シリコンマイクロ構造体の高信頼化に資する表面酸化反応疲労現象の解明

• 研究課題/領域番号: 19676002
• 研究種目: 若手研究(S)
• 配分区分: 補助金
• 研究分野: 機械材料・材料力学
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 土屋 智由 京都大学, 大学院・工学研究科, 准教授 (60378792)
• 研究協力者: 池原 毅 (独)産業技術総合研究所, 主任研究員 (10344102)
• 研究期間 (年度): 2007 – 2011
• 研究課題ステータス: 完了 (2011年度)
• 配分額: 112,190千円 (直接経費: 86,300千円、間接経費: 25,890千円); 2011年度: 14,690千円 (直接経費: 11,300千円、間接経費: 3,390千円); 2010年度: 14,690千円 (直接経費: 11,300千円、間接経費: 3,390千円); 2009年度: 34,580千円 (直接経費: 26,600千円、間接経費: 7,980千円); 2008年度: 38,220千円 (直接経費: 29,400千円、間接経費: 8,820千円); 2007年度: 10,010千円 (直接経費: 7,700千円、間接経費: 2,310千円)
• キーワード: シリコン / MEMS / 引張試験 / 疲労試験 / 酸化 / 信頼性 / 単結晶シリコン / 二酸化シリコン / 腐食疲労 / 寿命予測 / 顕微ラマン分光 / 力学特性 / 共振振動 / 信頼化 / 酸素析出欠陥 / 高温試験

研究概要

実用MEMSデバイスの信頼性設計に必要なシリコンの破壊、疲労寿命モデルを得ることを目的として研究を行った。破壊について強度と(111)面の垂直応力の相関、加工荒れと強度の相関をそれぞれ明らかにした。疲労寿命はパリス則(亀裂進展速度と応力拡大係数範囲)とワイブル分布の組み合わせによるばらつきを考慮した予測モデルとのよい一致を確認し、また、環境湿度による疲労指数の変化を見出した。また、デバイスの負荷応力評価方法として動的な顕微ラマン分光応力計測法を提案した。

研究成果

• [雑誌論文] 加工条件の異なる(110)<110>単結晶シリコン薄膜の引張試験 (2012)
  • 著者名/発表者名: 上杉晃生、平井義和、菅野公二、土屋智由、田畑修
  • 雑誌名: 電気学会センサ・マイクロマシン部門誌 巻: Vol.132
  • NAID: 10031019952
  • 査読あり
• [雑誌論文] 多結晶シリコン薄膜の面外曲げ共振振動を用いたメンブレンの信頼性試験 (2012)
  • 著者名/発表者名: 種村友貴
  • 雑誌名: 電気学会センサ・マイクロマシン部門誌 巻: Vol.132-E(印刷中)(未決定)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Low-cycle to Ultra-High-cycle Fatigue Lifetime Measurement of Single Crystal Silicon Specimens using a Microresonator Test Deyice (2012)
  • 著者名/発表者名: T.Ikehara
  • 雑誌名: Journal of Microelectromechanical Systems 巻: Vol.21(掲載決定)(未決定)
  • 査読あり
• [雑誌論文] 誘電泳動によりアセンブルしたSWCNTの無電解Auめっきによろ機械的・電気的クランピング (2012)
  • 著者名/発表者名: 片岡達哉
  • 雑誌名: 電気学会センサ・マイクロマシン部門誌 巻: Vol.132-E(印刷中)(未決定)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electrostatic Tensile Testing Device With Nanonewton and Nanometer Resolution (2012)
  • 著者名/発表者名: T.Tsuchiya
  • 雑誌名: Journal of Microelectromechanical Systems 巻: Vol.21(印刷中) 号: 3 ページ: 523-529
  • DOI: 10.1109/jmems.2011.2182503
  • 査読あり
• [雑誌論文] Measure ment of anisotropic fatigue life in micrometre-scale single-crystal silicon specimens (2010)
  • 著者名/発表者名: T. Ikehara, T. Tsuchiya
  • 雑誌名: Micro & Nano Letters 巻: Vol.5, No.1 号: 1 ページ: 49-52
  • DOI: 10.1049/mnl.2009.0073
  • 査読あり
• [雑誌論文] Tensile and Tensile-Mode Fatigue Testing of Microscale Specimens in Constant Humidity Environment (2010)
  • 著者名/発表者名: T. Tsuchiya, Y. Yamaji, K. Sugano, O. Tabata
  • 雑誌名: Experimental Mechanics 巻: Vol.50, No.4 ページ: 509-516
  • NAID: 120002191878
  • 査読あり
• [雑誌論文] Tensile Testing of Single Crystal Silicon Thin Films at 600oC Using IR Heating (2010)
  • 著者名/発表者名: T. Tsuchiya, T. Ikeda, A. Tsunematsu, K. Sugano, O. Tabata
  • 雑誌名: Sensors and Materials 巻: Vol.22, No.1 ページ: 1-12
  • URL: http://122.249.91.209/myukk/Journal/Download.php?fn=SM0784.pdf
  • 査読あり
• [雑誌論文] Tensile and Tensile-Mode Fatigue Testing of Microscale Specimens in Constant Humidity Environment (2010)
