Crecimiento lento de grietas en el silicio monocristalino

Área de la Ciencia:

• Ciencia de los materiales Ciencia de los materiales.
• Ingeniería Mecánica Ingeniería Mecánica.
• Mecánica de los Sólidos Mecánica de los Sólidos

Sus antecedentes:

• El crecimiento de grietas dependiente del tiempo es un factor crítico en la confiabilidad a largo plazo de los materiales y dispositivos.
• La comprensión de los mecanismos de propagación de grietas en el silicio es esencial para los sistemas microelectromecánicos (MEMS) y la fiabilidad de los semiconductores.
• Estudios anteriores se han centrado en materiales macroscópicos, con menos datos disponibles para las estructuras de silicio a nanoescala.

Objetivo del estudio:

• Para medir el crecimiento de grietas dependiente del tiempo en un haz cantilever de silicio monocristalino en resonancia.
• Para correlacionar el crecimiento de grietas con cambios en la frecuencia de resonancia del haz.
• Investigar los posibles mecanismos de falla e implicaciones para la confiabilidad de los dispositivos de silicio.

Principales métodos:

• Un haz en voladizo de silicio monocristalino precracked (75 micrómetros de largo) fue excitado en su frecuencia de resonancia.
• La longitud de la grieta fue monitoreada mediante la observación de cambios en la frecuencia de resonancia del haz.
• Las tasas de crecimiento de grietas se midieron utilizando un aparato de alta sensibilidad capaz de detectar propagación de grietas extremadamente lenta.

Principales resultados:

• Se midieron tasas de crecimiento de grietas en estado estacionario tan bajas como 2,9 x 10 (−13) m/s.
• La configuración experimental puede detectar tasas de crecimiento de grietas de hasta 10-15 m/s.
• Los cambios en la frecuencia de resonancia se correlacionan directamente con la longitud de grieta medida, validando la técnica de medición.

Conclusiones:

• La fatiga estática de la capa de sílice superficial nativa se postula como el mecanismo principal para el crecimiento de grietas en el silicio.
• Estos hallazgos demuestran un fallo dependiente de la velocidad en los dispositivos de silicio y la aplicabilidad de la mecánica de la fractura elástica lineal a dispositivos a microescala.
• El crecimiento lento de las grietas debe considerarse en la evaluación de la confiabilidad de las estructuras de silicio de película delgada y MEMS.