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研究生:周琦斌
研究生(外文):Chi-Bin Chou
論文名稱:矽微懸臂樑表面鍍膜之機械性質
論文名稱(外文):Mechanical Properties of Surface Coated Single Crystal Silicon Micro-Cantilever Beams
指導教授:劉顯光
指導教授(外文):Hsien-Kuang Liu
學位類別:碩士
校院名稱:逢甲大學
系所名稱:機械工程學所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2005
畢業學年度:93
語文別:中文
論文頁數:153
中文關鍵詞:彎曲強度矽微懸臂樑表面鍍膜疲勞壽命
外文關鍵詞:flexural strengthSi micro-cantilever beamsurface coatingfatigue life
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本文主要利用微機電製程於四吋矽晶圓上製作出表面鍍膜與未鍍膜之單晶矽微懸臂樑結構,使用微拉力試驗機搭配探針對微矽懸樑作彎曲及疲勞測試,配合Ansys有限元素分析,探討表面鍍膜對懸臂樑機械性質之影響。在彎曲測試中,彎曲強度與破壞應變會隨著微懸臂樑長度(400-700μm)增加而減少,而最大變形量會隨著懸臂樑長度增加而增加,平均彎曲強度為1.77GPa,平均楊氏係數172.9GPa,最大破壞應變為1.2×10-3,表面經鍍SiO2/Si3N4薄膜(厚度=0.350μm)之矽微懸臂樑,彎曲強度與表面未鍍膜之懸臂樑比較,平均增加0.25GPa,增加幅度約13~15%,顯示薄膜確實提升彎曲強度方面造成影響。
在疲勞測試中,取破壞應變 或彎曲強度 的百分比分別為二倍應變振幅或應力振幅對微懸臂樑進行測試,當相同應力振幅條件下,表面鍍膜之微懸臂樑壽命明顯比未鍍膜之疲勞壽命來的高,整體平均壽命約可增加二倍;控制模式比較方面,同一試片施加應力振幅所得到之疲勞壽命較應變振幅高出許多,且單晶矽鍍薄膜無論在應力振幅或應變振幅模式,皆有抵制疲勞破壞、改善疲勞性質方面之特性。由Ansys理論分析也可發現,當相同尺寸及承受相同負載時,經表面鍍膜後,純矽懸臂樑所需承受之彎曲應力減少將近30%,比較實驗值與理論值之誤差約在14.4%以內。另外利用SEM觀察破斷面型態,破斷面皆沿著{111}面結晶面產生,且大致光滑平整,但表面鍍膜懸臂樑整體破斷面較純矽懸臂樑更為平坦,樑背面負載之破壞型態皆為侵入試片根部支撐平面之大面積破斷,疲勞破斷面則較彎曲破斷面更為粗糙,包含多層性的漸進紋路,經由EDS對矽疲勞裂縫表面分析發現,表面確實有少量的氧化物產生,可能影響破壞機構。
In this thesis, the influence of surface coating on mechanical properties of single crystal silicon (SCS) micro-cantilever beam is studied experimentally and theoretically. Theoretically, flexural strength of beams are analyzed based on ANSYS (Finite Element Method Software) analysis. Experimentally, a MTS micro-force testing machine (Tytron 250) with a probe is adopted for flexural strength and fatigue life.
In the flexural test, flexural strength and failure strain decrease as the length (400-700μm) of the beam increases. The maximum displacement increase with length of the beam. The beam has the following properties: average flexural strength 1.77GPa, average Young’s moduls 1.77GPa and failure strain 1.2×10-3. Flexural strength of the silicon micro-cantilever beam coated with 0.350μm SiO2/Si3N4 film is demonstrated to have flexural strength 0.25GPa and 13~15% higher than SCS beam. The flexural strength of the beam is indeed increased by surface coating.
