半导体器件 微机电器件 第2部分：薄膜材料的拉伸试验方法

ICS号：31.080.99

中国标准文献分类号：L55

中华人民共和国国家标准

GB/TXXXXX—XXXX

半导体器件微机电器件

第2部分:薄膜材料的拉伸试验方法

Semiconductordevices-Micro-electromechanicaldevices-

Part2：Tensiletestingmethodofthinfilmmaterials

（IEC62047-2:2006,IDT）

（征求意见稿）

（本稿完成日期：2021-11-30）

XXXX-XX-XX发布XXXX-XX-XX实施

GB/TXXXXX—XXXX

前言

本标准的附录是规范性附录。

本标准使用翻译法等同采用IEC62047-2(1stEd.2006-08)《半导体器件微机电器件第2部分:

薄膜材料拉伸试验方法》（英文版）。

本标准由工业和信息化部（电子）归口。

本标准起草单位：河北美泰电子科技有限公司、中电国基北方有限公司。

本标准主要起草人：罗蓉、刘聪聪。

I

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半导体器件微机电器件第2部分:薄膜材料拉伸试验方法

1范围

本文件规定了长度和宽度均小于1mm，厚度小于10um的薄膜材料的拉伸试验方法，这种薄膜材料是

微机电系统（MEMS）、微机械和同类微型器件的主要结构材料。

微机电系统、微机械和同类微型器件使用的薄膜结构材料具有特殊性，典型尺寸只有几个微米，这

些材料的制备通过淀积工艺实现，且试验片制备过程采用刻蚀和光刻等非机械加工的方式。本文件规定

的试验方法，能过保证实现满足精度要求的材料特性测试。

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）适用于本文件。

ISO6892金属材料-室温下拉伸试验方法（Metallicmaterials–Tensiletestingatambient

temperature）

注：GB/T228.1-2010金属材料拉伸材料第1部分：室温试验方法（ISO6892-1:2009，MOD）

3符号及含义

本文件所涉及的符号及含义见表1。

表1试验片的符号及含义

符号单位含义

aum试验片厚度

bum试验片平行部分宽度

LOum初始标距长度（或标距有效部分）

LCum平行部分长度

Ltum试验片总长度

2

SOum平行部分的原始横截面积

Rum固置端和平行部分间曲线过渡部分半径

1

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图1薄膜试验片

4试验方法和试验设备

4.1试验片固置（夹持）方法

试验片应固置在测试设备上，应确保在测试过程中不产生弯曲和剪切力等附加应力。固置方式应遵

循以下两个原则：

a）固定试验片，确保安装力均匀分布在试验片固置端；

b）试验片中心线与试验装置的拉伸轴线在一条直线上。

试验装置应具有一个试验片调整装置，用于调整试验片拉伸轴线和试验装置拉伸移动轴线在一条直

线上。试验片固置方法按附录A。

4.2试验片加载方法

施加拉伸力时应沿试验片的拉伸轴线（长轴线）施加，避免试验片产生弯曲应力。试验片的拉伸轴

线（长轴线）和装置的移动方向应该在一条直线上。为了避免产生弯曲应力应保证以下两个条件：

a）试验装置运动的直线度；

b）保证试验片拉伸轴线（长轴线）和试验装置移动轴线在一条直线上。

4.3试验片拉伸速率

试验片长轴方向上的应变率应小于0.01/s。拉伸试验过程中，施加拉力的速率或应变率应该保持不

变。具体按B.1的要求。

4.4压力加载单元

为保证测试拉伸强度精度，压力加载单元应具有5%的拉伸强度测试精度。具体按B.2的要求。

4.5延伸率检测方法

延伸率检测方法能测量到0.1%的应变值。

由于试验片的曲线部分和固置端以及试验装置变形不可忽略，推荐使用标距刻度线检测方法。平面

试验片圆弧位置的延伸率大于试验片的杆状部分。用于低载荷范围测量的测试元件应具有低的刚度值。

2

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用于延伸率检测的标距刻度线应位于试验片的平行部分，延伸率测量采用非接触式方法。当使用薄

