[논문]박막의 기계적 물성을 위한 새로운 인장 시편 및 인장 시험기

박준협; 김윤재

doi:10.3795/ksme-a.2007.31.6.644

[국내논문] 박막의 기계적 물성을 위한 새로운 인장 시편 및 인장 시험기
A Novel Tensile Specimen and Tensile Tester for Mechanical Properties of Thin Films 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.31 no.6 = no.261, 2007년, pp.644 - 650

박준협 (동명대학교 메카트로닉스공학과) , 김윤재 (고려대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Mechanical property evaluation of micrometer-sized structures is necessary to help design reliable microelectromechanical systems(MEMS) devices. Most material properties are known to exhibit dependence on specimen size and such properties of microscale structures are not well characterized. This paper describes techniques developed for tensile testing of thin film used in MEMS. Epi-polycrystalline silicon is currently the most widely used material, and its tensile strength has been measured as 1.52GPa. We have developed a tensile testing machine for testing microscale specimen using electro-magnetic actuator. The field magnet and the moving coil taken from an audio-speaker were utilized as the components of the actuator. Structure of specimen was designed and manufactured for easy handling and alignment. In addition to the static tensile tests, it is described that new techniques and procedures can be adopted for high cycle fatigue test of a thin film.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

그래서 본 연구에서는 MEMS 재료의 정적 및 동적 성질의 간편한 측정을 위한 시편 구조를 다음과 같이 제안하였다.
따라서 본 연구에서는 하중 제어가 쉬운 전자장력 액추에이터를 이용하여 시험기를 제작하였다. 전자장력의 원리는 일정 자장 내에 놓여진 구동코일(moving coil)에 전류를 흘려 가 진력을 얻는 것이다.
본 연구를 통해서 MEMS 장치에 많이 사용되는 박막의 인장시험과 피로시험이 가능한 새로운 시편 구조의 설계와 시험기를 제작하였다. 새롭게 고안된 시편 형상은 체결 (gripping) 과 중심잡기 (alignment)가 용이하여 시편을 시험기에 장착하는 시간과 노력을 줄일 수 있었고, 특히 시편을 시험기에 장착 후 시편과 지지부를 연결하는 연결부들을 절단하는 방식으로 지지부를 제거할 때 약 78%의 시편을 사전 손상이 없이 시험을 진행할 수 있었다.