For fatigue test conducted by stress amplitude, the mean fatigue life of the micro-cantilever beam with surface coating is double longer than the beam without coating. For the same SCS beam, the fatigue life subjected to stress amplitude mode is longer than that subjected to strain amplitude mode. No matter what mode is used, the thin film effectively increases fatigue life.
In ANSYS analysis, the share loading applied on Si in the coating/Si beam is 30% low than that on the SCS beam. The difference between experimental and theoretical results is about 14.4%.
In observing the flexural fracture plane by SEM, the fracture plane occurs along the lattice plane {111} and the plane is approximately smooth. The fracture plane of the cantilever beam with surface coating is smoother than that of the beam without coating. The fracture mode of back loading penetrates the supporting plane of the root of the cantilever beams. The fatigue fracture plane is rougher than flexural fracture plane, including the multi-level fracture front. The fatigue crack surface is analyzed by EDS and few oxide on surface is detected.
目錄

中文摘要…………………………………………………………………I
英文摘要………………………………………………………………III
目錄……………………………………………………………………V
表目錄…………………………………………………………………IX
圖目錄…………………………………………………………………X
第一章 緒論……………………………………………………………1
1.1 研究動機…………………………………………………………1
1.2文獻回顧…………………………………………………………3
1.2.1 微懸臂樑彎曲測試…………………………………………3
1.2.2 疲勞測試……………………………………………………4
1.2.3 有限元素分析模擬…………………………………………6
1.3 研究目的…………………………………………………………6
第二章 基本理論………………………………………………………12
2.1 樑結構變形……………………………………………………12
2.2 表面工程特性…………………………………………………16
2.3 疲勞特性………………………………………………………19
第三章 微懸臂樑彎曲與疲勞試驗……………………………………26
3.1 試驗規劃………………………………………………………26
3.1.1 薄膜材料…………………………………………………26
3.1.2 試片尺寸…………………………………………………27
3.2 試驗設備………………………………………………………28
3.3 微懸臂樑試片製程……………………………………………31
3.4 夾具設計………………………………………………………33
3.5 試驗設計與流程………………………………………………34
3.5.1 彎曲強度…………………………………………………35
3.5.2 疲勞壽命…………………………………………………35
第四章 彎曲測試有限元素分析………………………………………49
4.1 ANSYS軟體分析………………………………………………49
4.2 模型規劃………………………………………………………49
