Nanoindentation Experiments on MEMS Device

The elastic moduli or fracture strengths of multi-layered film (SiO$_2$/po1y-Si/SiN/SiO$_2$, 2.77 $\mu\textrm{m}$ thick), CVD diamond film (1.6 $\mu\textrm{m}$ thick), SiO$_2$ film (1.0 $\mu\textrm{m}$ thick) and SiN film (0.43 $\mu\textrm{m}$ thick) made for the membrane of ink-jet printer head were measured with cantilever beam bending method using nanoindenter after fabricating in the form of micro cantilever beam (${\mu}$-CLB). And the elastic moduli of ${\mu}$-CLB of SiO$_2$ film and SiN film were compared with the value of each film on silicon substrate determined with nanoindentation method. The results showed that the modulus and strength of multi-layered film decrease from 68.08 ㎬ and 2.495 ㎬ to 56.53 ㎬ and 1.834 ㎬, respectively as the width of CLB increases from 18.5 $\mu\textrm{m}$ to 58.5 $\mu\textrm{m}$. And the elastic moduli of SiO$_2$ and SiN films measured with ${\mu}$-CLB bending method are 68.16 ㎬ and 215.45 ㎬, respectively and the elastic moduli of these films on silicon substrate measured with nanoindentation method are 98.78 ㎬ and 219.38 ㎬, respectively. These results show that with ${\mu}$-CLB bending technique, moduli can be measured to within 2%.

Nanoindenter를 이용한 MEMS 제품의 기계적 특성 측정

잉크젯 프린터 헤드용 기능성 막으로 많이 활용하고 있는 다층박막(SiO$_2$/poly-Si/SiN/SiO$_2$, 두께, 2.77 $\mu\textrm{m}$)과 다이아몬드 박막(두께, 1.6 $\mu\textrm{m}$)을 미소 외팔보($\mu$-CLB) 형태로 가공한 후 nanoindenter를 이용한 굽힘 시험 방법으로 탄성계수와 굽힘 강도를 측정하였으며 다층막을 이루는 박막 중 SiO$_2$ 박막(두께, 1 $\mu\textrm{m}$)과 SiN 박막(두께, 0.43 $\mu\textrm{m}$)의 탄성계수를 미소 외 팔보 굽힘 시험 방법과 nanoindentation 방법으로 측정한 후 그 결과를 비교하였다. 미소 외팔보 굽힘 시험방법으로 측정한 다층막의 탄성계수와 파괴강도는 외팔보의 폭이 18.5 $\mu\textrm{m}$에서 58.5 $\mu\textrm{m}$로 증가함에 따라 각각 68.08 ㎬과 2.495 ㎬에서 56.53 ㎬과 1.834 ㎬로 감소하였다. SiO$_2$ 박막의 탄성계수 측정값은 외팔보의 폭이 29.6$\mu\textrm{m}$ 와 59.5 $\mu\textrm{m}$ 범위에서 변하여도 영향을 받지 않고 68.16$\pm$0.942 ㎬이었으며, SiN 박막의 탄성계수는 215.45 ㎬이었다. Nanoindentation 방법으로 측정한 SiO$_2$ 박막과 SiN 박막의 탄성계수는 각각 98.78 ㎬, 219.38 ㎬이었다. 이 결과로부터 미소 외팔보 굽힘 시험방법으로 측정한 박막의 탄성계수가 nanoindentation 방법으로 측정한 탄성계수와 2% 미만의 차이를 보이며 일치함을 알 수 있었다.