제안 방법

MEMS 재료 물성 시험을 위해서 개발된 시험기를 이용해서 자이로(gwoscope) 등 MEMS 장치에 많이 사용되고 있는 에피폴리실콘(epi-ploy crystalline silicon)으로 앞에서 설계한 형상으로 시편을 만들어서 인장시험을 수행하였고 피로시험에 대한 예비 시험을 수행하였다. 인장 시험에 사용된 시편은 총 7개이며, 시편 크기는 Table 1의 3 의 경우, 즉 시편 폭이 150nm 이고 두께는 llfim 이다.
개발된 시편과 시험기를 이용하여 박막의 정적 및 피로 시험을 손쉽게 수행하는 절차(procedure)를 개발하였다. 개발된 시편 및 시험기를 이용하여 에피폴리실리콘(epitaxial polycrystalline silicon) 박막의 인장강도를 측정하였다.
동전형 시험기를 개발하였다. 개발된 시편과 시험기를 이용하여 박막의 정적 및 피로 시험을 손쉽게 수행하는 절차(procedure)를 개발하였다. 개발된 시편 및 시험기를 이용하여 에피폴리실리콘(epitaxial polycrystalline silicon) 박막의 인장강도를 측정하였다.
그리고 시편 형상을 만들기 위해서 사진 공정을 한다. 다음 시험할 대상 재료를 재료에 맞는식각 방법을 통해서 시편 형상으로 만든다. 그리고, 시편을 보호하기 위해서 웨이퍼 앞면에 PR(photo resist)를 코팅(coating)한 후 보강을 위해서 더미(dumi应) 웨이퍼를 앞면에 붙인다.
그러나 가공 상의 오차는 피할 수가 없을 것이다. 따라서 본 연구에서는 Fig. 6 과같이 8 개의 스프링을 사용해서 대칭구조로 만들어 줌으로써, 제작 시 발생하는 약간의 가공오차가 있더라도 플랫폼 B가 수평 변위 없이 직진 운동을 하도록 하였다.
따라서, 본 연구에서도 박막의 인장 시험을 편리하게 할 수 있도록 시험편의 구조를 설계/제작하고, 인장 시험을 할 수 있는 시험기를 전자기력을 이용한 동전형 시험기를 개발하였다. 개발된 시편과 시험기를 이용하여 박막의 정적 및 피로 시험을 손쉽게 수행하는 절차(procedure)를 개발하였다.
예비 피로시험에서도 Table 1의 3의, 즉 폭이 150呻 의 시편이 사용되었다. 본 연구에서 제안한 시편장착 방법으로, 즉 사전에 제작된 구멍과 핀을 이용하여 정렬한 후 연결부를 절단하는 방법으로 시편을 장착하는 방법으로, 총 9개의 중시편 중 7개의 시편을 성공적으로 장착하여 인장시험을 수행할 수 있었다. 따라서 본 연구에서 제안한 시편 장착 방법의 활용성을 확인할 수 있었다.
시험기의 구동기로 기존의 박막 시험기에 많이 사용되는 압전재 대신 보이스 코일(voice coil)을이용한 동전형 구동기를 활용하므로써, 하중 제어가 용이하여 금속 박막을 높은 주파수에서의 피로시험이 가능하도록 하였다. 개발된 시편과 시험기를 이용하여 에피폴리실리콘의 인장시험을 수행하였고 높은 주파수의 피로시험의 가능성을 확인할 수 있었다.
8은 위의 시편 장착 과정을 흐름도의 형태로 보여준다. 위의 과정을 통하여 시험편의 장착이 모두 완료되면 광학 현미경을 통해서 시험 편의 손상 여부를 최종 확인 후 인장 또는 피로 시험을 수행한다.
시험기는 컴퓨터를 통하여 전압 신호를 보내면 전압을 전류를 변환하고 증폭하는 기기를 통해서 전류가 보이스코일에 인가되면 작동한다. 이와 동시에 액추에이터 반대편의 로드 셀을 이용하여 하중을 측정하고 정전용량형 변위 센서를 이용하여 변위를 측정한다.
그리고, 시험편의 체결 부에 체결 판을 덮고 볼트를 이용하여 조여 준 후 시험기의 액츄에이터를 원상 복귀 시켜 부가된 인장 하중을 제거한다. 측면 지지부의 제거를 위하여 고안된 브릿지 커터(cutter)는 시험편 좌우에 브릿지로 연결된 지지부(side support strip)를 동시에 제거 하도록 설계되었다. 이때, 브릿지는 큰 하중의 인가 없이 쉽게 제거되도록 70% 깊이로 식각되어 있기 때문에 시편 손상 없이 지지부를 제거할 수 있었다.

대상 데이터

Fig. 1과 같은 형상의 47개 시편이 4 인치 {100} 실리콘 웨이퍼에 동시에 가공되었다. Fig.
본 연구에서는 Fig. 4와 같이 자장 발생 부와 구동 코일을 시판되고 있는 음향 스피커(speaker)에 사용되고 있는 부품을 이용하기로 하였다.
예비 시험을 수행하였다. 인장 시험에 사용된 시편은 총 7개이며, 시편 크기는 Table 1의 3 의 경우, 즉 시편 폭이 150nm 이고 두께는 llfim 이다. 예비 피로시험에서도 Table 1의 3의, 즉 폭이 150呻 의 시편이 사용되었다.