膜材料制作标距刻度线时，标距刻度线的厚度应远低于试验片厚度，为防止试验片延伸现象，一般采用

低刚度和低应力的材料来制作标距刻度线。具体按B.3的要求。

4.6应力-应变曲线

通常，应采用常用的应力-应变曲线来记录试验过程。相关图例参考ISO6892。

4.7环境控制

试验过程中环境的温度和湿度应保持不变。

5试验片

5.1概述

试验片的制作应尽可能地采用应用这类薄膜的器件制作工艺流程。为了减小尺寸带来的影响，试验

片的尺寸应该和器件中相应部分的尺寸相同。

在试验片固定到试验装置上之前，试验片的固置端应临时固定到支撑试验片的框架上。由于薄膜具

有沿厚度方向的应力分布，所以该试验片从衬底上释放后会由于弯曲而无法处理。

5.2试验片外形

为了减小尺寸对试验结果的影响，试验片的外形尺寸，如长、宽和标距，应和器件中该部分的几何

尺寸设计成一致的。试验片尺寸应控制在±1%的精度范围内。

试验片的平行部分长度应大于2.5倍的宽度值。具体按C.1的要求。

平行部分和固置端之间的曲线过渡部分应具有足够大的弯曲半径，避免应力集中导致圆弧部分产生

破碎。

圆弧部分外形应足够平滑，防止圆弧部分发生碎裂。具体按C.2的要求。

应制定试验片下的的基板去除方法，确保在去除试验片下的基板材料过程中不会损伤试验片，且确

保残留的基板材料不会影响测试结果。

5.3试验片厚度

应测量每个试验片的厚度，并将测量结果附在试验报告中。厚度测量精度应小于5%。

试验片的厚度应能直接测量，试验前原则上应该直接测量每个试验片的厚度。然而，为了避免直接

使用轮廓仪测量带来的机械损伤，可以通过在试验片周围区域内刻蚀一个窗口，然后测量计算这个窗口

的厚度来代表试验片的厚度。根据圆片厚度的变化情况，应该将窗口位置刻蚀到测量计算精度范围在±

1%内的区域内。具体按C.3的要求。

5.4标距刻度线

为了测量延伸率，标距刻度线应该制备在试验片上。

标距长度应小于中间平行部分的80%，并且要大于两倍的宽度。

3

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标距刻度线应不能限制试验片的延伸，且对测试结果影响较小。因此只要能获得对比度，标距刻度

