環境質制御薄膜用機械的特性評価試験機の試作

2003 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 14350056
• Research Institution: KYOTO UNIVERSITY
• Principal Investigator: 箕島 弘二 京都大学, 工学研究科, 助教授 (50174107)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 谷 周一 三菱電機(株), 先端技術総合研究所, マネージャー(研究職) ; 田中 和人 京都大学, 工学研究科, 講師 (50303855) ; 駒井 謙治郎 福井工業高等専門学校, 校長 (70025948)
• Keywords: マイクロマテリアル / 薄膜 / 機械的特性 / 曲げ試験 / 疲労試験 / FEM / インデンテーション / 弾性係数

Research Abstract

マイクロマシンやマイクロエレクトロメカニカルシステム(MEMS)の実用化は,機械としての信頼性を確保した上で初めて成り立つものである.とくに,近年では,Si単結晶ウエハなどを用いたバルクマシーニングによるマイクロ構造体にくわえ,従来は機能性材料として用いられていた厚さが数μm程度の薄膜が構造体として用いられるようになってきたが,その疲労を含む強度特性,切欠き感受性,さらには,曲げ・引張応力負荷モードの影響など,マイクロシステムを設計する上で必要不可欠な機械的特性データは皆無である.そこで,本研究では,ナノインデンテーション用に開発されている超微小荷重負荷装置に,粗動用ステージおよびピエゾステージから構成される荷重負荷位置同定機構を組み込み,曲げ疲労試験が可能となる計測・制御システムを新たに開発することにより,サブμmから数μm厚さの薄膜の静的曲げ試験や疲労試験が可能となる薄膜用機械的特性評価試験機を試作した.ここでは,荷重負荷位置同定機構の導入に加えて,ナイフエッジ型圧子を導入し,AFMにより荷重負荷位置を正確に測定することにより,表面マイクロマシーニングにより作成した厚さ3.5μm,幅5μmのポリシリコン片持ちはりに対して精度良く曲げ試験ができることを確認した.さらに,曲げ・引張応力負荷モードが薄膜の破壊特性や機械的特性に及ぼす影響を検討するため,薄膜に均一な一軸応力を負荷することのできるピエゾ駆動アクチュエータを用いた引張・疲労試験機を開発し,ポリシリコン薄膜に対して引張,疲労試験を行い,その破壊特性を評価するとともに,水中,乾燥空気中といった環境質を制御した条件下で,応力比0.1,繰返し速度10Hzでの正弦波形荷重制御下で疲労試験が可能なことを確認した.また,切欠きを導入した試験片を用いて微小切欠きが破壊特性に及ぼす影響を,有限要素解析とあわせて検討した.

Research Products

• [Publications] 箕島弘二: "薄膜マイクロエレメント機械的特性評価システムの開発"日本材料学会第52期学術講演論文集. 305-306 (2003)
• [Publications] 箕島弘二: "アラミド繊維/エポキシ樹脂界面における疲労界面はく離進展特性"日本機械学会2003年度年次大会講演論文集(I). 03-1. 363-367 (2003)
• [Publications] 箕島弘二: "石英ガラスファイバの静的および動的強度特性に及ぼす水環境の影響"日本材料学会腐食防食部門委員会資料. 42・234. 15-20 (2003)
• [Publications] 箕島弘二: "ポリシリコン薄膜微小素子の機械的特性評価"M&M2003材料力学部門講演会講演論文集. 03-11. 445-446 (2003)
• [Publications] 箕島弘二: "ポリシリコン薄膜微小機械要素の機械的特性と破壊挙動"第11回破壊力学シンポジウム講演論文集. 154-157 (2003)
• [Publications] 箕島弘二: "石英ガラス光ファイバの静的および動的環境強度特性に及ぼす人工微小欠陥と水環境の影響"日本機械学会関西支部第79期定時総会講演会講演論文集. 044-11. 7-15-7-16 (2004)