电流。在表面形貌的测量中，一般是控制扫描针尖随着表面高低起伏上下运动，以保持隧道电流恒定，针尖上下运动量就反映出被测表面的形貌变化。A.6.2 原子力显微镜(AFM)测量方法方法原子力显微镜有两种主要工作模式:一是接触模式;二是轻敲模式。接触模式:微悬臂梁探针一端固定，另一端有一个微小的针尖，并与样品表面接触;探针在被测对象扫描的过程中，由于针尖端原子与样品表面原子间存在的作用力，样品表面的高低起伏就会使微悬臂梁的弯曲量产生变化，通过控制微悬臂梁探针随着

20、表面高低起伏上下运动，以使得微悬臂梁弯曲量的恒定，探针上下运动量就反映出被测表面的形貌变化。轻敲模式:用一个压电陶瓷元件驱动微悬臂梁探针振动，其振动频率等于探针的共振频率;当把这种受迫振动的探针逼近到样品表面时，探针与样品表面之间的作用力将会改变微悬臂梁探针的振动幅度，表面高度不同对振动幅度的影响也不同;探针在被测对象表面进行扫描，通过控制微悬臂梁探针随着表面高低起伏上下运动，以使得微悬臂梁振动的幅度恒定，探针上下运动量就反映出被测表面的形貌变化。A.7 椭圄偏振膜厚测量方法方法将样品放置在测试台上，用已知偏振态的椭圆偏振光斜照射到样品表面时，人射光与材料相互作用，使得样品反射光的偏振状态相对

21、人射光相位和幅度发生变化，而通过光电传感器可测得反射光的偏振态变化(幅度和相位)。将偏振态变化、入射光波长和材料折射率输入偏振方程，可计算和拟合出薄膜的厚度。8 说明扫描隧道显微镜的纵向和横向分辨率分别为0.01nm和0.1nm，平面扫描范围一般在100m以下，离面扫描范围一般可达到5m。扫描隧道显微镜测量法不适合非导电材料样品的测量。说明原子力显微镜(AFM)的纵向和横向分辨率分别为O.0臼5nm和O.02 nm 平面扫描范围一般在10Om以下，离面扫描范围一般可达到5m。原子力显微镜既可以用于测量绝缘体、半导体，也可以用于测量导体，而且微悬臂梁探针可以在液体环境下工作。说明测量厚度一般为1

22、nml mm，测量厚度精度与量程和波长范围有关，可达0.1nm。待测样品为透明或半透明状(对测量波长而言)的单层或多层膜。A.8 光反射膜厚测量方法(光学膜厚探针)方法以单层薄膜为例，样品放置测试台，将初始光强为10()光束垂直入射到样品表面，样品上表面(空气/薄膜)反射光强11()和样品下表面(薄膜/衬底)反射光强12()叠加成为I(被光电探测器所接收，使用公式RO)=10)/ 10 ()所计算出来的反射率同时又是薄膜厚度d，薄膜折射率n()，薄膜消光系数k()的函数，在该薄膜材料对应不同波长下的n，k值已知的情况下，测出不同波长下的R()曲线，可以通过计算机数学运算得到薄膜厚度。GB/T

23、26113-2010 说明测量厚度一般为1nml mm，测量厚度精度与量程有关，最好为1nm。需要材料光学常数库支持。薄膜样品表面光滑，且为透明或半透明状(对测量波长而言)的单层或多层膜(衬底不透光)，测试光斑大小一般为100mX100m以下。9 OFONlENH8 国华人民共和国家标准微机电系统(MEMS)技术微几何量评定总则GB/T 26113-2010 中奇段中国标准出版社出版发行北京复兴门外三里河北街16号邮政编码:100045网址电话:6852394668517548 中国标准出版社秦皇岛印刷厂印刷各地新华书店经销导印张1字数18千字2011年2月第一次印刷开本880X 1230 1/16 2011年2月第一版 书号:155066. 1-41570 18.00元如有印装差错由本社发行中心调换版权专有侵权必究举报电话:(010)68533533定价GB/T 26113-2010 打印日期:2011年3月20日F002A