线应该足够薄，或者采用弹性模量和材料内应力远小于试验片材料的材料来制备标距刻度线。建议使用

金属薄膜制备标距刻度线。标距刻度线厚度应该小于试验片厚度的1%。具体按C.4的要求。

6试验报告

试验报告应包含以下信息：

a）注明引用本文件；

b）试验片合格证明；

c）试验片材料；

-单晶体材料：标注出晶体的方向，

-多晶体材料：标注出晶体组织和晶粒尺寸，

-材料应力。

d）试验片的形状和尺寸；

e）试验片制备及加工的详细方法；

-淀积方法，

-退火条件，

-制备条件。

f）测试项目和结果。

4

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附录A

（规范性附录）

试验片固置方法

A.1静电固置法

静电固置法是使用静电力卡紧试验片。试验片可制作成悬臂梁形状，在悬臂梁的自由端有大的桨状

固置端。对于导电材料，可以在试验片和卡紧装置（探针）之间施加电压产生静电力来固定试验片。试

验片基层可以通过真空固定，静电力固定，螺钉固置等方式固定。

A.2粘接法

可根据试验片材质和固置装置选择适合的粘接剂，粘接剂的用量根据试验片固定端面积的大小决

定。在粘接剂固化的过程中试验片被固置时，试验片的位置（高、低、左、右）应该调整合适。粘接剂

可采用紫外线照射的方式进行固化。

A.3机械固置法

机械固置方法是一种简单的试验片夹紧固定方法，可以通过机械方式夹紧试验片的固置端。由于这

种方法可以施加相对较大的力来夹紧试验片，可以避免夹紧后滑动问题，可以固置需要较大固置力的试

验片。这种方法可以实现相对较大的拉伸位移。但这种方法重点是防止夹紧破碎。在夹紧试验片固置端

时，要使整个固置端受力均匀。所有夹紧面要足够的平滑，避免凹凸不平，固置装置的直线移动要有足

够的精确。试验片的测试部分（厚度）要小于夹紧部分，避免试验片固置时发生碎裂。试验时，对于易

碎材质如硅材质薄片试验片需要增加加固部分如硅衬底。要求夹持试验片的夹紧力可调。

A.4拉伸结构集成法（在片法）

这种方法将试验片和拉伸试验装置的部分结构集成在硅片上，并将试验片拉伸轴线和试验装置移动

轴线对准，此方法中，试验片和固置元件的相对位置以及对试验片的固置不再是必须的了。可以采用不

同的方法使试验片的两端产生位移。一种方法是使用一个外部裸露的针按压集成在芯片上的硅杠杆结

构，通过杠杆机构可以将这一系列动作转化成拉伸运动，另一种方法是利用集成在芯片上的一个结构件

的热膨胀，热膨胀动作也可以转换成拉伸动作。

A.5插针法

此方法中在试验片的自由端加工一个环形结构，试验装置的移动机构可以通过插针配合环形结构来

拉伸试验片，这种方法需要注意的是避免在固置配合附近区域产生应力集中和弯曲应力。

A

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附录B

（规范性附录）

测试条件

B.1试验片拉伸速率

在ISO6892中规定，如果在同一试验期间确定了上屈服强度和下屈服强度,试验片的应变速度应尽

量稳定地保持在0.00025/s和0.0025/s之间的某个值。为了获得弹性范围内的拉伸强度，应变速度不超

过0.008/s。限定拉伸速度的原因是排除在材料形变过程中不平衡条件的影响。但是薄膜形状中的微小

组成部分的热响应时间常数（热膨胀系数）远小于普通材料。外界环境的热不平衡很快减弱材料形变过

程中的热影响。总的来说，材料形变过程中的不平衡环境（环境温度不平衡）将造成比普通试验片更高

的应变速率。

另一方面，由于薄膜试验片具有很小的强度，所以需要减小试验装置的拉伸速率以实现和普通试验

片同样的应变速率。测试速度较快时，保证应变速度的精度也是比较困难的。

虽然应变速率允许超过0.01/s，但是为了满足从测量值和测试时间的连续性和精度，建议应变速率

低于0.01/s，尽管它也允许超过0.01/s。

为了实现上述的较低的位移速率，可以使用压电执行器，或一种光级驱动的自动执行机构或一个磁

制伸缩执行机构用于加载拉伸力。

B.2压力加载单元精度

为了保证压力加载单元的精度小于等于满量程的1%压力加载单元的满量程应小于被测试验片极限

拉伸强度的五倍。

B.3延伸率测量

这些标距延伸率采用了非接触式方光学测量法。可以利用激光照射到标距刻度线的反射光的干涉光

获得的刻度反射激光的干涉光，同时使用双视场显微镜（可以将两个远距离的标准刻度合整合到一个视

野内）检测这对标线刻度。

还有一种替代的光学测试方法，不使用带刻度标尺的试验片。这种方法使用两个中间平行部分长度

不同，但是具有相同的外形和尺寸的试验片用于拉伸试验。试验片中间平行部分的伸长量可以通过比较

两个试验片总伸长量的差值得到，试验片的总伸长量可以通过加载平台的移动距离获得。因为这种检测

方法会增加两个相对的实验误差，所以这种方法仅用于标尺刻度制作或者检测比较困难的场合。

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附录C

（规范性附录）

试验片

C.1试验片形状

目前在通用标准中没有关于微米级薄片试验片的形状规定，但是微米级试验片的形状应该按照通用

标准中所规定的普通试验片形状成比例的缩小。

在IS06892中，非比例试验片（ISO中1型试验片）的厚度0.1mm和0.3mm之间，宽度为12.5mm，用符

号b表示，平行长度为75mm，用符号Lc表示，初始标距长度为50mm，用符号Lo表示。平行长度Lc不小于

