X線回折援用歪み直読型引張り試験技術の開発によるナノSiC薄膜のポアソン比評価

X射线衍射辅助应变直读拉伸试验技术开发纳米SiC薄膜泊松比评价

• 批准号: 15760066
• 负责人: 生津 資大
• 金额: $ 2.05万
• 依托单位: University of Hyogo (2004)Himeji Institute of Technology (2003)
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• 财政年份: 2003
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2003 至 2004
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-15760066/
• 关键词: 引張試験; X線回折; 歪み計測; ポアソン比; SiC薄膜; MEMS; 機械的性質; TiN膜; ポアゾン比

本研究の目的は,X線回折援用引張試験装置を設計・開発し,次世代マイクロマシンの構成材料として期待されている炭化シリコン(SiC)膜のヤング率・ポアソン比の評価技術を確立することである.まず,マイクロスケールの厚さを有する薄膜等に適用可能な小型引張試験装置の設計・開発を実施した.装置開発に際し,変位増幅機構を有するアクチュエータケースに超小型1軸PZTアクチュエータを収納して,装置の小型化・軽量化を図った.アクチュエータケースの設計・開発は汎用有限要素プログラムANSYSを用いて実施し,同ケース内の変形部の最大応力が降伏応力の1/5以下となるように寸法・形状を決定した.次に,マイクロスケール試験片の作製工程を確立した.試験片標点部寸法は,X線を同部に照射することを考慮して1mm×3mmとし,応力集中による破損を無くす為に平行部両端にR部を設けた.X線回折装置内に引張試験装置を設置した後,予備試験としてマイクロスケール単結晶Si試験片を用いて歪み測定技術の確立を試みた.単結晶Si試験片に種々の引張荷重をかけた状態でX線を照射し,得られた回折パターンのピーク位置の移動量から横歪みを算出した.差動変圧器およびX線回折測定から得られた縦・横歪みより単結晶Siのヤング率・ポアソン比を求めた結果,それぞれ169GPaおよび0.351を示し,理論値とほぼ一致した.したがって,本研究で考案したX線回折援用引張試験法は,マイクロスケール結晶材料の弾性特性評価に有効であることを確認した.次に,スパッタリングによりSi試験片表裏に窒化チタン(TiN)膜の成膜を行い,TiN/Si/TiN試験片の引張試験を行った.TiN膜のヤング率およびポアソン比は成膜時のArガス圧力に大きく依存し,優れた機械的性質を有するTiN膜を形成するためには,低Arガス圧力下で,かつ,薄く成膜することが重要であることを確認した.

这项研究的目的是设计和开发X射线衍射辅助的拉伸测试装置，并建立一种用于评估Young碳化硅（SIC）膜的模量和泊松比的技术，预计该膜将是下一代微机械的组成材料。首先，我们设计并开发了一种小型拉伸测试装置，该设备可以应用于具有微观厚度的薄膜。在开发设备时，我们在具有位移放大机制的执行器外壳中存储了一个超紧凑的单轴PZT致动器，以减少设备的尺寸和重量。使用通用有限元程序ANSYS进行了执行器案例的设计和开发，并确定了尺寸和形状，以便该病例中变形部分的最大应力小于屈服应力的1/5。接下来，建立了微观标本的制造过程。考虑到该部分的X射线照射，试样点部分的尺寸为1 mm x 3 mm，并在平行部分的两端提供R部分，以消除由应力浓度引起的损害。在X射线衍射设备中安装拉伸测试设备后，进行了初步测试。作为一个实验，我们尝试使用微观单晶SI标本来建立应变测量技术。 X射线在各种拉伸载荷下用X射线辐照，并根据获得的衍射模式的峰位置的运动量来计算侧向应变。我们计算了从差分变压器和X射线衍射测量值获得的Young的模量和Poisson的单晶Si的比率，并发现结果显示169 GPA和0.351，与理论值非常一致。因此，在本研究中设计了X射线衍射。据证实，辅助拉伸测试方法可有效评估微观晶体材料的弹性性能。接下来，通过溅射将硝酸钛（TIN）膜沉积在SI样品的前后，并在TIN/SI/TIN测试样品上进行拉伸测试。 Young的模量和泊松膜的比例在很大程度上取决于膜形成时的AR气压，并且可以证实，为了形成具有出色机械性能的锡膜，在低AR气压下形成薄膜很重要。

项目成果

Direct measurement technique of strain in XRD tensile test for evaluating Poisson's ratio of micron-thick TiN films

XRD拉伸试验应变直接测量技术评价微米厚TiN薄膜的泊松比

• 发表时间: 2004
• 期刊: Proceedings of The Seventeenth IEEE International Conference on Microelectromechanical Systems
• 作者: Takahiro Namazu;Shozo Inoue;Daisuke Ano;Keiji Koterazawa
• 通讯作者: Keiji Koterazawa

X線回折援用引張試験法によるMEMS被覆用多結晶TiN膜の力学特性評価

X射线衍射辅助拉伸测试方法评价MEMS涂层用多晶TiN薄膜的机械性能

• 发表时间: 2004
• 期刊: 2004年度精密工学会春季大会学術講演会講演論文集
• 作者: 生津資大;阿野大輔;井上尚三;小寺澤啓司
• 通讯作者: 小寺澤啓司

生津資大, 阿野大輔, 井上尚三, 小寺澤啓司: "X線回折援用引張試験法によるMEMS被覆用多結晶TiN膜の力学特性評価"2004年度精密工学会春季大会学術講演会講演論文集. 781-782 (2004)

Shihiro Ikutsu、Daisuke Ano、Shozo Inoue、Keiji Koterasawa：“使用 X 射线衍射辅助拉伸测试方法评估 MEMS 涂层用多晶 TiN 薄膜的机械性能”2004 年日本精密工程学会春季会议论文集 781-782。 (2004)

XRD Tensile Test Technique to Measure Mechanical Properties of Micron-Thick Si and TiN Films

测量微米厚硅和氮化钛薄膜机械性能的 XRD 拉伸测试技术

• 发表时间: 2005
• 期刊: Journal of Key Engineering Materials (Accepted)
• 作者: Takahiro Namazu;Shozo Inoue;Daisuke Ano;Keiji Koterazawa
• 通讯作者: Keiji Koterazawa

Takahiro Namazu, Shozo Inoue, Daisuke Ano, Keiji Koterazawa: "Direct measurement technique of strain in XRD tensile test for evaluating Poisson's ratio of micron-thick TiN films"Proceedings of The Seventeenth IEEE International Conference on Microelectrom

Takahiro Namazu、Shozo Inoue、Daisuke Ano、Keiji Koterazawa：“用于评估微米厚 TiN 薄膜泊松比的 XRD 拉伸试验中应变的直接测量技术”第十七届 IEEE 国际微电子会议论文集