科研費若手研究S

はじめに

これは科研費若手研究S『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』を紹介するページです。

背景

現在、MEMSは自動車、携帯機器、アミューズメント機器、映像機器、光通信システムなど幅広く用いられるようになりました。半導体微細加工技術を 用いて作製された、これらのセンサ、アクチュエータデバイスでは構造材料として単結晶シリコンが利用されています。これは単結晶シリコンが高い比弾性率、 高強度によって機械材料として優れた性質を持つことによるものです。一方で、セラミックと同様に脆性材料であるため、破壊が塑性変形なし に”catastrophic”に発生すること、その強度がばらつくことが問題となっています。 また、シリコンの”疲労”現象については、少なくとも繰り返し荷重印加による強度の低下、またこの強度の低下に湿度、特に露点に近い高湿度が影響を及ぼす ことが認められていますが、そのメカニズムについては様々な考え方が示されていて、議論が行われています。 このように高い強度であるにもかかわらず、高い安全率を見ることによってデバイスの性能が制限されていること、破壊、疲労のメカニズムが明らかになってい ないことが、MEMSのさらなる応用拡大の障壁になっていると考え、この研究を行っています。

目的

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います． このため、現在特にMEMSデバイスでもっとも広く機械構造体として用いられているシリコン（単結晶/多結晶）の破壊現象についてそのメカニズムを表面酸化反応との関係でより精密に検討すると同時に，加工プロセスの影響を評価することによって，シリコンを構造材料として用いるMEMS/NEMSデバイスの高信頼化に寄与することを目的としています．

実施内容

  • 薄膜引張試験装置の開発
    • 恒温恒湿引張試験装置
    • 赤外線加熱高温引張試験装置
    • 真空引張試験装置
  • 単結晶シリコンの引張試験
    •  湿度制御下での引張荷重疲労試験
    • 高温引張試験
    • 引張強度に及ぼす表面酸化の影響評価
    • 引張強度の結晶異方性評価
  • 単結晶シリコン構造体の信頼性試験
    • 静電駆動型振動子を用いた共振振動疲労試験 （産総研池原氏の研究）湿度の影響
    • 結晶異方性評価

成果

詳細は研究成果を参照してください。

報告書

  • 成果報告書
  • 中間報告

論文

  1. Toshiyuki Tsuchiya, Masakazu Hirata, Norio Chiba, Ryujiro Udo, Yuji Yoshitomi, Taeko Ando, Kazuo Sato, Kazuki Takashima, Yakichi Higo, Yasunori Saotome, Hirofumi Ogawa and Koichi Ozaki Cross Comparison of Thin-film Tensile-testing Methods Examined using Single-crystal Silicon, Polysilicon, Nickel, and Titanium Films Journal of Microelectromechanical Systems, Vol.14, No.5, pp.1178-1186, 2005.
  2. Toshiyuki Tsuchiya, Masakazu Hirata and Norio Chiba Young’s Modulus, Fracture Strain, and Tensile Strength of Sputtered Titanium Thin Films Thin Solid Films, Vol.484, No.1-2, pp.245-250, 2005.
  3. Toshiyuki Tsuchiya Tensile Testing of Silicon Thin Films Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures, Vol.28, No.8, pp.665-674, 2005.
  4. Toshiyuki Tsuchiya, Yusuke Yamaji, Koji Sugano, Osamu Tabata Tensile and Tensile-Mode Fatigue Testing of Microscale Specimens in Constant Humidity Environment Experimental Mechanics, Vol. 50 No.4, pp.509-516 (2010).
  5. Toshiyuki Tsuchiya, Tetsuro Ikeda, Akifumi Tsunematsu, Koji Sugano and Osamu Tabata Tensile Testing of Single Crystal Silicon Thin Films at 600oC Using IR Heating Sensors and Materials, Vol. 22 No. 1 pp. 1-12 (2010).
  6. 種村友貴, 山下秀一, 和戸弘幸, 竹内幸裕, 土屋智由, 田畑修 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 電気学会センサ・マイクロマシン部門誌, Vol. 132-E, No. 7, accepted (2012).
  7. 上杉晃生， 平井義和，菅野公二，土屋智由，田畑修 加工条件の異なる(110)単結晶シリコン薄膜の引張試験 電気学会センサ・マイクロマシン部門誌，Vol. 132-E, No. 9, accepted (2012).