Lbo+/2。标距是试验片宽度的4倍。

3mm以上厚度的比例（对称）试验片，Lo和So的数值满足公式LSo=5.65o，So是试验片的横截面

积。这种情况下，当ba>8时，Lbo值小于2。

例如，假设一个薄膜试验片典型（主要）尺寸为20um宽和2um厚，Lo就是35.7um，该标距长度大约

是试验片宽度的1.8倍。因此，当按照本文件规定，初始标距长度Lo为试验片宽度b两倍以上时，薄膜试

验片外形将按通用标准中规定的普通试验片外形成比例缩小。这种对形状的规定有利于实验数据间的比

较。

在使用硅基材的薄膜试验片（典型的微机械材料）拉伸测试中。使用Lbo=5的试验片和Lbo=2的

的试验片测试结果没有明显不同。对于应用于微机械的其他材料应该探究标距刻度线的材料结构和缺陷

分布之间的关系。

当中间平行部分长度Lc足够长，试验片包括固置部分在内弯曲刚度将变小。可以采用一些必要的方

法如给试验片附加支撑部分，以避免处理薄膜试验片的过程中损伤试验片。

C.2试验片的光掩膜

为了避免试验片非测试部分由于应力集中而断裂，测试部分、固定部分和固置端应该使用一个合适

曲率的圆弧部分连接。当使用光刻工艺制作圆弧部分时，应注意光掩膜的制作方法。

在光掩膜的制备过程中,对曲线（曲面）过渡部分进行普通光栅扫描的数字处理会导致实际产生的

曲线（曲面）部分变成小而集中的光栅作用区，这个区域很有可能就变成了试验片断裂的起始点。因此

在考虑应力集中的情况下,建议在制作曲线（曲面）过渡部分时尽量采用矢量扫描来减少这种光栅集中

问题。

C.3试验片厚度的测试方法

通常来说，SOI圆片上的薄硅层和通过溅射、CVD（化学气相淀积）等方式淀积到圆片上的薄膜将会

产生±20%的厚度偏差。最终上述的误差会包含到测试结果中，除非试验片的厚度是一片片测量得到的，

因此应测试所有试验片的厚度。当在试验片厚度测试的过程中可能损伤试验片，或测试所有的试验片比

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较困难时，应该测量试验片附近区域的厚度。这种情况下，需要通过试验片附近区域厚度测量值来估计

试验片的厚度。假设圆片的典型（关键）尺寸和试验片的典型（关键）尺寸分别为100mm和100um，通过

测量这个远离此试验片50倍典型试验片尺寸的试验片区域,厚度误差对厚度测量精度的影响降低到大约

±1%以内。

20%(100um50)/100mm=1%

测量薄膜厚度的精度应在1%之内。例如，使用1%的测量精度测量0.1um厚度应该保证1nm的精度值。

目前条件下保持这种测量精度去测量大量试验片比较困难。必须关注厚度测量过程中的误差。关于厚度

测量方法的选择应该根据薄膜的特点选择，探针法，光学法等，如干涉仪法和椭度计法，或者荧光X-

射线方法。

C.4标距刻度线

制作标距刻度线时必须考虑下列两点。第一点是减小标距刻度线自身刚度对试验片位移的影响。第

二点是标距刻度线的制作方式不会影响试验片的材料特性。

_________________________________

8

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目次

1范围..............................................................................1

2规范性引用文件....................................................................1

3符号及定义........................................................................1

4试验方法和试验设备................................................................2

4.1试验片固置（夹持）方法........................................................2

4.2试验片加载方法................................................................2

4.3试验片拉伸速率................................................................2

4.4压力加载单元..................................................................2

4.5延伸率检测方法................................................................2

4.6应力-应变曲线.................................................................3

4.7环境控制......................................................................3

5试验片............................................................................3