  • 著者名/発表者名: T.Tsuchiya
  • 雑誌名: Experimental Mechanics 巻: 50 ページ: 509-516
  • NAID: 120002191878
  • 査読あり
• [雑誌論文] 自己変位検出機能を有する面内2自由度静電櫛歯トランスデューサの等価回路 (2010)
  • 著者名/発表者名: 徳崎裕幸
  • 雑誌名: 電気学会センサ・マイクロマシン部門誌 巻: 130-E ページ: 443-449
  • 査読あり
• [雑誌論文] マイクロ・ナノ材料の試験方法 (2010)
  • 著者名/発表者名: 土屋智由
  • 雑誌名: 塑性と加工 巻: 51 ページ: 1048-1052
  • NAID: 10027128642
• [雑誌論文] Measurement of anisotropic fatigue life in micrometre-scale single-crystal silicon specimens (2010)
  • 著者名/発表者名: T. Ikehara, T. Tsuchiya
  • 雑誌名: Micro & Nano Letters Vol. 5 No. 1 ページ: 49-52
  • 査読あり
• [雑誌論文] Tensile and Tensile-Mode Fatigue Testing of Microscale Specimens in Constant Humidity Environment (2010)
  • 著者名/発表者名: T. Tsuchiya, Y. Yamaji, K. Sugano, O. Tabata
  • 雑誌名: Experimental Mechanics Vol. 50 No. 4 ページ: 509-516
  • NAID: 120002191878
  • 査読あり
• [雑誌論文] Tensile Testing of Single Crystal Silicon Thin Films at 600℃ Using IR Heating (2010)
  • 著者名/発表者名: T. Tsuchiva, T. Ikeda, A. Tsunematsu, K. Sugano, O. Tabata
  • 雑誌名: Sensors and Materials Vol. 22 No. 1 ページ: 1-12
  • 査読あり
• [雑誌論文] Measurement of anisotropic fatigue life in micrometre-scale single-crystal silicon specimens (2010)
  • 著者名/発表者名: T.Ikehara
  • 雑誌名: Micro & Nano Letters 5 ページ: 49-52
  • 査読あり
• [雑誌論文] Tensile and Tensile-Mode Fatigue Testing of Microscale Specimens in Constant Humidity Environment (2010)
  • 著者名/発表者名: T.Tsuchiya
  • 雑誌名: Experimental Mechanics 50 ページ: 509-516
  • NAID: 120002191878
  • 査読あり
• [雑誌論文] Development of Amplitude-Controlled, Parallel Fatigue-Test System for Micro-Electro- Mechanical Resonators (2010)
  • 著者名/発表者名: T.Ikehara
  • 雑誌名: Sensors and Materials 22 ページ: 39-50
  • 査読あり
• [雑誌論文] Tensile Testing of Single Crystal Silicon Thin Films at 600℃ Using IR Heating (2010)
  • 著者名/発表者名: T.Tsuchiya
  • 雑誌名: Sensors and Materials 22 ページ: 1-12
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effects of anisotropic elasticity on stress concentration in micromechanical structures fabricated on (001) single-crystal silicon films (2009)
  • 著者名/発表者名: T.Ikehara
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 105 ページ: 93524-93524
  • 査読あり
• [雑誌論文] Design and fabrication of a differential capacitive three-axis SOI accelerometer using vertical comb electrodes (2009)
  • 著者名/発表者名: T.Tsuchiya
  • 雑誌名: IEEJ Transactions on Electrical and Electronic Engineering 4 ページ: 345-351
  • NAID: 10025774459
  • 査読あり
• [雑誌論文] Design and fabrication of differential capacitive three-axis SOI accelerometer using vertical comb (2009)
  • 著者名/発表者名: T. Tsuchiya
  • 雑誌名: IEET Transactions on Electrical and Electronic Engineering 4
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effects anisotropic elasticity on stress concentration in micro mechanical structures fabrieated on (001) single-crystal silicon films (2009)
  • 著者名/発表者名: T. kehara
