半導体デバイス＆MEMSの微小材料・信頼性評価技術 · 位相差，度製膜前製膜後ヤング率計測用共振システム（独自技術）ナノ薄膜のヤング率計測コンセプト

University of HyogoUniversity of HyogoDepartment of Mechanical and System EngineeringDepartment of Mechanical and System Engineering

[email protected] Materials and Intelligent Design Laboratory

半導体デバイス＆MEMSの

微小材料・信頼性評価技術

半導体デバイス＆半導体デバイス＆MEMSMEMSのの

微小材料・信頼性評価技術微小材料・信頼性評価技術

株式会社ナノクリエート株式会社ナノクリエート

兵庫県立大学兵庫県立大学



デバイス設計

デバイス設計

（構造設計）

デバイスシミュレーション

プロセス設計

プロセス設計

（加工工程設計）

プロセスシミュレーション

デバイス材料デバイス材料（材料物性データベース構築）

マイクロ・ナノ材料評価

マイクロマシンマイクロマシン設計設計

デバイス設計

デバイス設計

（構造設計）

デバイスシミュレーション

プロセス設計

プロセス設計

（加工工程設計）

プロセスシミュレーション

デバイス材料デバイス材料（材料物性データベース構築）

マイクロ・ナノ材料評価

マイクロマシンマイクロマシン設計設計

・プロセスチャート設計・マスクレイアウト設計

・デバイス構造の決定・構造/機能解析

・デバイス材料物性データベース

デバイスを設計する際，作製工程の設計（プロセス設計）とデバイス構造・寸法の設計（デバイス設計）の両方を同時進行する必要有．その双方で材料のデータベースが必要．

マイクロデバイス設計



マイクロデバイス開発における材料研究の役目

デバイス開発側（依頼主）

開発スタート

デバイス設計＆

プロセス設計

試作・評価

性能検査信頼性検査

市場へ

材料研究・評価側（ナノクリエート・兵庫県大）

・デバイスの目的に応じた材料の選定および提案

・デバイス動作に応じた試験技術開発（引張，圧縮，曲げ，ねじり等）

・選択材料の解析パラメータ取得（ヤング率，ポアソン比，降伏応力等）

・寿命データの取得（疲労試験，環境試験，耐久試験）

・故障モードの評価

・寿命加速試験による寿命予測

要望（発注）

回答（納品）

要望（発注）

回答（納品）

要望（発注）

回答（納品）



マイクロデバイス設計に必要な基本材料物性

ヤング率（縦弾性係数）ヤング率（縦弾性係数）物質特有の定数であり，縦弾性係数とも言う．伸び変形で応力ー歪みの間に比例関係が成り立つとき，その

傾きE=Ds/Deを指す．1807年ヤングが導入．

剛性率（横弾性係数）剛性率（横弾性係数）物質特有の定数であり，横弾性率，ずれ弾性率，せん断弾性率とも言う．物体にせん断応力を加えたときのせ

ん断応力とせん断歪みとの間の比例定数G=Dt/Dgである．

ポアソン比ポアソン比材料に引張伸びを与えたときの引張方向の歪みe1と幅方向の歪みe2との比n=-e2/e1で，弾性範囲内では物

質特有の定数である．

破壊強度（引張強度，曲げ強度，せん断強度）破壊強度（引張強度，曲げ強度，せん断強度）材料が破壊するときの応力を指す．引張強度，曲げ強度，せん断強度は応力-歪み関係での最大応力のこと

であり，脆性材料の場合，これらの強度は破壊強度と一致．

降伏応力降伏応力物体に働く応力が弾性限を越え，応力の増加がほとんどないままに塑性歪みが急激に増加する現象が起こる

とき，その現象が開始する応力を指す．

残留応力残留応力外力や熱の除去後にも固体材料中に残留する応力を指す．固体材料に外力や熱を加えると，微視的に不均

一な塑性変形を生じ，それらの除去後にも大きさ・方向の異なる内部応力がつりあいを保った状態で存在している．それらの総和を残留応力という．



薄膜引張試験（一軸）受注から納品までの流れ

薄膜用一軸引張試験装置（独自技術）

試験片の一例

LVDT

Heater

PZT actuator in actuator case

CCD camera

Load cell

Water cooling

LVDT

Heater

PZT actuator in actuator case

CCD camera

Load cell

Water cooling

6インチウェハ上に作製した試験片

Stre

ss, 5

0MPa

/div

. StressDisplacement

Disp

lace

men

t, 1µ

m/d

iv.