4.2.1 材料性質與元素選用……………………………………49
4.2.2 模型外型與邊界條件……………………………………50
4.2.3 分析之程式架構…………………………………………51
4.3 彎曲模型分析…………………………………………………52
第五章 結果與討論……………………………………………………58
5.1 微懸臂樑與表層薄膜…………………………………………58
5.1.1 外型尺寸…………………………………………………58
5.1.2 表面粗糙度………………………………………………59
5.1.3 薄膜附著性………………………………………………60
5.2 微懸臂樑彎曲強度……………………………………………62
5.2.1 強度與尺寸關係…………………………………………62
5.2.2 應力應變關係……………………………………………65
5.2.3 正反面測試的差異………………………………………66
5.2.4 楊氏係數…………………………………………………68
5.2.5 破壞面顯微觀察…………………………………………69
5.3 疲勞測試………………………………………………………72
5.3.1 薄膜對疲勞壽命的影響…………………………………72
5.3.2 控制模式對疲勞壽命的影響……………………………74
5.3.3 尺寸的影響………………………………………………75
5.3.4 破壞面顯微觀察…………………………………………76
5.4 彎曲測試之ANSYS分析結果…………………………………77
5.4.1 表面鍍膜的影響…………………………………………77
5.4.2 薄膜厚度的影響…………………………………………79
5.4.3 彎曲測試理論值與實驗值數據比較……………………79
第六章 結論與未來研究發展………………………………………134
6.1 結論……………………………………………………………134
6.2 未來研究發展…………………………………………………138
參考文獻………………………………………………………………140
附錄一…………………………………………………………………145
附錄二…………………………………………………………………152
附錄三…………………………………………………………………153

表目錄

表2.1 德國標準DIN 85801對單一製程之定義………………………18
表3.1 微懸臂樑試片尺寸……………………………………………28
表4.1 微懸臂樑分析模型之材料性質參數…………………………53
表5.1 長度及表面鍍層對微懸臂樑彎曲強度之影響………………83
表5.2 長度及表面鍍層對微懸臂樑最大變形量之影響……………84
表5.3 長度及表面鍍層對微懸臂樑破壞應變之影響………………85
表5.4 長度及表面鍍層對微懸臂樑楊氏係數之影響………………86
表5.5 楊氏係數與其他文獻比較……………………………………87
表5.6 應力振幅改變時鍍膜對疲勞循環壽命的影響………………88
表5.7 應變振幅改變時鍍膜與尺寸對疲勞循環壽命的影響………88
表5.8 負載改變時鍍膜對懸臂樑結構應力分佈影響之理論值……89
表5.9 長度改變時鍍膜對懸臂樑結構應力分佈影響之理論值……89
表5.10 薄膜厚度改變時懸臂樑結構應力分佈之理論值……………90
表5.11 彎曲強度實驗值與理論值比較………………………………91
表5.12 最大變形量實驗值與理論值比較……………………………92
表5.13 破壞應變實驗值與理論值比較………………………………93


圖目錄

圖1.1 鎳懸臂樑疲勞裂紋圖……………………………………………8
圖1.2 電子能損儀(EELS)示意圖………………………………………8
圖1.3 銀/二氧化矽懸臂樑疲勞曲線……………………………………9
圖1.4 銀/二氧化矽懸臂樑疲勞缺陷圖…………………………………9
圖1.5 彎曲試驗圖……………………………………………………10
圖1.6 懸臂樑彎曲試驗有限元素模型………………………………10
圖1.7 應力分佈等高線圖……………………………………………11
圖1.8 單晶矽懸臂樑彎曲破壞起始位置示意圖……………………11
圖2.1 最大彎曲力矩位置示意圖……………………………………13
圖2.2 樑承受垂直負載示意圖………………………………………14
圖2.3 樑承受之剪力及彎曲力矩……………………………………14
圖2.4 懸臂樑之彈性變形及邊界條件………………………………15
圖2.5 應力-應變滯環曲線……………………………………………20
圖2.6 循環應變壽命曲線……………………………………………21
圖2.7 疲勞應變振幅與破壞週數關係圖……………………………23
