Experimental and numerical studies of interfacial stress between dissimilar materials in a nano-scale area

• Project/Area Number: 17K06059
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Research Field: Materials/Mechanics of materials
• Research Institution: Kagoshima University
• Principal Investigator: Ikeda Toru 鹿児島大学, 理工学域工学系, 教授 (40243894)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2020-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000); Fiscal Year 2019: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000); Fiscal Year 2018: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2017: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000)
• Keywords: ミスフィット転位 / 特異応力場 / 異方性異種材界面角部 / ひずみシリコン / 限界薄膜厚さ / ミスフット転位 / 分子静力学 / 分子動力学 / 異方性弾性論 / 双晶 / エピタキシャル成長薄膜 / 界面応力 / 界面 / 超薄膜 / ナノ材料 / 分子シミュレーション

Outline of Final Research Achievements

Misfit dislocation is spontaneously introduced on the interface between dissimilar crystals which have different lattice constants to reduce the stress along the interface. Stress field around the misfit dislocation has 1/r stress singularity (r is the distance from a dislocation). We calculated the stress intensity factor of the singular stress around the misfit dislocation to investigate the strength of the stress singularity quantitatively.
We investigated the effect of the thickness of the thin film crystals on the singular stress field around the misfit dislocations for interfaces of Si-Ge and Si-SiGe using the molecular statics. In the case of Si-SiGe, the stress intensity factor of the singular stress around the misfit dislocation reduced with the decrease of the thickness of SiGe thin film when the thickness was less than 50 Angstrom.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

Siなどの基板の上に異種結晶をCVDなどで堆積して，この薄膜結晶を電子デバイスとして使用することや，薄膜結晶によって基板結晶に引っ張り応力を加えて，電子移動度を加速するなど，異種材薄膜結晶の形成は多くの電子デバイスで利用されている．しかし，薄膜結晶と基板結晶の格子定数の違いから，異種結晶界面に大きな応力が発生し，薄膜結晶を破壊することが大きな問題になっている．本研究は，異種結晶間に生じるミスフィット転位周りの特異応力の厳しさを定量的に解析し，薄膜結晶の破壊限界を定量的に明らかにすることにより，薄膜結晶の破壊を防ぐことで，これらのデバイスの信頼性を向上させることが期待できる．