성능/효과

가능하도록 하였다. 개발된 시편과 시험기를 이용하여 에피폴리실리콘의 인장시험을 수행하였고 높은 주파수의 피로시험의 가능성을 확인할 수 있었다.
이 그림으로부터 2(X)Hz까지 피로시험이 신호의 왜곡이 없이 잘 수행되고 있음을 알 수 있다. 그러나 동전형 시험기의 특성인 주파수가 증가하면 같은 전류에서 신호의 진폭이 작아진다는 것을 또한 확인할 수 있었다.
본 연구에서 제안한 시편장착 방법으로, 즉 사전에 제작된 구멍과 핀을 이용하여 정렬한 후 연결부를 절단하는 방법으로 시편을 장착하는 방법으로, 총 9개의 중시편 중 7개의 시편을 성공적으로 장착하여 인장시험을 수행할 수 있었다. 따라서 본 연구에서 제안한 시편 장착 방법의 활용성을 확인할 수 있었다.
새롭게 고안된 시편 형상은 체결 (gripping) 과 중심잡기 (alignment)가 용이하여 시편을 시험기에 장착하는 시간과 노력을 줄일 수 있었고, 특히 시편을 시험기에 장착 후 시편과 지지부를 연결하는 연결부들을 절단하는 방식으로 지지부를 제거할 때 약 78%의 시편을 사전 손상이 없이 시험을 진행할 수 있었다.

참고문헌 (9)

Johansson, S., Schweitz, J. A., Tenez, L. and Tiren, J., 1988, 'Fracture Testing of Silicon Micro-Elements in Situ in a Scanning Electron Microscope,' J. Appl. Phys. 62 (10), pp. 4799-4803

상세보기
Komai, K., Minoshima, K., Tawara, H., Inoue, S. and Sunako, K., 1994, 'Development of Mechanical Testing Machine for Micro-Elements and Fracture Strength Evaluaion of Single-Crystalline Sislicon Micro-Elements,' Trans. Jpn. Sco., Mech. Eng. A 60- 569, pp. 52-58
Bromley, E. I., Randall, J.N., Flanders, D.C. and Mountain, R.W., 1983, 'A Techniqu for the Determination of Stress in Thin-Films,' J. Vac. Sci. Technol. B 1 (4), pp. 1364-1366

상세보기
Tabata, O., Kawashata, K., Sugiyama, S. and Igarashi, I., 1989, 'Mechanical Property Measurement of Thin-Films Using Load-Deflection of Composite Rectangular Membrane,' in:Proceedings of the IEEE Micro-Electro Mechanical Systems Workshop, pp. 152-156
Sharpe Jr., W.N., Yuan, B., Vaidyanathan, R. and Edwards, R. L., 1997, 'Measurement of Young's Modulus, Poisson's Ratio, and Tensile Strength of Polysilicon,' in:Proceedings of the IEEE MEMS '97, pp. 424-429
Tsuchiya, T., Tabata, O., Sakata, J. and Taga, Y., 1997, 'Specimen Size Effect on Tensile Strength of Surface Micro-Machined Polycrystalline Silicon Thin-Films,' in:Proceedings of the IEEE MEMS '97, pp. 529-534
Cunningham, S.J., Suwito, W. and Read, D.T., 1995, 'Tensile Testing of Epitaxial Silicon Films,' Technical Digests of Transducers '95, pp. 96-99
Jones, R. V., 1951, 'Parallel and Rectilinear Spring Movements,' Journal of Scientific Instrumentationk, 28, pp. 38-41

상세보기
Mohamed Gad-El-Hak, 2001, The MEMS handbook, CRC press

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

[국내논문] 박막의 기계적 물성을 위한 새로운 인장 시편 및 인장 시험기
A Novel Tensile Specimen and Tensile Tester for Mechanical Properties of Thin Films 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

성능/효과

참고문헌 (9)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

연관된 기능

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

[국내논문] 박막의 기계적 물성을 위한 새로운 인장 시편 및 인장 시험기 A Novel Tensile Specimen and Tensile Tester for Mechanical Properties of Thin Films 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

성능/효과

참고문헌 (9)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

박준협 (16) 김윤재 (143)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

연관된 기능

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

[국내논문] 박막의 기계적 물성을 위한 새로운 인장 시편 및 인장 시험기
A Novel Tensile Specimen and Tensile Tester for Mechanical Properties of Thin Films 원문보기

AI 본문요약
AI-Helper