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 4
  • 査読あり
• [雑誌論文] High-cycle fatigue of micromachined single-crystal silicon measured using high-resolution patterned specimens (2008)
  • 著者名/発表者名: T. Ikehara, T. Tsuchiya
  • 雑誌名: Journal of Microme chanics and Microen gineering 巻: Vol.18, No.7 号: 7 ページ: 75004-75004
  • DOI: 10.1088/0960-1317/18/7/075004
  • 査読あり
• [雑誌論文] High-cycle fatigue of micromachined single-crystal silicon measured using high-resolution patterned specimens (2008)
  • 著者名/発表者名: T. Ikehara, T. Tsuchiva
  • 雑誌名: Journal of Micromechanics and Microengineering Vol. 18, No.7 ページ: 75004-75004
  • 査読あり
• [雑誌論文] Air Damping in a Fan-Shaped Rotational Resonator with Comb Electrodes (2008)
  • 著者名/発表者名: Y. Uchida
  • 雑誌名: IEEJ Transaction on Sensors and Micromachines 128-E ページ: 203-208
  • 査読あり
• [雑誌論文] High-cycle fatigue of micromachined single-crystal silicon measured using high-resolution patterned (2008)
  • 著者名/発表者名: T. Ikehara
  • 雑誌名: Journal of Micromechanics and Microengineering 18 ページ: 75004-75004
  • 査読あり
• [雑誌論文] Mechanical calibration of MEMS springs with sub-micro-Newton force resolution (2008)
  • 著者名/発表者名: K. Miyamoto
  • 雑誌名: Sensors and Actuators A:Physical 143 ページ: 136-142
  • 査読あり
• [雑誌論文] Air Damping in a Fan-Shaped Rotational Resonator with Comb Electrodes (2008)
  • 著者名/発表者名: Y. Uchida
  • 雑誌名: 電気学会センサ・マイクロマシン部門誌 128-E(印刷中)
  • 査読あり
• [雑誌論文] High-cycle fatigue of micromachined single crystal silicon measured,using a parallel fatigue test system (2007)
  • 著者名/発表者名: T. Ikehara
  • 雑誌名: IEICE Electronic Express 4 ページ: 288-293
  • 査読あり
• [学会発表] Out-of-plane Bending Reliability Test for Intrinsic Mechanical Strength of (2012)
  • 著者名/発表者名: Tomoki Tanemura
  • 学会等名: 2012 MRS Spring Meeting
  • 発表場所: San Francisco, CA, USA
• [学会発表] Tensile testing of SWCNT using thermal actuator clamped with electrolessly deposited ogld layer (2012)
  • 著者名/発表者名: Tatsuya Kataoka
  • 学会等名: The 7th IEEE International Conference on Nano/Micro
  • 発表場所: Kyoto, Japan
• [学会発表] Effect of crystallographic orientations and surface morphologies on fracture and fatigue of single crystal silicon (2012)
  • 著者名/発表者名: Toshiyuki Tsuchiya
  • 学会等名: Okumetic-Nagoya University Seminar 2012
  • 発表場所: Nagoya, Japan
• [学会発表] Are nonliner resonators suitable for energy harvesting?-Equivalent circuit analysis of nonlinear response of MEMS resonator (2012)
  • 著者名/発表者名: Akio Kitamura
  • 学会等名: The 25th IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems
  • 発表場所: Paris, France
• [学会発表] Self-dependent equivalent circuit modeling of electrostatic comb transducers for integrated MEMS (2011)
  • 著者名/発表者名: T.Tsuchiya
  • 学会等名: The 19th IFIP/IEEE International Conference on Very Large Scale Integration
  • 発表場所: Hong Kong
• [学会発表] Measurement of high-cycle fatigue lives of micrometer-sized single-crystal silicon specimens (2011)
