先進MEMSデバイスの三次元複雑構造と破壊の超高分解能X線CTによる可視化

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サブミクロンの超高分解能を有するシンクロトロン放射光X線コンピューティッド・トモグラフィー(以下、CT)により、デバイスなどの微小材料に損傷が入った場合の観察、解析を実施した。き裂の実際の局所進展駆動力(き裂前縁に添う各き裂先端位置でのモードI、II、III進展駆動力)を3D、In-situ、かつ高密度(1ミクロン以下の間隔)で測定出来る手法を開発した。これは、数百点のミクロ組織特徴点の同時追跡を行う方法や、4-D画像の解析を行う事で実現している。これまでは、光弾性法、モアレ縞干渉法、コースティック法などの特殊試験技術を用いても、従来は試験片表面しか測定できなかった測定が、材料内部に適用できるようになった。一般に、き裂の局所進展駆動力は、マクロな負荷応力だけではなく、き裂偏向、損傷発生、き裂閉口現象などの各種応力遮蔽/反遮蔽効果の寄与が、現実の材料のミクロ組織構造のために複雑かつ顕著に影響する。そこで、開発した手法をデバイスを模したマイクロマテリアルを伝播するき裂に適用した。実験はSPring-8のイメージング用ビームラインであるBL20XUおよびBL47XUにて行い、その有効性を検証した。各き裂先端位置で得られた真の局所進展駆動力の発現機構を解析し、き裂の偏向、微視的な損傷、き裂閉口現象などによる各種応力遮蔽/反遮蔽効果の寄与分を、三次元的かつ定量的に明らかにすることができた。これに加え、マイクロマテリアルとその内部の亀裂をCT画像から解析モデルにコンバートし、数値解析を行う手法を開発した。そして、実際にデバイスを模した微小なアルミニウムサンプルに適用し、内部組織の影響などを明らかにした。