Россия
УДК 621.3 Электротехника
В данной обзорной статье рассматриваются методы измерения основных механических свойств тонких пленок: испытание на растяжение, индентирование, оценка запаса механической прочности по кривизне системы пластина - тонкая плёнка, контроль выдуванием за счёт подачи избыточного давления, исследование с использованием деформированного и резонансного кантилевера. В процессе критического анализа отечественных и зарубежных литературных источников выявлены преимущества и недостатки методов, объяснена мотивация авторов для проведения подобных исследований. В дополнении к существующим широко используемым методам приведена оригинальная и относительно новая методика — использование электрического тока в качестве контролируемого средства приложения термомеханических напряжений к электрическим проводникам для характеристики их усталостного поведения. Также указаны подходы для повышения механической прочности тонких плёнок.
механические свойства, прочность, предел текучести, механические напряжения, модуль Юнга, размер зерна, усталость материала, тонкие плёнки, дефекты, деформация, МЭМС
1. Technique for Analyzing Volumetric Defects Using Digital Elevation Model of a Surface / A.A. Dedkova, I.V. Florinsky, E.E. Gusev [et. al.] // Russian Journal of Nondestructive Testing. - 2021. - Vol. 57(11). - Pp. 1000-1007. - DOI:https://doi.org/10.31857/S01303082211100.
2. Fonseca, D.J. On MEMS Reliability and Failure Mechanisms / D.J. Fonseca, M. Sequera // International Journal of Quality, Statistics and Reliability. - 2011. - P. 1-7. - DOI:https://doi.org/10.1155/2011/820243.
3. Microelectromechanical System Sensor Market by Type and Application: Global Opportunity Analysis and Industry Forecast, 2019-2026, Allied Market Research. - URL: Microelectromechanical System Market by Type, and Application: Global Opportunity Analysis and Industry Forecast, 2019-2026 (researchandmarkets.com) (дата обращения: 07.07.2022).
4. Microelectromechanical Systems for Nanomechanical Testing: Electrostatic Actuation and Capacitive Sensing for High-Strain-Rate Testing / C. Li, D. Zhang, G. Cheng, Y. Zhu // Experimental Mechanics. - 2020. - Vol. 60. - P. 329-343. - DOI:https://doi.org/10.1007/s11340-019-00565-5.
5. Khan, N. Design and development of a MEMS butterfly resonator using synchronizing beam and out of plane actuation / N. Khan, M.J. Ahamed // Microsystem Technologies. - 2020. - Vol. 26. - Pp. 1643-1652. - DOI:https://doi.org/10.1007/s00542-019-04705-8.
6. Thermal Management Using MEMS Bimorph Cantilever Beams / R.A. Coutu Jr, R.S. LaFleur, J.P.K. Walton [et al.] // Experimental Mechanics. - 2016. - Vol. 56. -Pp. 1293-1303. - DOI:https://doi.org/10.1007/s11340-016-0170-1.
7. Size Effects of Hardness and Strain Rate Sensitivity in Amorphous Silicon Measured by Nanoindentation / D.M. Jarząbek, M. Milczarek, S. Nosewicz [et al.] // Metall Mater Trans A. - 2020. - Vol. 51. - Pp. 1625-1633. - DOI:https://doi.org/10.1007/s11661-020-05648-w.
8. Rosenmayer, C.T. Mechanical Testing of Thin Films / C.T. Rosenmayer, F.R. Brotzen, R.J. Gale // MRS Online Proceedings Library. - 1988. - Vol. 130. - Pp. 77-86. - DOI:https://doi.org/10.1557/PROC-130-77.
9. Brotzen, F.R. Mechanical testing of thin films / F.R. Brotzen, S. Moore // International Materials Reviews. - 1994. - Vol. 39. Pp. 24-45. - DOI:https://doi.org/10.1179/095066094790150973.
10. Tensile Properties of FreeStanding Aluminum Thin Films / D.T. Read, Y.W. Cheng, R.R. Keller, J.D. McColskey // Scripta Materialia.- 2001. - Vol. 45 (5). - Pp. 583-589.
11. A New Method for Tensile Testing of Thin Films / J.A. Ruud, D. Josell, F. Spaepen, A.L. Greer // Journal of Materials Research. - 1993. - Vol. 8(1). - Pp. 112-117. - DOI:https://doi.org/10.1017/S0884291400120412.
