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2011 年度 実績報告書

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

研究課題/領域番号 19676002
研究機関京都大学

研究代表者

土屋 智由  京都大学, 工学研究科, 准教授 (60378792)

キーワード単結晶シリコン / MEMS / 引張試験 / 疲労試験 / 二酸化シリコン / 腐食疲労 / 寿命予測 / 顕微ラマン分光
研究概要

本研究では実用化が進むマイクロ電気機械システム(以下MEMS)デバイスの信頼性の評価手法を提供し、民生、自動車、航空宇宙、医療など広範囲におけるMEMSの応用を促進するため,マイクロ・ナノスケールにおける材料の破壊、特に繰り返し応力下におけるマイクロサイズの脆性材料の破壊のメカニズムを解明することをめざしてきた。本年度においては最終年度として以下の重要な知見を明らかにした。
(1)シリコンの破壊について、加工、環境を高度に制御した試験片を用いて計測値のばらつきを抑えた実験からシリコンの破壊特性を実験的に明らかにした。まず、切欠き付き試験片の破壊の異方性から、破断強度がへき開面である(111)面に対する垂直応力でよく表現できることを明らかにした。さらに、切欠きのない試験片の破壊は加工をよく制御すると、ほぼすべての試験片の破面が(111)面で構成され、強度は加工条件によらず、破壊の起点となっていた加工荒れの寸法とよい相関があることを示した。これらから、シリコンの破壊強度と破壊様式について実用的な知見を得ることができた。
(2)シリコンの疲労について、従来から実施してきた面内曲げ振動試験に加え、面外曲げ共振振動試験方法を開発した。前者はドライエッチングの加工面が破壊を支配する単結晶シリコン構造、後者は薄膜表面の荒さが支配する多結晶シリコン膜であったが、いずれの試験においても初期強度に対応する切欠きを有し、これが繰り返し荷重印加によって成長する亀裂進展モデルで疲労特性を記述可能であることを確認した。また、初期強度のばらつきをワイブル分布で記述し、応力拡大係数範囲に亀裂進展速度が依存するモデルを組み合わせた関係式で、シリコン微細構造体の疲労寿命をモデル化できることを確認した。このモデルはこれまでに報告されたシリコンの疲労強度データともよく一致することを確認した。

  • 研究成果

    (11件)

すべて 2012 2011 その他

すべて 雑誌論文 (4件) (うち査読あり 4件) 学会発表 (5件) 図書 (1件) 備考 (1件)

  • [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 Deyice2012

    • 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 Resolution2012

    • 著者名/発表者名
      T.Tsuchiya
    • 雑誌名

      Journal of Microelectromechanical Systems

      巻: Vol.21(印刷中)

    • DOI

      10.1109/JMEMS.2011.2182503

    • 査読あり
  • [学会発表] Out-of-plane Bending Reliability Test for Intrinsic Mechanical Strength of2012

    • 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
    • 年月日
      20120409-20120413
  • [学会発表] Tensile testing of SWCNT using thermal actuator clamped with electrolessly deposited ogld layer2012

    • 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
    • 年月日
      20120305-20120308
  • [学会発表] Effect of crystallographic orientations and surface morphologies on fracture and fatigue of single crystal silicon2012

    • 著者名/発表者名
      Toshiyuki Tsuchiya
    • 学会等名
      Okumetic-Nagoya University Seminar 2012
    • 発表場所
      Nagoya, Japan
    • 年月日
      20120301-20120302
  • [学会発表] Are nonliner resonators suitable for energy harvesting?-Equivalent circuit analysis of nonlinear response of MEMS resonator2012

    • 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
    • 年月日
      20120129-20120202
  • [学会発表] Self-dependent equivalent circuit modeling of electrostatic comb transducers for integrated MEMS2011

    • 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
    • 年月日
      20111003-20111005
  • [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(担当分)
    • 出版者
      エヌ・ティー・エス
  • [備考]

    • URL

      http://www.nms.me.kyoto-u.ac.jp/wiki/?SiFatigue

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公開日: 2013-06-26  

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