国際会議

  1. Yusuke Yamaji, Koji Sugano, Osamu Tabata, and Toshiyuki Tsuchiya Tensile-mode fatigue tests and fatigue life predictions of single crystal silicon in humidity controlled environments The 20th IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems, pp.267-270, 2007
  2. H. Hamaguchi, K. Sugano, T. Tsuchiya and O. Tabata A Differential Capacitive Three-Axis SOI Accelerometer using Vertical Comb Electrodes The 16th International Conference on Solid-State Sensors,　Actuators and Microsystems (Transducers’07), pp.1483-1486, 2007
  3. T. Ikeda, K. Sugano, T. Tsuchiya and O. Tabata Tensile Testing of Single Crystal Silicon Thin Films at 800ºC using IR Heating The 16th International Conference on Solid-State Sensors,　Actuators and Microsystems (Transducers’07), pp571-573, 2007
  4. Kenji Miyamoto, Koji Sugano, Toshiyuki Tsuchiya, Osamu Tabata Effect of Surface Oxide Layer on Mechanical Properties of Single Crystalline Silicon Material Research Society Meeting, Boston, MA, Nov. 25-30, 2007, DD2.3
  5. Toshiyuki Tsuchiya MEMS Reliability (tutorial) The 20th International Conference on Microelectronic Test Structures, Tokyo, Japan, Mar. 19-22, 2007
  6. Toshiyuki Tsuchiya (invited) Mechanical reliability of micro/nano-structures in MEMS devices 20th International Microprocesses and Nanotechnology Conference (MNC2007), Kyoto, Japan, Nov. 5-8, 2007
  7. Toshiyuki Tsuchiya (invited)Technologies, applications, and reliabilities of microelectromechanical systems (MEMS) The 9th SEGJ International Conference, Sapporo, Japan, Oct. 12-14, 2009, pp. 22.
  8. Taku Wakita, Yoshikazu Hirai, Koji Sugano, Toshiyuki Tsuchiya, Osamu Tabata, and Tsuyoshi Ikehara Crystal Anisotropy on Strength of Single Crystal Silicon Measured by Tensile Testing The 5th Asia-Pacific Conference on Transducers and Micro-Nano Technology (APCOT2010), Perth, Australia (July, 2010), pp.44.
  9. T. Ikehara and T. Tsuchiya Measurement of high-cycle fatigue lives of micrometer-sized single-crystal silicon specimens International Symposium on Plasticity and Its Current Applications, Puerto Vallarta, Mexico, Jan. 3-8 2011.
  10. A. Taniyama, Y. Hirai, K. Sugano, O. Tabata, T. Ikehara, and T. Tsuchiya Local stress analysis of single crystalline silicon resonator using micro raman spectroscopy The 24th IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems, Cancun, Mexico, Jan. 23-27 2011, pp. 449-452.
  11. Tomoki Tanemura, Shuichi Yamashita, Hiroyuki Wado, Yukihiro Takeuchi, Toshiyuki Tsuchiya, Osamu Tabata Out-of-plane Bending Reliability Test for Intrinsic Mechanical Strength of Polycrystalline Silicon Thin Film Using Etching-damage-less Membrane 2012 MRS Spring Meeting, San Francisco, CA USA, April 9-13, 2012.

解説

  1. 土屋智由 マイクロ・ナノ材料の試験方法 （連載講義：材料試験(13)) 塑性と加工（日本塑性加工学会誌）, Vol. 51, No 11, pp.1048-1052 (2010).

著書

  1. 佐藤 一雄，土屋智由 シリコンの破壊と疲労（第1編 第12章 3節） 服部敏雄他編：破壊力学大系，エヌ・ティー・エス、東京，2012、p. 211-219.

 

産総研池原氏の成果（共同研究）

  1. Tsuyoshi Ikehara and Toshiyuki Tsuchiya High-cycle fatigue of micromachined single crystal silicon measured using a parallel fatigue test system IEICE Electronic Express, Vol. 4, No. 9, pp. 288-293 (2007).
  2. Tsuyoshi Ikehara, Toshiyuki Tsuchiya High-cycle fatigue of micromachined single-crystal silicon measured using high-resolution patterned specimens Journal of Micromechanics and Microengineering, Vol. 18, No.7, 075004 (2008).
  3. Tsuyoshi Ikehara, Toshiyuki Tsuchiya Development of Amplitude-Controlled, Parallel Fatigue-Test System for Micro-Electro-Mechanical Resonators Sensors and Materials, Vol. 22 No. 1 pp.39-50 (2010).
  4. Tsuyoshi Ikehara, Toshiyuki Tsuchiya Effects of anisotropic elasticity on stress concentration in micromechanical structures fabricated on (001) single-crystal silicon films Journal of Applied Physics, Vol.105, 093524 (2009)
  5. Tsuyoshi Ikehara, Toshiyuki Tsuchiya Measurement of anisotropic fatigue life in micrometre-scale single-crystal silicon specimens Micro & Nano Letters, Vol. 5 No. 1, pp. 49-52 (2010).
  6. T. Ikehara, T. Tsuchiya Low-cycle to Ultra-High-cycle Fatigue Lifetime Measurement of Single Crystal Silicon Specimens using a Microresonator Test Device Journal of Microelectromechanical Systems, online available (2012).

関連研究

  1. Yuki Uchida, Koji Sugano, Toshiyuki Tsuchiya, Osamu Tabata, and Tsuyoshi Ikehara Air Damping in a Fan-Shaped Rotational Resonator with Comb Electrodes IEEJ Transaction on Sensors and Micromachines (電気学会センサ・マイクロマシン部門誌), Vol. 128-E, No. 5, pp. 203-208 (2008)
  2. Toshiyuki Tsuchiya, Hiroyuki Hamaguchi, Koji Sugano, Osamu Tabata Design and fabrication of a differential capacitive three-axis SOI accelerometer using vertical comb electrodes IEEJ Transactions on Electrical and Electronic Engineering, Vol.4, No.3, pp. 345-351 (2009). T. Ikehara, T. Tsuchiya
  3. Low-cycle to Ultra-High-cycle Fatigue Lifetime Measurement of Single Crystal Silicon Specimens using a Microresonator Test Device Journal of Microelectromechanical Systems, online available (2012).