12. Espinosa, H.D. Plasticity Size Effects in Free-Standing Submicron Polycrystalline FCC Films Subjected to Pure Tension / H.D. Espinosa, B.C. Prorok, B. Peng // Journal of the Mechanics and Physics of Solids. - 2004. - Vol. 52(3). - Pp. 667-689. - DOI:https://doi.org/10.1016/J.JMPS.2003.07.001.
13. Haque, M.A. Deformation Mechanisms in Free-Standing Nanoscale Thin Films: A Quantitative in situ Transmission Electron Microscope Study / M.A. Haque, M.T.A. Saif // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. - 2004. - Vol. 101(17). - Pp. 6335-6340. - DOI:https://doi.org/10.1073/PNAS.0400066101.
14. Ruoff, A.L. The Fracture and Yield Strengths of Diamond, Silicon and Germanium / Ruoff, A.L. // High-Pressure Science and Technology. Springer, Boston, MA, 1979. - Pp. 1557-1580. - DOI:https://doi.org/10.1007/978-1-4684-7470-1_194.
15. Vanlandingham, M.R. Review of Instrumented Indentation / M.R. Vanlandingham // Journal of Research of the National Institute of Standards and Technology. - 2003. - Vol. 108(4). - Pp. 249-265. - DOI:https://doi.org/10.6028/jres.108.024.
16. Marchesini, O. Vickers Indentation Curves of Magnesium-Oxide (MgO) / O. Marchesini, G. Meille // Journal of Tribology-Transactions of the ASME. - 1984. - Vol. 106(1). - Pp. 43-48. - DOI:https://doi.org/10.1115/1.3260865.
17. Doerner, M.F. A Method for Interpreting the Data from Depth-Sensing Indentation Measurements / M.F. Doerner, W.D. Nix // Journal of Materials Research. - 1986. - Vol. 1(4). - Pp. 601-616. - DOI:https://doi.org/10.1557/JMR.1986.0601.
18. Oliver, W.C. An Improved Technique for Determining Hardness and Elastic-Modulus Using Load and Displacement Sensing Indentation Experiments / W.C. Oliver, G.M. Pharr // Journal of Materials Research. - 1992. - Vol. 7(6). - Pp. 1564-1583. - DOI:https://doi.org/10.1557/JMR.1992.1564.
19. King, R.B. Sliding Contact Stresses in A Two-Dimensional Layered Elastic Half-Space / R.B. King, T.C. Osullivan // International Journal of Solids and Structures. - 1987. - Vol. 23(5). - Pp. 581-597. - DOI:https://doi.org/10.1016/0020-7683(87)90019-9.
20. Tsui, T.Y. Influences of Stress on the Measurement of Mechanical Properties Using Nanoindentation: Part 1. Experimental Studies in an Aluminum Alloy / T.Y. Tsui, W.C. Oliver, G.M. Pharr // Journal of Materials Research. - 1996. - Vol. 11(3). - Pp. 752-759. - DOI:https://doi.org/10.1557/JMR.1996.0091.
21. Bolshakov, A. Influences of Stress on the Measurement of Mechanical Properties Using Nanoindentation: Part 2. Finite Element Simulations / A. Bolshakov, W.C. Oliver, G.M. Pharr // Journal of Materials Research. - 1996. - Vol. 11(3). - Pp. 760-768. - DOI:https://doi.org/10.1557/JMR.1996.0092.
22. Hainsworth, S.V. Analysis of nanoindentation load-displacement loading curves / S.V. Hainsworth, H.W. Chandler, T.F. Page // Journal of Materials Research. - 1996. - Vol. 11(8). - Pp. 1987-1995. - DOI:https://doi.org/10.1557/JMR.1996.0250.
23. Berriche, R. Vickers Hardness from Plastic Energy / R. Berriche // Scripta Metallurgica et Materialia. - 1995. - Vol. 32(4). - Pp. 617-620. - DOI:https://doi.org/10.1016/0956-716X(95)90847-D.
24. Li, X. D.; Bhushan, B. A Review of Nanoindentation Continuous Stiffness Measurement Technique and Its Applications / X.D. Li, B. Bhushan // Materials Characterization. - 2002. - Vol. 48(1). - Pp. 11-36. - DOI:https://doi.org/10.1016/S1044-5803(02)00192-4.