圖2.8 零-拉疲勞的應力循環…………………………………………24
圖2.9 疲勞S-N曲線…………………………………………………25
圖3.1 微懸臂樑試片與切割路徑示意圖……………………………38
圖3.2 切割後之試片元件示意圖……………………………………38
圖3.3 氧化擴散系統(Oxidation & Diffusion Furnaces)………………39
圖3.4 低壓化學氣相沉積系統(LPCVD)……………………………39
圖3.5 光阻旋鍍機(Spin Coater)………………………………………40
圖3.6 雙面光罩對準儀(Double-Side Mask Aligner)…………………40
圖3.7 反應離子蝕刻機(RIE)…………………………………………41
圖3.8 電感耦合電漿蝕刻機(ICP)……………………………………41
圖3.9 表面輪廓儀(Surface Profiler)…………………………………42
圖3.10 金相顯微鏡(Microscope)……………………………………42
圖3.11 電磁加熱攪拌器(Digital Hot Plate and stirrer )………………43
圖3.12 微拉力試驗機(MTS Tytron 250)……………………………43
圖3.13 CCD可動式鏡頭………………………………………………44
圖3.14 光源產生器……………………………………………………44
圖3.15 第一道光罩定義懸臂樑形狀…………………………………45
圖3.16 第二道光罩定義背蝕範圍……………………………………45
圖3.17 試片夾持之相關位置示意圖…………………………………46
圖3.18 試片夾持座組裝完成之實際情況……………………………46
圖3.19 安裝完成之概圖………………………………………………47
圖3.20 微拉力試驗機周邊之設備架設情形…………………………47
圖3.21 彎曲與疲勞測試進行情況……………………………………48
圖3.22 CCD所觀察進行中之實驗…………………………………48
圖4.1 3-D實體結構之SOLID45元素示意圖………………………54
圖4.2 微懸臂樑模型之外型…………………………………………54
圖4.3 微懸臂樑網格化之模型………………………………………55
圖4.4 微懸臂樑節點之分佈…………………………………………55
圖4.5 微懸臂樑模型邊界條件設定…………………………………56
圖4.6 APDL程式變數說明圖………………………………………56
圖4.7 微懸臂樑分析程式之架構……………………………………57
圖5.1 表面鍍層薄膜之厚度…………………………………………94
圖5.2 微懸臂樑完整結構外型 (由試片正面觀察)…………………94
圖5.3 微懸臂樑完整結構外型 (由試片背面觀察)…………………95
圖5.4 微懸臂樑結構邊緣有顯著蝕刻痕(正面觀察,較大倍率)……95
圖5.5 微懸臂樑結構蝕刻痕(背面觀察,較大倍率)…………………96
圖5.6 微懸臂樑完整結構外型(正上方觀察)…………………………96
圖5.7 微懸臂樑根部顯示波浪狀蝕刻痕……………………………97
圖5.8 微懸臂樑根部放大圖(右半側)…………………………………97
圖5.9 KOH對晶圓蝕刻深度之測量………………………………98
圖5.10 厚度60μm純矽微懸臂樑表面粗糙度………………………98
圖5.11 微懸臂樑蝕刻面之表面情況(a) (600倍)……………………99
圖5.12 微懸臂樑蝕刻面之表面情況(b) (10000倍)…………………99
圖5.13 表面鍍膜懸臂樑表面薄膜粗糙度…………………………100
圖5.14 鍍膜經刮痕試驗後所呈現五種常見破壞模式……………101
圖5.15 使用鎢探針對鍍膜表面進行刮痕試驗之結果……………102
圖5.16 利用鎢材質探針進行刮痕試驗後之表面成份分佈………102
圖5.17 使用鑽石切割刀對鍍膜表面進行刮痕試驗之表面情形…103
圖5.18 不同長度的單晶矽微懸臂樑表面鍍膜前後之彎曲強度…104
圖5.19 不同厚度對純矽微懸臂樑彎曲強度之影響………………104
圖5.20 不同長度的單晶矽微懸臂樑表面鍍膜前後之最大變形量105
圖5.21 不同長度的單晶矽微懸臂樑表面鍍膜前後之破壞應變…105
圖5.22 長度400μm微懸臂樑彎曲應力-應變圖…………………106
圖5.23 長度500μm微懸臂樑彎曲應力-應變圖…………………106
圖5.24 長度600μm微懸臂樑彎曲應力-應變圖…………………107
圖5.25 長度700μm微懸臂樑彎曲應力-應變圖…………………107
圖5.26 模擬長度方向之粗糙度紋路對應力分佈之影響…………108
圖5.27 模擬橫斷面方向之粗糙度紋路對應力分佈之影響………108