  • 著者名/発表者名: T.Ikehara
  • 学会等名: International Symposium on Plasticity and Its Current Applications
  • 発表場所: Puerto Vallarta, Mexico
• [学会発表] Local stress analysis of single crystalline silicon resonator using micro raman spectroscopy (2011)
  • 著者名/発表者名: A.Taniyama
  • 学会等名: The 24th IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems
  • 発表場所: Cancun, Mexico
• [学会発表] 高信頼, 高機能MEMSの実現に向けたデバイス設計, 解析, 評価 (2010)
  • 著者名/発表者名: 土屋智由
  • 学会等名: 第20回マイクロナノ先端技術交流会
  • 発表場所: 東京、マイクロマシンセンタ
  • 年月日: 2010-03-11
• [学会発表] 単結晶シリコン扇型振動子の疲労試験 (2010)
  • 著者名/発表者名: 土屋智由
  • 学会等名: マルチスケールモデリングによる材料科学研究会第2回研究会
  • 発表場所: 東京、東京大学
  • 年月日: 2010-03-09
• [学会発表] MEMSデバイスの高信頼化のための薄膜評価技術 (2010)
  • 著者名/発表者名: 土屋智由
  • 学会等名: 日本実験力学会ナノ計測分科会第1回研究会
  • 発表場所: 姫路、兵庫県立大学
  • 年月日: 2010-01-18
• [学会発表] Component Modeling of 2DOF Comb Transducer for Equivalent Circuit using Built-in Displacement Detection (2010)
  • 著者名/発表者名: H.Tokusaki
  • 学会等名: The 5th Asia-Pacific Conference on Transducers and Micro-Nano Technology
  • 発表場所: Perth, Australia
• [学会発表] Crystal Anisotropy on Strength of Single Crystal Silicon Measured by Tensile Testing (2010)
  • 著者名/発表者名: T.Wakita
  • 学会等名: The 5th Asia-Pacific Conference on Transducers and Micro-Nano Technology
  • 発表場所: Perth, Australia
• [学会発表] 顕微ラマン分光を用いた単結晶シリコン振動子の局所応力解析 (2010)
  • 著者名/発表者名: 谷山彰
  • 学会等名: 日本機械学会2010年度年次大会
  • 発表場所: 名古屋工業大学
• [学会発表] (110)単結晶Siの引張試験における破壊の結晶異方性評価 (2010)
  • 著者名/発表者名: 脇田拓
  • 学会等名: 日本機械学会2010年度年次大会
  • 発表場所: 名古屋工業大学
• [学会発表] (110)単結晶Siマイクロ試験片における破壊の結晶異方性のワイブル統計解析 (2010)
  • 著者名/発表者名: 脇田拓
  • 学会等名: 第2回「マイクロ・ナノ工学シンポジウム」
  • 発表場所: 松江、くにびきメッセ
• [学会発表] MEMS共振デバイスの低サイクル破壊試験 (2009)
  • 著者名/発表者名: 池原毅
  • 学会等名: The 9th Society of Exploration Geophysicist of Japan International Symposium
  • 発表場所: 盛岡、岩手大学
  • 年月日: 2009-10-13
• [学会発表] Technologies, applications, and reliabilities of microelectromechanical systems (MEMS) (2009)
  • 著者名/発表者名: 土屋智由
  • 学会等名: The 9th Society of Exploration Geophysicist of Japan International Symposium
  • 発表場所: Sapporo, Japan
• [学会発表] Tensile Testing of Fullerene Nano Wire using Electrostatic MEMS Device (2009)
  • 著者名/発表者名: Y.Ura
  • 学会等名: 17th International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems (Transducers'09)
  • 発表場所: Denver, CO, USA
• [学会発表] 単軸引張試験による単結晶シリコンの機械的特性の結晶異方性評価 (2009)
  • 著者名/発表者名: 脇田拓
  • 学会等名: 第1回マイクロ・ナノ工学シンポジウム
  • 発表場所: 東京、船堀
• [学会発表] MEMS素子のモデリング技術 (2009)
  • 著者名/発表者名: 土屋智由
  • 学会等名: 電子情報通信学会 2009年ソサイエティ大会エレクトロニクス講演論文集2
  • 発表場所: 新潟、新潟大学
• [学会発表] 単結晶シリコンMEMSデバイスの破壊と疲労 (2008)
  • 著者名/発表者名: 土屋智由
  • 学会等名: 応用物理学会結晶工学分科会第129回研究会
  • 発表場所: 京都
  • 年月日: 2008-07-02
• [学会発表] Accelerated lifetime test method for structural materials in MEMS devices using resonant vibration (2008)
  • 著者名/発表者名: T. Tsuchiya
  • 学会等名: Korea-Japan-China MEMS Standardization Workshop 2008
  • 発表場所: 東京
  • 年月日: 2008-06-20
