研究紹介:マルチスケールシミュレーションの半導体強度問題への応用

「時間・空間スケールをつなぐマルチスケールシミュレーションの開発と材料強度問題への応用」

 有限要素法・転位動力学・分子動力学・電子状態計算を組み合わせたマルチスケールシミュレーションの開発を行っています。特に、時間スケールと空間スケールのギャップの問題を克服する手法開発に主眼を置いています。開発されたシミュレータは、半導体分野や電子デバイス分野の転位生成/進展現象・剥離現象などに応用されています。
 マクロスケール(連続体)とナノスケール(原子系)をつなぐためには、mからnmsecからnsecまでの9桁のギャップを克服しなけばなりません。
空間スケールの克服のためには、有限要素法-分子動力学シミュレータを開発し、薄膜の剥離問題へと適用しています。図1はナノインデンテーションによる薄膜の剥離試験モデルで、下部が有限要素法でモデル化されています。図2は、計算結果であり、実験と同様の位置で剥離が起こっています[1]
 時間スケールの克服のためには、Nudged Elastic Band法に基づいた反応経路探索の手法開発と応用を行っています。図3は、シリコンのコーナーからの転位生成問題へ適用した例で臨界応力時(Athermal stress)の転位発生例です[2]。図4は、転位生成の活性化エネルギの応力依存曲線であり、正解で初めて、Shuffle-set転位((111)面の広いほうの平面に位置する転位)とGlide-set転位((111)面の狭いほうの平面に位置する転位)の比較を可能にし、低温・高応力ではShuffle-set転位、高温・低応力ではGlide-set転位が生成する実験結果を理論的に支持する結果を得ました[3]。さらに、この結果を転位動力学と組み合わせることによって、その後の進展・増殖課程を扱うことが出来ます(図5)[4]

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図1 ナノインデンテーションによる薄膜の剥離試験のFEM-MDモデル




図2 ナノインデンテーションによる薄膜の剥離シミュレーション結果



3 シリコンのコーナーからの転位生成の分子動力学計算


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図4 転位生成の活性化エネルギの応力依存曲線(Glide-set転位とShuffle-set転位の違い)


図5 半導体素子の転位動力学シミュレーション

参考
文献
[1] S. Hara, T. Kumagai, S. Izumi, S. Sakai, “Multiscale analysis on the onset of nanoindentation-induced delamination: Effect of high-modulus Ru overlayer”, Acta Materialia 57 (2009) pp. 4209-4216.
[2] Satoshi. Izumi, Sidney. Yip, “Dislocation Nucleation from a Sharp Corner in Silicon”, J. Appl. Phys. 104 (2008) 033513.
[3] K. Shima, S. Izumi and S. Sakai, “Reaction Pathway Analysis for Dislocation Nucleation from a Sharp Corner in Silicon: Glide Set versus Shuffle Set”, J. Appl. Phys. Submitted.
[4] S. Izumi, T. Miyake, S. Sakai, H. Ohta, “Application of three-dimensional dislocation dynamics simulation to the STI semiconductor structure”, Materials Science Engineering A, 395,1-2 (2005) pp.62-69.

研究紹介:ボルト・ナット締結体の有限要素法解析~剛性・ゆるみへの問題適用

ボルト・ナット締結体のトラブルは21世紀を迎えた現代でも絶えることはありません。当研究室では、有限要素法解析(幾何学的非線形接触摩擦解析)により、ボルトのゆるみをシミュレーションすることに近年成功しました。現在では、締結体の剛性とゆるみのメカニズムについての理論的解明に至っています。

 当研究室ではこの技術を使って、企業との様々な共同研究を行ってきました。本技術を産業界にさらに移転するための相談・議論・共同研究の希望などを受け付けております。気軽にご相談ください。 

 詳細は、ボルトの研究紹介ページをご覧ください。

http://www.fml.t.u-tokyo.ac.jp/~izumi/Bolt/

ボルト・ナットのゆるみのシミュレーション(コンターは横方向変位)


ボルト・ナットの締め付けのシミュレーション(コンターは軸方向応力)



ボルト・ナットのゆるみのシミュレーション




 

ブリジストン

今年からブリジストンと共同研究を行うため、
小平の研究所へ行ってきました。

世界最大のタイヤだそうです。400tのダンプ用だそうです。

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