ICS _31.200 L 55
GB
中华人民共和国国家标准
GB/T34899—2017
微机电系统(MEMS)技术基于拉曼光谱法的微结构
表面应力测试方法
Micro-electromechanical system technology-
Measuring method of microstructure surface stress based on Raman spectroscopy
2018-05-01实施
2017-11-01发布
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/T34899—2017
目 次
前言范围 2 规范性引用文件 3 术语和定义
应力测试原理测试条件 5.1 总则 5.2 样品要求 5.3 校准要求 5.4 环境条件 5.5 测试系统 6 测试规程 6.1 校准拉曼光谱仪 6.2 测试系统误差 6.3 选择测试区域 6.4 测试步骤 6.5 测试记录 6.6 拉曼频移的确定 6.7 应力计算附录A（资料性附录） 立方晶系的应力和拉曼频移之间的换算关系附录B（资料性附录） 相对动态应力测试系统实例附录C（资料性附录） 微结构表面应力拉曼光谱法测试实例
N
5
10 GB/T 34899—2017
前言
本标准按照GB/T1.1一2009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：中北大学、中机生产力促进中心。 本标准主要起草人：石云波、唐军、程红兵、崔建功、李海斌、朱悦
一 GB/T34899—2017
微机电系统（MEMS）技术基于拉曼光谱法的微结构
表面应力测试方法
1范围
本标准规定了拉曼光谱法测定微机电系统（MEMS)结构表面残余应力、相对静态应力、相对动态应力的方法
本标准适用于微机电系统（MEMS)结构表面残余应力、相对静态应力、相对动态应力的拉曼光谱法测试。
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/T2421.1电工电子产品环境试验概述和指南 GB/T25915.1洁净室及相关受控环境 第1部分：空气洁净度等级 GB/T26111微机电系统（MEMS)技术术语 JF1544一2015拉曼光谱仪校准规范计量特性和校准要求
3术语和定义
GB/T26111和JJF1544一2015界定的以及下列术语和定义适用于本文件
3.1
波数 wavenumber 波长的倒数，即每厘米内包含的波长数目。 注：单位为每厘米（cm-1）。
应力测试原理
4
拉曼光谱法应力测试是根据拉曼散射测出的拉曼频移来计算材料表面应力的方法。 结构表面在应力作用下，晶格会发生形变，从而对入射光造成散射，导致了拉曼频移的产生。根据
拉曼频移的大小可以计算出应力的数值。结构表面应力与拉曼频移之间具有线性关系，见式（1）。
A α
.(1)
G=
式中： a α Aa 立方晶系的应力和拉曼频移之间的换算关系参见附录A。
表面应力，单位为兆帕（MPa）；应力因子，单位为每厘米兆帕（cm-1·MPa-1）；拉曼频移，单位为每厘米（cm-1）。
1 GB/T 34899—2017
5 测试条件
5.1 总则
在实际测试应力之前，需要确认测试的环境条件，同时正确搭建测试系统。 5.2 2样品要求
残余应力测试样品为未封装的微结构，静态应力测试样品为可以静电力、磁力、机械力或其他方式
加载静载荷的未封装的微结构，动态应力测试样品为可加载周期载荷实现周期运动的未封装的微结构。 5.3 校准要求
频移校准用标准样品或其他拉曼光谱信号稳定且无毒无害、易于保存的化学物质，其拉曼峰频率的标准值由已校准过的拉曼光谱仪给出，经计量部门检定合格。
采用标准硅片对仪器进行校准，仪器测量标准不确定度优于0.01cm-1。 标准不确定度按式（2）计算：
(s: s)2 n
.(2)
式中： S 标准偏差； s n次测量得到的拉曼频率的平均值： S: 第i次测量得到的拉受频率： n 表示测试次数。
5.4 环境条件 5.4.1 标准大气条件
除非详细规范另有规定，所有测试应在GB/T2421.1所规定的测试用标准大气条件下进行。
5.4.2 电磁条件
除产品技术条件另有规定，测试场地除地磁场外，应无其他外界电磁场。 5.4.3洁净度条件