500004999849996Number of cycles

Time t, sec

Stre

ss σ

, MPa

358 K

423 K

473 K

50

0

100

150

200

0 1000 2000 3000

○ Experimental dataFitting curve

Strain ε

Stre

ss σ

, MPa

358 K

473 K

423 K

50

0

100

150

200

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1

応力ーひずみ線図（準静的引張）

応力緩和曲線（クリープ）

繰り返し負荷（疲労試験）

評価膜成膜（依頼主）

試験片作製

引張評価

データ整理

納品

【対応評価試験】・準静的引張試験・温度依存性・ひずみ速度依存性・クリープ試験・疲労試験



薄膜引張試験（二軸）

評価膜成膜（依頼主）

試験片作製

引張評価

データ整理

納品

受注から納品までの流れ

Yield stress in X direction σy-xx，MPa

Yie

ld st

ress

in Y

dire

ctio

n σ y-yy，MPa

Tresca

R=0.42

R=0.69

HillTresca

R=0.42

R=0.69

Hill

荷重ー変位線図（面内二軸引張）

降伏曲面（一軸＆二軸引張）一軸・二軸応力場での降伏応力の違いが明らかに！

1 cm

Specimen Load cell

LVDT

PZT actuator1 cm

Specimen Load cell

LVDT

PZT actuator

薄膜用面内二軸引張試験装置（独自技術）

薄膜二軸引張試験片

【対応評価試験】・準静的一軸＆二軸引張試験・引張速度比可変試験

薄膜自立部分の拡大



微小構造体の曲げ試験＆異種材料の接合強度試験

1 mm

1 mm1 cm

Bending test specimen

Loading pin

Specimen

Support

PZT actuator in Al case

Load cell

Positioning stagefor specimen

Laser displacementmeter

Specimen

1 mm

1 mm1 cm

Bending test specimen

Loading pin

Specimen

Support

PZT actuator in Al case

Load cell

Positioning stagefor specimen

Laser displacementmeter

Specimen

評価対象材料受取

試験片作製

強度評価

データ整理

納品


微小構造体（0.5mm×0.5mm×3mm）の曲げ試験装置と試験片（独自技術）【対応評価試験】・三点＆四点曲げ試験・微小サイズ（0.5mm～1mm□×3mm）の強度試験・接合強度試験

-4.0

-3.0

-2.0

-1.0

0.0

1.0

2.0

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0lo

g(lo

g(1/

(1-Pi))

)

log(σb, MPa)

NPIP = 12

NPIP = 6

NPIP = 3NPIP = 2NPIP = 0

-4.0

-3.0

-2.0

-1.0

0.0

1.0

2.0

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0-4.0

-3.0

-2.0

-1.0

0.0

1.0

2.0

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0lo

g(lo

g(1/

(1-Pi))

)

log(σb, MPa)

NPIP = 12

NPIP = 6

NPIP = 3NPIP = 2NPIP = 0

破壊強度の統計処理異種材料の接合強度試験破面観察



トーションバーのねじり＆曲げ試験

CCDカメラ

レーザー変位計真空チャック

ロードセル

自動ステージ

CCDカメラ

レーザー変位計真空チャック

ロードセル

自動ステージ

評価対象材料受取

試験片作製

強度評価

データ整理

納品


試験片外観

1mm

フレーム

トーションビーム

ミラー

試験片外観

1mm1mm

フレーム

トーションビーム

ミラー

マイクロトーションバー用ねじり試験装置（独自技術）

[111]

[110][001]

[110]

[110][001]

[110][110]

[110]

[001]

[110]

[110]

[001]

[110][110]

破面観察，破壊メカニズム考察

ねじりモード

曲げモード

ピン

ピン

トーションバー

トーションバー

0

300

600

900

1200

1500

0 10 20 30 40

角度(°)

せん断

応力

(MPa)