圖5.28 矽微懸臂樑試片進行背面彎曲測試………………………109
圖5.29 正面與背面負載對於不同長度矽微懸臂樑彎曲強度之影響………………………………………………………………………109
圖5.30 正面與背面負載對於不同長度矽微懸臂樑最大變形量之影響………………………………………………………………………110
圖5.31 正面與背面負載對於不同長度矽微懸臂樑破壞應變之影響………………………………………………………………………110
圖5.32 微懸臂樑彎曲破斷斜面及角度……………………………111
圖5.33 單晶矽(未鍍膜)懸臂樑之破壞斷面-長400μm寬100μm厚60μm…………………………………………………………………111
圖5.34 單晶矽(未鍍膜)懸臂樑之破壞斷面-長700μm寬100μm厚60μm…………………………………………………………………112
圖5.35 表面鍍膜矽懸臂樑之破壞斷面-長400μm寬100μm厚60μm…………………………………………………………………112
圖5.36 表面鍍膜矽懸臂樑之破壞斷面-長700μm寬100μm厚60μm…………………………………………………………………113
圖5.37 表面鍍膜懸臂樑之雙破斷面圖……………………………113
圖5.38 微懸臂樑之破斷面型態(垂直於破斷面觀察)………………114
圖5.39 微懸臂樑之破斷面型態(垂直於破斷面觀察)……………114
圖5.40 表層薄膜承受彎曲應力破壞之情形………………………115
圖5.41 樑背面彎曲負載之破斷情形(正面)…………………………115
圖5.42 樑背面彎曲負載之破斷情形(背面)…………………………116
圖5.43 背面彎曲負載樑根部兩側破壞產生之撕裂皺折表面……116
圖5.44 矽微懸臂樑鍍膜前後的疲勞應力振幅-壽命曲線…………117
圖5.45 矽微懸臂樑鍍膜前後的疲勞應變振幅-壽命曲線…………117
圖5.46 長500μm寬100μm厚60μm表面鍍膜懸臂樑之疲勞破斷面(85%εf)……………………………………………………………118
圖5.47 長500μm寬100μm厚60μm表面鍍膜懸臂樑之疲勞破斷面(80%εf)……………………………………………………………119
圖5.48 長500μm寬100μm厚60μm表面鍍膜懸臂樑之疲勞破斷面(75%εf)……………………………………………………………120
圖5.49 長500μm寬100μm厚60μm表面鍍膜懸臂樑之疲勞破斷面(70%εf)……………………………………………………………121
圖5.50 長500μm寬100μm厚60μm表面鍍膜懸臂樑之疲勞破斷面(65%εf)……………………………………………………………122
圖5.51 長500μm寬100μm厚60μm表面鍍膜懸臂樑之疲勞破斷面(60%εf)……………………………………………………………123
圖5.52 長500μm寬100μm厚60μm純矽懸臂樑之疲勞破斷面(80%εf)………………………………………………………………124
圖5.53 長500μm寬100μm厚50μm純矽懸臂樑疲勞雙破斷面(80%εf)-沿{111}結晶面……………………………………………124
圖5.54 疲勞過程{111}結晶面之應力分佈裂痕成長示意圖………125
圖5.55 EDS元素成分分析疲勞破壞試片位置示意圖……………126
圖5.56 疲勞裂縫內表面之元素成份含矽(Si)、氧(O)及碳(C)……126
圖5.57 矽微懸臂樑彎曲試驗之最大應力分佈分析結果…………127
圖5.58 應力分佈分析路徑示意圖…………………………………127
圖5.59 純矽懸臂樑之彎曲應力分佈………………………………128
圖5.60 表面鍍層懸臂樑之彎曲應力分佈…………………………128
圖5.61 純矽懸臂樑根部之彎曲應力分佈…………………………129
圖5.62 表面鍍膜懸臂樑根部之彎曲應力分佈……………………129
圖5.63 表面鍍膜對應力分佈曲線之影響…………………………130
圖5.64 負載改變時鍍膜對懸臂樑結構應力分佈影響之理論值…131
圖5.65 長度改變時鍍膜對懸臂樑結構應力分佈影響之理論值…131
圖5.66 表層厚度改變時鍍膜對懸臂樑結構應力分佈影響之理論值………………………………………………………………………132
圖5.67 彎曲強度之實驗值與理論值比較…………………………132
圖5.68 最大變形量之實驗值與理論值比較………………………133
圖5.69 破壞應變之實驗值與理論值比較…………………………133
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