25. Хохлова, Ю. Индентирование от макро- до нано- и примеры исследований свойств материалов с особой структурой / Ю. Хохлова, М. Хохлов // Paton Electric Welding Institute of NAS of Ukraine. - 2016. - № 12. - DOI:https://doi.org/10.13140/RG.2.2.22072.96008.
26. Игнатович, С.Р. Определение микромеханических характеристик поверхности материалов с использованием наноиндентометра «Микрон-гамма» / С.Р. Игнатович, И.М. Закиев, В.И. Закиев // Вестник Харьковского национального автомобильно-дорожного университета. - 2008. - Т. 42. - С. 86-89.
27. ГОСТ Р 8.748-2011. Государственная система обеспечения единства измерений. Металлы и сплавы. Измерение твердости и других характеристик материалов при инструментальном индентировании. Часть 1. Метод испытаний : дата введения 2011.12.13. - Москва : Стандартинформ, 2013. - 28 с.
28. Oliver, W.C. Mesurement of hardness and elastic modulus by instrumented indentation: Advances in understanding and refinements to methodology / W.C. Oliver, G.M. Pharr // Journal of Materials Research. - 2004. - Vol. 19, № 1. - DOI:https://doi.org/10.1557/jmr.2004.19.1.3.
29. Size Effects of Hardness and Strain Rate Sensitivity in Amorphous Silicon Measured by Nanoindentation / D.M. Jarzabek, M. Milczarek, S. Nosewicz [et al.] // Metallurgical and Materials Transactions A. - 2020. - Vol. 51. - Pp. 1625-1633. - DOI:https://doi.org/10.1007/s11661-020-05648-w.
30. Freund, L.B. Thin Film Materials: Stress, Defect Formation and Surface Evolution / L.B. Freund, S. Suresh // Cambridge University Press: Cambridge, 2003. - 820 p.
31. Ohring, M. Materials Science of Thin Films, Deposition and Structure / M. Ohring // Academic Press: San Diego, CA, 2002. - 808 p.
32. Nix, W.D. Mechanical-Properties of Thin-Films / W.D. Nix // Metallurgical Transactions A. - 1989. - Vol. 20(11). - Pp. 2217-2245. - DOI:https://doi.org/10.1007/BF02666659.
33. Jankowski, A.F. Effects of Deflection on Bulge Test Measurements of Enhanced Modulus in Multilayered Films / A.F. Jankowski, T. Tsakalakos // Thin Solid Films. - 1996. - Vol. 291. - Pp. 243-247. - DOI:https://doi.org/10.1016/S0040-6090(96)09031-1.
34. Small, M.K. Analysis of the Accuracy of the Bulge Test in Determining the Mechanical-Properties of Thin-Films / M.K. Small, W.D. Nix // Journal of Materials Research. - 1992. - Vol. 7 (6). - Pp. 1553-1563. - DOI:https://doi.org/10.1557/JMR.1992.1553.
35. Liechti, K. M. Large-Scale Yielding in Blister Specimens / K.M. Liechti, A. Shirani // International Journal of Fracture. - 1994. - Vol. 67 (1). - Pp. 21-36. - DOI:https://doi.org/10.1007/BF00032362.
36. Pressure and friction dependent mechanical strength - cracks and plastic flow / D.A. Wiegand, B. Redingius, K. Ellis, C. Leppard // International Journal of Solids and Structures. - 2011. - Vol. 48, I. 11-12. - Pp. 1617-1629. - DOI:https://doi.org/10.1016/j.ijsolstr.2011.01.025.
37. Gusev, E. Investigating Mechanical Strength of Multilayer Membranes for MEMS Converters of Physical Quantities / Gusev, E., Dedkova, A. Djuzhev // Nanoindustry Russia. - 2018. - № 1. - Pp. 538-541. - DOI:https://doi.org/10.22184/1993-8578.2018.82.538.541.
38. Jinling, Y. Fracture Properties of LPCVD Silicon Nitride and Thermally Grown Silicon Oxide Thin Films from the Load-Deflection of Long Si3N4 and SiO2/Si3N4 Diaphragms / Y. Jinling, G. João, P. Oliver // Journal of Microelectromechanical Systems. - 2008. - Vol. 17, I. 5. - Pp. 1120-1134. - DOI:https://doi.org/10.1109/JMEMS.2008.928706.
39. Venkatraman, R. Separation of film thickness and grain boundary strengthening effects in Al thin films on Si / R. Venkatraman, J.C. Bravman, // Journal of Materials Research. - 1992. - Vol. 7, I. 8. - Pp. 2040-2048. - DOI:https://doi.org/10.1557/JMR.1992.2040.
