Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Độ bền và sự gãy vỡ của các vi trụ Si: Một bài thử nghiệm vi nén mới dựa trên kính hiển vi điện tử quét
Tóm tắt
Một phương pháp mới cho các bài thử nghiệm vi nén bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) tại chỗ được giới thiệu. Việc quan sát trực tiếp SEM trong quá trình thử nghiệm nén được trang bị cho phép định vị và đánh giá cơ chế hỏng hóc một cách rất hiệu quả. Các bài thử nghiệm nén trên các vi trụ Si được gia công vi mô với thể tích xuống tới 2 μm3 được thực hiện bên trong SEM, và kết quả cho thấy tiềm năng của phương pháp này. Quan sát tại chỗ cho thấy rằng các trụ có đường kính nhỏ có xu hướng bị uốn cong trong khi các trụ lớn hơn có xu hướng nứt trước khi hỏng. Độ bền nén tăng lên khi đường kính trụ giảm và đạt gần 9 GPa cho các trụ có đường kính dưới vi mét. Kết quả này phù hợp với các thí nghiệm uốn trước đó trên Si. Các khó khăn liên quan đến việc đo biến dạng chính xác được thảo luận.
Từ khóa
#vi trụ Si #kính hiển vi điện tử quét #thử nghiệm vi nén #cơ chế hỏng hóc #độ bền nénTài liệu tham khảo
O. Kraft and C.A. Volkert: Mechanical testing of thin films and small structures. Adv. Eng. Mater. 3, 99 (2001).
E. Arzt: Overview No. 130—Size effects in materials due to microstructural and dimensional contraints: A comparative review. Acta Mater. 46, 5611 (1998).
F. Ericson and J.A. Schweitz: Micromechanical fracture strength of silicon. J. Appl. Phys. 68, 5840 (1990).
T. Tsuchiya, O. Tabata, J. Sakata, and Y. Taga: Specimen size effect on tensile strength of surface micromachined polycrystalline silicon thin films. J. Microeletromech. S 7, 106–113(1998).
W.N. Sharpe Jr., B. Yuan, R. Vaidyanathan, and R.L. Edwards: Measurements of Young’s modulus, Poisson’s ratio, and tensile strength of polysilicon, in Tenth Annual International Workshop on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS’ 97 Proc., IEEE, 1997), pp. 424–429.
O.M. Jadaan, N.N. Nemeth, J. Bagdahn, and W.N. Sharpe: Probabilistic Weibull behavior and mechanical properties of MEMS brittle materials. J. Mater. Sci. 38, 4087 (2003).
S. Greek, F. Ericson, S. Johansson, and J.A. Schweitz: In situ tensile strength measurement and Weibull analysis of thick film and thin film micromachined polysilicon structures. Thin Solid Films 292, 247 (1997).
T. Namazu, Y. Isono, and T. Tanaka: Evaluation of size effect on mechanical properties of single crystal silicon by nanoscale bending test using AFM. J. Microelectromech. Syst. 9, 450 (2000).
W. Weibull: A Statistical Theory of the Strength of Materials, 151 (Generalstabens Litografiska Anstalts Förlag, Stockholm, 1939), pp. 1–4.
M.D. Uchic, D.M. Dimiduk, J.N. Florando, and W.D. Nix: Sample dimensions influence strength and crystal plasticity. Science 305, 986 (2004).
N.E. Dowling: Mechanical Behavior of Materials Engineering Methods for Deformation, Fracture, and Fatigue, 2nd ed.Prentice Hall, Upper Saddle River, NJ, 1999).
E.J. Hearn: Mechanics of Materials an Introduction to the Mechanics of Elastic and Plastic Deformation of Solids and Structural Materials, 3rd ed. (Butterworth-Heinemann, Oxford, UK, 1999.
H.E. Read and G.A. Hegemier: Strain softening of rock, soil, and concrete—A review article. Mech. Mater. 3, 271 (1984).
A. Drescher and I. Vardoulakis: Geometric softening in triaxial tests on granular material. Geotechnique 32, 291 (1982).
I. Vardoulakis, J.F. Labuz, E. Papamichos, and J. Tronvoll: Continuum fracture mechanics of uniaxial compression on brittle materials. Int. J. Solids Struct. 35, 4313 (1998).
E. Hoek: Brittle failure of rock, in Rock Mechanics in Engineering Practice, edited by K.G. Stagg and O.C. Zienkiewicz (Wiley, London, UK, 1968), 99–124.
T. Namazu, Y. Isono, and T. Tanaka: Nano-scale bending test of Si beam for MEMS, in Proceedings of the IEEE Thirteenth Annual International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (IEEE, Miyazaki, Japan, 2000), pp. 205–210.
A.M. Fitzgerald, R.H. Dauskardt, and T.W. Kenny: Fracture toughness and crack growth phenomena of plasma-etched single crystal silicon. Sens. Actuators A Phys. 83, 194 (2000).
R. Ballarini, R.L. Muller, Y. Yin, H. Kahn, S. Stemmer, and A.H. Heuer: Fracture toughness of polysilicon microdevices: A first report. J. Mater. Res. 12, 915 (1997).
J.K. Bhardwaj and H. Ashraf: Advanced silicon etching using high density plasmas, in Micromachining and Microfabrication Process Technology edited by K.W. Markus (Proc. SPIE—Int. Soc. Opt. Eng., Austin, TX, 1995), pp. 224–233.
R. Rabe, J.M. Breguet, P. Schwaller, S. Stauss, F.J. Haug, J. Patscheider, and J. Michler: Observation of fracture and plastic deformation during indentation and scratching inside the scanning electron microscope. Thin Solid Films 469–470, 206 (2004).
H. Zhang, B.E. Schuster, Q. Wei, and K.T. Ramesh: The design of accurate micro-compression experiments. Scripta Mater. 54, 181 (2006).