除产品技术条件另有规定，所有测试应在符合GB/T25915.1中规定的七级洁净区进行。 5.4.4振动条件
除产品技术条件另有规定，所有测试应在光学减振平台上进行。 5.5 测试系统 5.5.1相对静态应力测试系统
静态测试系统由拉曼光谱仪和固定载荷加载系统（可根据需要选用）构成。 拉曼光谱仪通常由激光光源、光学系统、样品台、光谱分析仪、光电检测器和计算机组成。激光光源
2 GB/T34899—2017
发出的激光聚焦于样品台上的微结构表面（可根据需要加载固定载荷），微结构表面受激光激发后发出带有自身光谱信息的拉曼散射光，散射光由光谱分析仪解析得到光谱信号，光谱信号由光电检测器接收并可在计算机上显示出来。静态应力测试系统框图如图1所示。拉曼光谱仪的光谱分辨率优于 1cm-1，频移测量的标准不确定度优于0.01cm-1。
光电检测器
1
光谱分析仪
光学系统
激光光源
微结构表面样品台
固定载荷加载系统
计算机
图1相对静态应力测试系统框图
5.5.2相对动态应力测试系统
相对动态应力测试系统由在拉曼光谱仪的基础上进行得二次集成构成：主要包括拉曼光谱仪和动
态应力加载系统。
相对动态应力加载系统通常可由根据加载的动态应力需要而选用的具有调制、同步和放大等功能的仪器构成。产生的信号通过调制器调制激光光源发出脉冲激光聚焦于样品台上的加载动态激励的微结构表面，微结构表面受激光激发后发出带有自身光谱信息的拉曼散射光，散射光由光谱分析仪解析得到光谱信号，光谱信号由光电检测器接收并可在计算机上显示出来。动态应力测试系统框图如图2 所示。
光电检测器
4 光谱分析仪
+ 光学系统
激光光源
动态应力加载系统
微结构表面样品台
计算机
图2动态应力测试系统框图
要求：
拉曼光谱仪的组成、光谱分辨率和频移测量的最大标准不确度应满足5.5.1中的规定；
a) b） 组成动态应力加载系统的调制与同步等仪器能够在用户关心的频率范围内完成测试。保证
激光脉冲的频率和在加载动态激励下的样品的振动频率相等。拉曼光谱仪的光谱分辨率优于 1cm-1，频移测量的标准不确定度优于0.01cm-1，动态测试频率不小于278kHz(相位分辨率
3 GB/T34899—2017
为1°）。 动态测试系统搭建的实例简图参见附录B
6测试规程
6.1 校准拉曼光谱仪
拉曼光谱仪的校准应遵循JJF1544一2015的规定 6.2 测试系统误差
测试前首先应用标准硅片或相应的标准材料对测试系统进行误差测试。建议每隔60s记录一次拉曼光谱，每条谱线记录10次，可得出拉曼频移的标准不确定度，根据第4章中的应力计算式（1）可以得出此测试系统的应力测试误差。 6.3选择测试区域
样品的测试区域一般选取在应力集中区。对于微梁、微桥和微膜等表面结构而言，其支撑部位附近
为应力集中区，选取此区域中用户关心的点为测试对象。 6.4测试步骤 6.4.1相对静态应力测试 6.4.1.1 1残余应力测试
残余应力测试步骤如下： a）系统自检将电源打开，保证光谱分析测试电压恒定，输人激光，自检激光是否开启和准确互连，自检光路控
制、传输、接收等相关部件等是否运行正常，进行测试系统初始化。
b）光路校准设置激光连接端口，并滤除散射光，前置反射镜，在反射镜形成圆形均匀光斑为止；通过聚焦和准
直，使准直光斑成均匀椭圆形为准；之后拉曼信号引人光谱分析系统，保证激发光路和测试光路的高稳定性。
注：本步骤适用于每周校准一次或者仪器的使用环境发生变化时。 c）标准样品对准采用标准硅片或相应的标准材料安装至三维位移平台（样品台）样品设定区域，进行固定，控制标样
至光斑区域。首先采用低倍物镜对样品上表面进行聚焦，通过物镜观察到光斑区域成正八面形实现最优聚焦，选择待测试区域，移动至物镜中十学刻度中心，切换至最高倍物镜，依据6.3，通过微调聚焦到测试点区域，完成样品测试区域选定和对准，关闭测试区舱门和物镜光线
d）测试条件设定调制显微镜系统为所需要的激发模式，设定测试模式为拉曼测试，选用对应的光谱光栅，按照用户
要求设定激光功率和测试范围。
e）光路再校准处于激发模式后.实时监测光斑聚焦位置和光斑直径，设定显示模式为刻度模式，实时微调前置和
后置反射镜微调光斑位置，使光斑处于十字刻度中心；通过微聚焦调制，观察光斑的衍射环和衍射中心区域大小，使光斑聚焦达到最优，进行测量。
f）仪器误差标校 4