40. Experimental Determination of Mechanical Properties of the Anode Cell of an X-Ray Lithograph / N. Djuzhev, E. Gusev, A. Dedkova [et. al.] // Technical Physics. - 2020. - Vol. 65(11). - Pp. 1755-1759. - DOI:https://doi.org/10.1134/S1063784220110055.
41. Petersen, K.E. Youngs Modulus Measurements of Thin-Films Using Micromechanics / K.E. Petersen, C.R. Guarnieri // Journal of Applied Physics. - 1979. - Vol. 50 (11). - Pp. 6761-6766. - DOI:https://doi.org/10.1063/1.325870.
42. Osterberg, P. M. M-TEST: A Test Chip for MEMS Material Property Measurement Using Electrostatically Actuated Test Structures / P.M. Osterberg, S.D. Senturia // Journal of Microelectromechanical Systems. - 1997. - Vol. 6 (2). - Pp. 107-118. - DOI:https://doi.org/10.1109/84.585788.
43. Mechanical Deflection of Cantilever Microbeams - A New Technique for Testing the Mechanical-Properties of Thin-Films / T.P. Weihs, S. Hong, J.C. Bravman, W.D. Nix // Journal of Materials Research. - 1988. - Vol. 3 (5). - Pp. 931-942. - DOI:https://doi.org/10.1557/JMR.1988.0931.
44. Mönig, R. Thermal Fatigue Testing of Thin Metal Films / R. Mönig, R.R. Keller, C.A. Volkert, // Review of Scientific Instruments. - 2004. - Vol. 75 (11). - Pp. 4997-5004. - DOI:https://doi.org/10.1063/1.1809260.
45. Microstructure Evolution During Alternating-Current-Induced Fatigue / R.R. Keller, R.H. Geiss, Y.-W. Cheng, D.T. Read // Proceedings of the International Mechanical Engineering Conference and Exposition 2004. - American Society of Mechanical Engineers, 2004. - Pp. 107-112.
46. Geiss, R.H. TEM Study of Dislocation Loops in Deformed Aluminium Films / R.H. Geiss, D.T. Read, R.R. Keller // Microscopy and Microanalysis. - 2005. - Vol. 11 (S02). - Pp. 1870-1871. - DOI:https://doi.org/10.1017/S1431927605508626.
47. Strain-Induced Grain Growth During Rapid Thermal Cycling of Aluminum Interconnects / R.R. Keller, R.H. Geiss, N. Barbosa [et al.] // Metallurgical and Materials Transactions A. - 2007. - Vol. 38 (13). - Pp. 2263- 2272. - DOI:https://doi.org/10.1007/s11661-006-9017-1.
48. The Effect of Ion Beam Etching on Mechanical Strength Multilayer Aluminum Membranes / E.E. Gusev, A.V. Borisova, A.A. Dedkova, A.A. Salnikov, V.Y. Kireev // 2019 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (EIConRus). - 2019. - Pp. 1990-1994. - DOI:https://doi.org/10.1109/eiconrus.2019.8657243.
49. Власов, А.И. Анализ влияния формы мембраны на механическую прочность и стабильность параметров МЭМС-сенсоров давления / А.И. Власов, Т.А. Цивинская, В.А. Шахнов // Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем (МЭС). - 2016. - № 4. - С. 65-70.
50. Microscopis strength of silicon partiles in an aluminium-silicon alloy / M.G. Mueller, M. Fornabaio, G. Zagar, A. Mortensen // Acta Materialia. - 2016. - Vol. 105(15). - Pp. 165-175. - DOI:https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.12.006.
51. Clemens, B.M. Structure and Strength of Multilayers / B.M.Clemens, H. Kung, S.A. Barnett // MRS Bulletin. - 1999. - Vol. 24. - Pp. 20-26. - DOI:https://doi.org/10.1557/S0883769400051502.
52. Morris, M.A. The effect of geometrically necessary dislocations on grain refinement during severe plastic deformation and subsequent annealing of Al-7% Si / M.A. Morris, I. Gutierrez-Urrutia, D.G. Morris, // Materials Science and Engineering A. - 2008. - Vol. 493. - Pp. 141-147. - DOI:https://doi.org/10.1016/j.msea.2007.07.096.