Research Products

• [Journal Article] SOI-MOSデバイスの電気特性における機械的応力効果 (2020)
  • Author(s): 小金丸 正明，日高 和也，塩塚 航生， 池田 徹，松本 聡，宮崎 則幸
  • Journal Title: 日本機械学会 RC278研究分科会 研究報告書 Volume: - Pages: 319-328
• [Journal Article] 印刷有機薄膜トランジスタの電気特性における機械的応力効果 (2020)
  • Author(s): 小金丸 正明，中城 朋也，池田 徹，宍戸 信之，関根 智仁，神谷 庄司
  • Journal Title: 日本機械学会 RC278研究分科会 研究報告書 Volume: - Pages: 329-340
• [Journal Article] パワーデバイス用高耐熱樹脂の 低サイクル疲労強度評価 (2020)
  • Author(s): 池田 徹，長尾 元気，小金丸 正明，畑尾 卓也，加々良 剛志
  • Journal Title: 日本機械学会 RC278研究分科会 研究報告書 Volume: - Pages: 191-212
• [Journal Article] 熱応力下にある三次元異種材接合角部の応力拡大係数解析 (2020)
  • Author(s): 池田 徹，木之瀬 優孝，古賀 裕二， 鐙 優太，小金丸 正明
  • Journal Title: 日本機械学会 RC278研究分科会 研究報告書 Volume: - Pages: 261-286
• [Journal Article] A Proposal for Strain Measurement in Electronic Packages Using Phase-Shifted Sampling Moiré Method (2019)
  • Author(s): 小金丸 正明，長戸 翔，内野 正和，池田 徹
  • Journal Title: Journal of The Japan Institute of Electronics Packaging Volume: 22 Issue: 1 Pages: 95-102
  • DOI: 10.5104/jiep.22.95
  • NAID: 130007542198
  • ISSN: 1343-9677, 1884-121X
  • Year and Date: 2019-01-01
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Fatigue crack propagation rate of CFRP/aluminum adhesively bonded DCB joints with acrylic and epoxy adhesives (2018)
  • Author(s): Makoto Imanaka, Kiyoshi Ishii, Keisuke Hara, Toru Ikeda and Yosuke Kouno
  • Journal Title: International Journal of Adhesion and Adhesives Volume: 85 Pages: 149-156
  • DOI: 10.1016/j.ijadhadh.2018.06.003
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Evaluation of the Delimitation of Molding Resin in a Power Module under Thermal Cycle Test (2018)
  • Author(s): 川下隼介，七藏司優斗，池田徹，小金丸正明，外薗洋昭，浅井竜彦
  • Journal Title: Journal of Smart Processing Volume: 7 Issue: 4 Pages: 146-153
  • DOI: 10.7791/jspmee.7.146
  • NAID: 130007604980
  • ISSN: 2186-702X, 2187-1337
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 接着継ぎ手強度に与える，接着剤厚さの影響について (2019)
  • Author(s): 池田 徹
  • Organizer: 日本接着学会 研究会合同シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] 微小スズ試験片の結晶粒中のひずみ計測と結晶塑性理論による解析 (2019)
  • Author(s): 池田 徹，佐々木 拓海，小金丸 正明，柳瀬 篤志，奥村 大，苅谷 義治
  • Organizer: 日本機械学会年次大会
• [Presentation] パワーデバイス用封止樹脂の熱サイクル試験におけるはく離信頼性評価解析 (2019)
  • Author(s): 加々良 剛志, 中井戸 宙, 畑尾 卓也, 長尾 元気, 小金丸 正明, 池田 徹
  • Organizer: 日本機械学会第32回計算力学講演会（CMD2019）
• [Presentation] パワーモジュール用ワイヤボンド部の熱疲労寿命評価指標の検討 (2019)
  • Author(s): 大迫 徹, 瀬戸口 慶樹, 宍戸 信之, 小金丸 正明, 池田 徹, 葉山 裕, 宮崎 則幸
  • Organizer: 日本機械学会第32回計算力学講演会（CMD2019）
• [Presentation] パワーモジュール中における熱サイクル疲労と機械的疲労下での封止樹脂ー金属基板界面き裂の進展挙動 (2019)
  • Author(s): 長尾 元気, 池田 徹, 小 金丸 正明, 加々良 剛志, 中井戸 宙, 畑尾 卓也
  • Organizer: 日本機械学会第32回計算力学講演会（CMD2019）
• [Presentation] SOI-MOS デバイスの寄生バイポーラ領域における機械的応力効果のデバイスシミュレーション (2019)
  • Author(s): 塩塚 航生, 日高 和也, 小金丸 正 明, 松本 聡, 池田 徹, 宮崎 則幸
  • Organizer: 日本機械学会第32回計算力学講演会（CMD2019）
• [Presentation] Strain distribution in a small solder specimen with few crystal grains (2019)
  • Author(s): Toru Ikeda, Takumi Sasaki, Atsushi Yanase, Dai Okumura, Yoshiharu Kariya, Masaaki Koganemaru
  • Organizer: ASME 2019 InterPACK
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ナノスケールにおける異種材界面上のミスフィット転位周りの応力場評価 (2019)
  • Author(s): 中島 倫太郎, 城ノ下 航, 定松 直, 小金丸 正明, 池田 徹
  • Organizer: 日本機械学会M&M2019 材料力学カンファレンス
• [Presentation] 分子静力学法を用いた異方性異種材界面角部の等価き裂強度の推定 (2019)
  • Author(s): 鐙 優太, 木之瀬 優考, 小金丸 正明, 池田 徹
  • Organizer: 日本機械学会M&M2019 材料力学カンファレンス
• [Presentation] パワーモジュールにおける熱サイクル試験時の封止樹脂のはく離予測評価 (2019)
  • Author(s): 池田 徹，川下 隼介，七蔵司 優斗，小金丸 正明，外薗 洋昭，浅井 竜彦
  • Organizer: スマートプロセス学会，令和元年度学術講演会
  • Invited
• [Presentation] Analyses of Unified Fracture Parameters Describing the Singular Stress Around a Jointed Sharp 3D Interfacial Corner between Dissimilar Anisotropic Materials under Mechanical and Thermal Stress (2019)
  • Author(s): Toru Ikeda, Yutaka Kinose, Yuji Koga and Masaaki Koganemaru
  • Organizer: APCOM 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 三次元異方性異種材界面角部と二次元異方性異種材界面角部における特異性応力場の互換性の検証 (2018)
  • Author(s): 木之瀬優孝，池田徹，小金丸正明
  • Organizer: 日本機械学会M&M2018材料力学カンファレンス
• [Presentation] ナノスケールにおけるミスフィット転位が存在する異種材界面近傍の応力場評価 (2018)
  • Author(s): 城ノ下航，定松直，小金丸正明，池田徹
  • Organizer: 日本機械学会M&M2018材料力学カンファレンス
• [Presentation] Evaluation of scalar parameters of asymptotic solution of the singular stress field around a 3D interfacial corner between dissimilar materials (2017)
  • Author(s): Toru Ikeda, Yuji Koga, Yusuke Taguchi, Masaaki Koganemaru
  • Organizer: 14th International Conference on Fracture (ICF14)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Evaluation of Interfacial Fracture in Electronic Packages (2017)
  • Author(s): Toru Ikeda
  • Organizer: 19th International Conference on Electronics Materials and Packaging (EMAP2017)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] ナノスケールにおける Si-Ge 界面近傍のひずみ・応力場評価 (2017)
  • Author(s): 城ノ下 航，芝 健太，定松 直，小金丸 正明，池田 徹
  • Organizer: 日本機械学会 M＆M2017材料力学カンファレンス
• [Presentation] H-integral による熱応力下の三次元接合角部のスカラーパラメーター解析 (2017)
  • Author(s): 木之瀬 優孝，古賀 裕二，池田 徹，小金丸 正明
  • Organizer: 日本機械学会 M＆M2017材料力学講演会