純ねじり試験の応力ー角度線図



薄膜のポアソン比計測

試験片作製

薄膜成膜

ポアソン比評価

データ整理

納品


Specimen

Gearbox Rotating jig

Specimen

Gearbox Rotating jig

シリコン試験片上への薄膜成膜

2/3in CCD

x, y, z stage

Specification:Monochromatic light: 450nm

To PC

x, y, z stage

Specimen holder

2/3in CCD

x, y, z stage


To PC

x, y, z stage

Specimen holder

2/3in CCD

x, y, z stage


To PC

x, y, z stage

Specimen holder

2/3in CCD

x, y, z stage


To PC

x, y, z stage

Specimen holder

光干渉曲げシステム（独自技術）

Alスパッタ膜のポアソン比のAr圧依存性

maximum angle

θmax

minimum angle

θmin

θmin ＜ θ＜θmax

干渉縞双曲線パターン一例

X

Y θ

X

Y θ

X

Y θ

長方形断面の梁の曲げ変形

bending moment

Beam specimen

θν tan±=±=YX

角度θ：対象材料のポアソン比ν に依存

薄膜材料のポアソン比の実測が可能！



ナノ薄膜のヤング率計測

試験片作製

薄膜成膜（依頼主）

ヤング率比評価

データ整理

納品


Jkf

π21

= Ef ∝

共振とヤング率の関係共振とヤング率の関係ナノ薄膜成膜ナノ薄膜成膜

実験で共振周波数を計測基板+薄膜の共振周波数

成膜前成膜後

製膜前後の共振周波数の差からヤング率を導出！製膜前後の共振周波数の差からヤング率を導出！

ヤング率実測値ヤング率実測値

64.8 GPa (64.8 GPa (±±5 GPa)5 GPa)

ヤング率公称値（バルク値）ヤング率公称値（バルク値）

70 GPa70 GPa

構造の相違や，密度，膜厚，構造の相違や，密度，膜厚，デバイス形状・寸法のばらつき等デバイス形状・寸法のばらつき等

結結論論提案共振法で100nm厚薄膜のヤング率を

簡便に計測できることを実証！

周波数，Hz

位相

差，

度

製膜前製膜後

周波数，Hz

位相

差，

度

製膜前製膜後

ヤング率計測用共振システム（独自技術）

ナノ薄膜のヤング率計測コンセプト100nm厚Al薄膜の評価結果の一例

f = 10.225kHz

共振中のMEMSデバイス（f=10.225Hz）

ナノ薄膜のヤング率を簡便かつ定量計測可能！



シリコンの寿命加速試験

Fatigue tester for Type BFatigue tester for Type B

Fatigue tester for Type AFatigue tester for Type A

During test During test ((ff = 30kHz)= 30kHz) FracturedFractured

CCD cameraCCD camera

Function generatorFunction generator& amplifier& amplifier

CounterCounterCharge amp.Charge amp.

SpecimenSpecimen

Load cellLoad cell

LVDTLVDTSpecimenSpecimen

PZT actuatorPZT actuator

Fatigue tester for Type BFatigue tester for Type B

Fatigue tester for Type AFatigue tester for Type A

During test During test ((ff = 30kHz)= 30kHz) FracturedFractured

CCD cameraCCD camera

Function generatorFunction generator& amplifier& amplifier

CounterCounterCharge amp.Charge amp.

SpecimenSpecimen

Load cellLoad cell

LVDTLVDTSpecimenSpecimen

PZT actuatorPZT actuator評価対象材料受取

試験片作製

疲労試験

S/Nデータ整理

納品


100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 1010 10110

5

10

15

Number of cycles to failure Nf, cycles

Peak

tens

ile st

ress

σpeak

, GPa

Type A: Pulsating tension mode10Hz, R.T.

Type B: Completely reversed bending modeSingle-side notch, 29.5-30.5kHz, R.T.Single-side notch, 29.5-30.5kHz, 373KDouble-side notch, 26.7-27.5kHz, R.T.Notch-free, 13.0-50.0kHz, R.T.

S-N curve for notch-free specimen

S-N curve for notched specimenR.T.

373 K

R.T.

S-N curves for single crystal silicon microstructure

100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 1010 10110

5

10

15

100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 1010 10110

5

10

15

Number of cycles to failure Nf, cycles

Peak

tens

ile st

ress

σpeak

, GPa

Type A: Pulsating tension mode10Hz, R.T.

Type B: Completely reversed bending modeSingle-side notch, 29.5-30.5kHz, R.T.Single-side notch, 29.5-30.5kHz, 373KDouble-side notch, 26.7-27.5kHz, R.T.Notch-free, 13.0-50.0kHz, R.T.

S-N curve for notch-free specimen

S-N curve for notched specimenR.T.

373 K

R.T.

S-N curves for single crystal silicon microstructure単結晶・多結晶シリコンの寿命加速試験システムの一例（独自技術）

単結晶SiのS/N線図

Notchfree

Single side notch

Double side notch

Resonator

Deflection scale

Electrostatic comb-drive actuator

Deflection sensor

SpecimenType A

Pulsating tension mode

Type BCompletely reversed

bending mode 5 mm

Notchfree

Single side notch

Double side notch

Resonator

Deflection scale

Electrostatic comb-drive actuator

Deflection sensor

SpecimenType A

Pulsating tension mode

Type BCompletely reversed

bending mode 5 mm

試験片の一例

Fractureorigin

Crack propagation

Type B: Single-side notch

TensionCompression

BB’

xyFractureorigin

Crack propagation

Type B: Single-side notch

TensionCompression

BB’

xy

破面観察

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半導体デバイス＆MEMSの微小材料・信頼性評価技術 · 位相差，度製膜前製膜後ヤング率計測用共振システム（独自技術）ナノ薄膜のヤング率計測コンセプト