マイクロ機械構造体の信頼性向上のための単結晶シリコンの破壊特性評価

评估单晶硅的断裂特性以提高微机械结构的可靠性

• 批准号: 13J01559
• 负责人: 上杉 晃生
• 金额: $ 1.73万
• 依托单位: Kyoto University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2013
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2013-04-01 至 2016-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-13J01559/
• 关键词: 単結晶シリコン; 引張試験; 疲労試験; ＭＥＭＳ; マイクロ構造; 結晶異方性; 高温試験; 信頼性; MEMS

1.マイクロからナノスケールまでの構造体の破壊特性の評価：本研究では高温環境で単結晶シリコン微細構造に対して引張試験を行い，構造寸法・周囲温度が破壊強度に及ぼす影響だけではなく，脆性延性遷移温度に対する構造寸法の影響についても評価を行っている．前年度までに開発を行った赤外集光加熱を用いた高温真空引張試験装置を用い，面方位(110)の引張軸方位の異なる試験片の測定に取り組んだ．500 °Cにて高温引張試験を行ったところ，すべりの発生部と試験片の破断部の位置関係に引張軸方位に依存した差異が確認された．<110>方位の試験片ではすべりによって生じたステップの近傍で破壊が始まっており，これは高温下での破壊強度の低下に関係しているものと考えられる．今後，より多様な温度条件の下，引張軸方位だけではなく幅寸法も変更した試験片の高温引張試験を実施する予定である．2.引張疲労試験：単結晶シリコンの高サイクル引張疲労特性を短時間で多数計測する手法として，集積化ひずみゲージを用いた並列引張試験方法の開発に取り組んだ．この手法では，並列化による試験片一つ当たりの測定時間の短縮と，測定系の高剛性化による繰返し負荷周波数の向上が期待される．集積したひずみゲージの検証実験では，線形性の良い低ノイズのブリッジ出力電圧が計測され，提案手法の有効性が確認された．また，試験片を5個配列した並列試験の検証実験では各試験片の負荷開始点・破断点がブリッジ出力電圧の変化によって明瞭に示された．測定系の高剛性化によって測定に必要なアクチュエータの変位が低減されており，試作デバイスでは110Hzの引張疲労試験が実現可能である．今後，計測精度向上のための改良を行い，疲労試験を実施する予定である．

1. Youdaoplaceholder6 壊 ロ ロ らナノスケ らナノスケ まで まで まで <s:1> breaking 壊 characteristics <e:1> evaluation 価 : This study で で は environment of high temperature crystallization 単 シ リ コ ン fine-structure に し seaborne て extension and test line を い, construct ", zhou 囲 temperature が broken 壊 strength に and ぼ す influence だ け で は な く, brittleness temperature ductility migration に す seaborne る structure inch effect の に つ い て も review 価 を line っ て い る. Line before the annual ま で に open 発 を っ た outside red concentrated heating を use い た high temperature vacuum を use い tension test device, surface bearing (110) の extension shaft bearing の different な る determination of test piece の に group take り ん だ. High temperature of 500 ° C に て extension and test line を っ た と こ ろ, す べ り の 発 health department と test piece の breakage of masato is の position に extension shaft bearing に dependent し た differences が confirm さ れ た. < 110 > orientation の test piece で は す べ り に よ っ て raw じ た ス テ ッ プ の nearly alongside で broken 壊 が beginning ま っ て お り, こ れ は high temperature で の broken 壊 low intensity の に masato is し て い る も の と exam え ら れ る. More in the future, よ り others な の temperature conditions, the transient axial bearing だ け で は な も く picture "method - more し た test piece の high temperature, the test を be applied す る designated で あ る. 2. Extension and exhausted 労 test: 単 crystallization シ リ コ ン の high サ イ ク ル extension and exhausted 労 features を short time most で す meter test る gimmick と し て, set product change ひ ず み ゲ ー ジ を with い た tied for extension and open test method の 発 に group take り ん だ. こ の gimmick で は, parallel に よ る test piece of a つ when た り の の test time shortening と, determination is の high rigid に よ る Qiao return し load cycle for の upward が expect さ れ る. Set product し た ひ ず み ゲ ー ジ の 検 card be 験 で は, low linear good sex の い ノ イ ズ の ブ リ ッ ジ output electric 圧 が measuring さ れ, proposal gimmick の have sharper sex が confirm さ れ た. ま た, test piece を five columns し た parallel test の 検 card be 験 で test piece on は の load starting point, to break the breakpoint が ブ リ ッ ジ output electric 圧 の variations change に よ っ て clear に shown さ れ た. Determination is の high rigid に よ っ て determination に necessary な ア ク チ ュ エ ー タ の - a が low cut さ れ て お り, attempt デ バ イ ス で は 110 hz の extension and exhausted 労 test が may be presently で あ る. In the future, the measurement accuracy will be improved by <s:1> ため, を and を, and the labor experiment を will be implemented by する and determined by である.

项目成果

Effect of surface morphology and crystal orientations on fracture strength of thin film (110) single crystal silicon

• DOI: 10.1109/transducers.2013.6627175
• 发表时间: 2013-06
• 期刊: 2013 Transducers & Eurosensors XXVII: The 17th International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems (TRANSDUCERS & EUROSENSORS XXVII)
• 作者: A. Uesugi;Y. Hirai;K. Sugano;T. Tsuchiya;O. Tabata

High-temperature tensile testing machine for investigation of brittle-ductile transition behavior of single crystal silicon microstructure

用于研究单晶硅微观结构脆塑转变行为的高温拉伸试验机

• DOI: 10.7567/jjap.54.06fp04
• 发表时间: 2015
• 期刊: Japanese Journal of Applied Physics
• 影响因子: 1.5
• 作者: Minato Hirano;Kentaro Yoshii;Mizuki Sakai;Rie Hasebe;Osamu Ichii and Hiroaki Kariwa;上杉晃生，安富貴浩，平井義和，土屋智由，田畑修
• 通讯作者: 上杉晃生，安富貴浩，平井義和，土屋智由，田畑修

(110)単結晶シリコン薄膜引張破壊特性に及ぼす表面形態及び結晶方位の影響

(110) 表面形貌和晶体取向对单晶硅薄膜拉伸断裂性能的影响

• 发表时间: 2013
• 期刊: 日本機械学会論文集A編
• 作者: 上杉晃生;平井義和;菅野公二;土屋智由;田畑修
• 通讯作者: 田畑修

Tensile testing in vacuum with concentrated infrared light heating for single crystal silicon mechanical characterization at high temperature

采用集中红外光加热的真空拉伸测试，用于单晶硅高温机械表征

• 发表时间: 2014
• 作者: Mizuki Sakai;Kentaro Yoshii;Yuji Sunden;Kana Yokozawa;Minato Hirano and Hiroaki Kariwa;上杉晃生，平井義和，土屋智由，田畑修
• 通讯作者: 上杉晃生，平井義和，土屋智由，田畑修

単結晶シリコンマイクロ構造の高温機械特性(所属研究室ウェブサイトの研究内容に関するWebページ)

单晶硅微结构的高温力学性能（附属实验室网站研究内容相关网页）