• [学会発表] Y-axiis vibrating SOI gyroscope using vertical. comb electrodes (2008)
  • 著者名/発表者名: H. Hamaguchi
  • 学会等名: The 4th Asia Pacific Conference on Transducers and Micro/Nano Technologies
  • 発表場所: Tainan, Taiwan
• [学会発表] Abusitripic analysis of stress concentration in a single-crystal-silicon MEMS structure (2008)
  • 著者名/発表者名: T. Ikehara
  • 学会等名: 21th International Microprocesses and Nanotechnology Conference
  • 発表場所: 福岡
• [学会発表] 単結晶シリコン引張試験における表面酸化の影響評価 (2008)
  • 著者名/発表者名: 土屋智由
  • 学会等名: 日本機械学会2008年度年次大会
  • 発表場所: 横浜国立大学
• [学会発表] 単結晶シリコンの曲げ試験における結晶異方性の効果 (2008)
  • 著者名/発表者名: 池原毅
  • 学会等名: 日本機械学会2008年度年次大会
  • 発表場所: 横浜国立大学
• [学会発表] Crystal orientation dependence of fatigue caracteristics in single crystal silicon measured using a rotating micro resonator (2008)
  • 著者名/発表者名: T. Ikehara
  • 学会等名: The 21st IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems
  • 発表場所: Tucson, AZ, USA
• [学会発表] Effect of Surface Oxide Layer on Mechanical Properties of Single Crystalline Silicon (2007)
  • 著者名/発表者名: K. Miyamoto, K. Sugano, T. Tsuchiya, O. Tabata
  • 学会等名: Material Research Society Meeting
  • 発表場所: Boston
• [学会発表] Effect of Surface Oxide Layer on Mechanical Properties of Single Crystalline Silicon (2007)
  • 著者名/発表者名: K. Miyamoto, K. Sugano, T. Tsuchiya, O. Tabata
  • 学会等名: Material Research Society Meeting
  • 発表場所: Boston, MA
• [学会発表] Tensile Testing of Single Crystal Silicon Thin Films at 800℃ using IR Heating (2007)
  • 著者名/発表者名: T. Ikeda
  • 学会等名: The 16th International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems(Transducers′07)
  • 発表場所: Lyon, France
• [学会発表] Effect of surface oxidation on mechanical properties of single crystalline silicon (2007)
  • 著者名/発表者名: K. Miyamoto
  • 学会等名: The 24th sensor symposium
  • 発表場所: Tokyo, Japan
• [学会発表] Effect of Surface Oxide Layer on Mechanical Properties of Single Crystalline Silicon (2007)
  • 著者名/発表者名: K. Miyamoto
  • 学会等名: MRS fall meeting 2007
  • 発表場所: Boston, MA, USA
• [学会発表] 高温薄膜引張試験装置の開発 (2007)
  • 著者名/発表者名: 土屋智由
  • 学会等名: 日本機械学会2007年度年次大会
  • 発表場所: 大阪府吹田市(関西大学)
• [図書] 破壊力学大系 (2012)
  • 著者名/発表者名: 佐藤一雄、土屋智由
  • 出版者: エヌ・ティース・エス
• [図書] 破壊力学大系シリコンの破壊と疲労(第1編第12章3節)(服部敏雄他編) (2012)
  • 著者名/発表者名: 佐藤一雄, 土屋智由
  • 総ページ数: 9
  • 出版者: エヌ・ティー・エス
• [図書] Reliability of MEMS (2008)
  • 著者名/発表者名: T. Tsuchiya
  • 総ページ数: 303
  • 出版者: Wiley VCH
• [図書] Comprehensive Microsystems (Chapter 1.01 Silicon and related materials) (2007)
  • 著者名/発表者名: T. Tsuchiya
  • 出版者: Elsevier
• [備考] ホームページ
  • URL: http://www.nms.me.kyoto-u.ac.jp/wiki/?SiFatigue
• [備考]
  • URL: http://www.nms.me.kyoto-u.ac.jp/wiki/?SiFatigue
• [備考]
  • URL: http://www.nms.me.kyoto-u.ac.jp/wiki/?SiFatigue
• [備考]
  • URL: http://www.nms.me.kyoto-u.ac.jp
• [備考]
  • URL: http://www.nms.me.kyoto-u.ac.jp
• [備考] 研究室ホームページ
  • URL: http://www.nms.me.kyoto-u.ac.jp
• [備考]
  • URL: http://www.nms.me.kyoto-u.ac.jp