5.1概述..........................................................................3

5.2试验片外形....................................................................3

5.3试验片厚度....................................................................3

5.4标距刻度线....................................................................3

6试验报告..........................................................................4

附录A（规范性附录）试验片固置方法..................................................5

附录B（规范性附录）测试条件........................................................6

附录C（规范性附录）试验片..........................................................7

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半导体器件微机电器件第2部分:薄膜材料拉伸试验方法

1范围

本文件规定了长度和宽度均小于1mm，厚度小于10um的薄膜材料的拉伸试验方法，这种薄膜材料是

微机电系统（MEMS）、微机械和同类微型器件的主要结构材料。

微机电系统、微机械和同类微型器件使用的薄膜结构材料具有特殊性，典型尺寸只有几个微米，这

些材料的制备通过淀积工艺实现，且试验片制备过程采用刻蚀和光刻等非机械加工的方式。本文件规定

的试验方法，能过保证实现满足精度要求的材料特性测试。

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）适用于本文件。

ISO6892金属材料-室温下拉伸试验方法（Metallicmaterials–Tensiletestingatambient

temperature）

注：GB/T228.1-2010金属材料拉伸材料第1部分：室温试验方法（ISO6892-1:2009，MOD）

3符号及含义

本文件所涉及的符号及含义见表1。

表1试验片的符号及含义

符号单位含义

aum试验片厚度

bum试验片平行部分宽度

LOum初始标距长度（或标距有效部分）

LCum平行部分长度

Ltum试验片总长度

2

SOum平行部分的原始横截面积

Rum固置端和平行部分间曲线过渡部分半径

1

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图1薄膜试验片

4试验方法和试验设备

4.1试验片固置（夹持）方法

试验片应固置在测试设备上，应确保在测试过程中不产生弯曲和剪切力等附加应力。固置方式应遵

循以下两个原则：

a）固定试验片，确保安装力均匀分布在试验片固置端；

b）试验片中心线与试验装置的拉伸轴线在一条直线上。

试验装置应具有一个试验片调整装置，用于调整试验片拉伸轴线和试验装置拉伸移动轴线在一条直

线上。试验片固置方法按附录A。

4.2试验片加载方法

施加拉伸力时应沿试验片的拉伸轴线（长轴线）施加，避免试验片产生弯曲应力。试验片的拉伸轴

线（长轴线）和装置的移动方向应该在一条直线上。为了避免产生弯曲应力应保证以下两个条件：

a）试验装置运动的直线度；

b）保证试验片拉伸轴线（长轴线）和试验装置移动轴线在一条直线上。

4.3试验片拉伸速率

试验片长轴方向上的应变率应小于0.01/s。拉伸试验过程中，施加拉力的速率或应变率应该保持不

变。具体按B.1的要求。

4.4压力加载单元

为保证测试拉伸强度精度，压力加载单元应具有5%的拉伸强度测试精度。具体按B.2的要求。

4.5延伸率检测方法

延伸率检测方法能测量到0.1%的应变值。

由于试验片的曲线部分和固置端以及试验装置变形不可忽略，推荐使用标距刻度线检测方法。平面

试验片圆弧位置的延伸率大于试验片的杆状部分。用于低载荷范围测量的测试元件应具有低的刚度值。

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用于延伸率检测的标距刻度线应位于试验片的平行部分，延伸率测量采用非接触式方法。当使用薄

膜材料制作标距刻度线时，标距刻度线的厚度应远低于试验片厚度，为防止试验片延伸现象，一般采用

低刚度和低应力的材料来制作标距刻度线。具体按B.3的要求。

4.6应力-应变曲线

通常，应采用常用的应力-应变曲线来记录试验过程。相关图例参考ISO6892。

4.7环境控制

试验过程中环境的温度和湿度应保持不变。

5试验片

5.1概述

试验片的制作应尽可能地采用应用这类薄膜的器件制作工艺流程。为了减小尺寸带来的影响，试验

片的尺寸应该和器件中相应部分的尺寸相同。

在试验片固定到试验装置上之前，试验片的固置端应临时固定到支撑试验片的框架上。由于薄膜具

有沿厚度方向的应力分布，所以该试验片从衬底上释放后会由于弯曲而无法处理。

5.2试验片外形

为了减小尺寸对试验结果的影响，试验片的外形尺寸，如长、宽和标距，应和器件中该部分的几何

尺寸设计成一致的。试验片尺寸应控制在±1%的精度范围内。

试验片的平行部分长度应大于2.5倍的宽度值。具体按C.1的要求。

平行部分和固置端之间的曲线过渡部分应具有足够大的弯曲半径，避免应力集中导致圆弧部分产生

破碎。

圆弧部分外形应足够平滑，防止圆弧部分发生碎裂。具体按C.2的要求。

应制定试验片下的的基板去除方法，确保在去除试验片下的基板材料过程中不会损伤试验片，且确

保残留的基板材料不会影响测试结果。

5.3试验片厚度

应测量每个试验片的厚度，并将测量结果附在试验报告中。厚度测量精度应小于5%。

试验片的厚度应能直接测量，试验前原则上应该直接测量每个试验片的厚度。然而，为了避免直接

使用轮廓仪测量带来的机械损伤，可以通过在试验片周围区域内刻蚀一个窗口，然后测量计算这个窗口

的厚度来代表试验片的厚度。根据圆片厚度的变化情况，应该将窗口位置刻蚀到测量计算精度范围在±

1%内的区域内。具体按C.3的要求。

5.4标距刻度线

为了测量延伸率，标距刻度线应该制备在试验片上。

标距长度应小于中间平行部分的80%，并且要大于两倍的宽度。

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标距刻度线应不能限制试验片的延伸，且对测试结果影