½ 38 ½ 4 Vol. 38 No ADVANCES IN MECHANICS July 25, 2008

Transkript

1 ½ 38 ½ 4 Vol. 38 No ADVANCES IN MECHANICS July 25, 2008 â Æ º Ö * 1, î½ 2 à 2 1 Ë Í è, Ö è û, Ë , ý ¼«Å â ÆÖ ý à, ÒÅ Ù â Æ º Öý ýàß Â. ËÆíµ: ý â º àß, ý â /ïºñº Ö Í AFM (atomic force microscopy) àß, ý º ß, Ý â º ýàß, ý èæ Í º Í 4 «ß. ÅÓ ý Â, Å àß ó, û Å â Æº Ö à èå Â, Â Å Á Í áã. ³ â Æ, º Ö,,, 1 á â Ù, (MEMS/NEMS) Ý Í. Å íõì Ùïº, ³ (films) ù (lines/tubes) ù (islands/dots). Òáöê, Æö Ù â æ â. Å Æ, ³ ÑÞ. Å âö Đ Î Æº, Ùº Æ ç» ê, º., º ð â ðùµä è è. º ïð ð Æ ë ë ä ½Ǳ. Åº ä ½Ǳ ç, ÃǱ ó [1,2]., ǱÅ Ý ë ù â /, ê Å Æ º Ö ½ ý ñ. Ù â Æ, ³ Ãðº Ã. Ǳ, ù è ä ûë ä. Çð Ä º, º, Ù»ä º Ù µ. ³Ùº ½Ǳ Ò ³, àßǳ, Ô ¾Ã [3]. Á ð, á ö, ö Ǳ [4]. Ù â,, è ë Þ â. î, Î Í ó ³. ÇÅèÅ ý è, Åì ïº â Æ º,» Î ó Ã ½Å. Ù Æ, º º». Ä, â â ½Ǳè Ù ï Æ Æ [5].,»ìõ ½Ǳ û. ǱÅ è â ÇÃ ÃǱ, ÑÅ Ñº ý, û þú : , : Á ä ÇÝ Æ Þ ( ), 973 ÇÝ (2007CB707702) è Á Å á shangfl@mail.xjtu.edu.cn

2 ½ 38 ½Å. Å â «àß, ÅÍ 4 «àß. Ù Ë â, õ ½ ç ³. Ë½ ÄÝǱ ½ ù ô., ǱÁ â Æ º èæ Í ½ ½Ǳ. Ù â, ëù Æ Ë, ¾» ïº, Â æ, º èæ ½Ǳ Æ Æ Æ., Í» Í Ëßû» ½, Ð ÄÝ Í Í Æ. Ù â Þ â Æ, Ç ÑÅ / º èæ /ü º Í, Åµ èæ Í ½Ǳ. ¼«ýàß ³ Â î, Ǳ Å Åàß ó ù, â Æº ÖîĐ Â. Â Å Í ³ áã Í Â. Ì ð, â º Ã Ð Æ [6]., º Þ º, º Ò º ùº Ñ ö ç. ç Ùº [3], º Ö ½Ǳ, àß ð Ù ¼ï Ò. Òûþ, º ð Æ, è ðè Ò, Đ º º ù Ñ. º Æ, èù á. ð, º ê,, º Íî, è º Ò ÞǱè ( ù ), º. Ð ñ Æ Û, Ò í º, ø º Æ Æ Ö. º ð ûþ ùþ, ÆË Ñ ù, º, º, Æ. º Ö ǱðǱÅñ íõ º Æ Æ Ö. 2 º 2.1 àß Ù Æö Ù â Æ, ý ¾ó. ¹ ÂÃð»æ ½. ½ 2 Â Ãð Ý Ç., ê ÂÙ â, ÇðÝ Æ. 20 Î 80 ã, ÅÂ Å ½àß, º Ý (scratch) (indentation) ïé (peeling) «(bending) ºÓ (pull/topple) á (tape). Å ÍÅø º Öù ùùñ, ð Â, ý ö ³. Ãð, ýä Ùµ» æ, º Ö õ þ ë è. Ù, [7,8] Â Åè àß, ñ º. è (Type I) 1(a), Đ Ǳ mm. Ù Å Ǳ,» ë» Ùµ. Ð Æº, ½ à»æ û º. ó Æ ( MCTE-500) Í áøåç ½ ½, Þ½ Ç æ 10mN 5N, ëë ½ ù. ½ Æ, ûèõ ½ ½ -. ǱÅĐ º ð ëë ½ ÇÃ ÃǱ, ó ÇÅ è ½ è (Type II), 1(b). Type I Type II ý Ð º, º Æ» Õ. Ù å Î Æ º, Ä Ǳ» [8,9] σ ij = K r λ f ij (θ) (1) σ ij Ǳ º, (r, θ) Ǳº Á, K Ǳ Ö, λ Ǳ, f ij Ǳ Æ ø. Â º ëë, Ã Type I Type II ý º Ö Ì., Î Í Ù º Ã.

3 ½ 4 : â Æ º Ö Cu º Ǳ ð Í Æ, è ù Ù 1 µm. Ù ù ÑÞ Ñ, ðùµº. ý Cu ÆǱ û ë, ë Ë : 650µm Si (100) ïº 50nm Ó TiN, Pa è «Ùàßì Cu æ 500nm. ý Ç àß : ë /ïº Æ ĐǱ à, Â Ä Ä Äû Æ½ Ò è, ý èù ½ Ò. Ð ½ - Û, Ì ðè, Ùµ î, ½., è, ý Ǳ, Ú, ÄÝ Û Ý Æ. ½ Û ö «½ Ä, ê, Ù Cu/TiN º, ûè Ìº å, æ ý Ǳ. 2 Ǳ îǳìº Æ (500nm Cu º½ N Â, º ßÇ ). Û, º ð, Ð è,, ð º Æ Ôº ;, º Æ Đ,. Bogy 1 ý àß µ [9] º Â Đ, Ìº Ǳ ½ Type I Type II ý ýä, îº Æ «Ç,. 2 ǱÄ, Type I Type II ý r >500nm º Û, ð, º Ë, «Ç. Ǳ, Ë º Æ, ÇÃ (1) Ö K Ä, K = K c, K c Ǳè º. 2 º Æ Đ, Æ ë Ä, Ë ß. ß Đ ÃǱº., ø Ç

4 ½ 38 º, Ä îđ ½ ß. ù Ë ß àß, Þ [10] ¼«. ¹ ½ Û ö, Ä Æ íõïº ïºì» Þ ¾ ½, ù Ë ß. û ïºìõî «àå, ð º ù, Ð ù Ë ß. ÂÄ, Ì Cu º ß, Ǳ 250±16MPa. Ç ß ÃǱ, º Æ Ù 0.18, º Ö º Ǳ 2.8MPa m 0.18, Cu/TiN º [8]. 2.3 PZT º Pb(Zr,Ti)O 3 (ß PZT) ¾ Ù Í, êîù á Đ. Cu, PZT Æ Æ ðè Ý Æ Û Æ. Ð Û, PZT º Ö Ãê. ý PZT Æ Í Cr/PZT/PLT/Pt/Ti, í Ǳ 0.2/2.5/ 0.02/0.1/0.02µm, ïºǳ Si, Ǳ 520µm., PZT ð Í, ë àßì, 70 C, 180W. µ PZT Æ å Ò» (001) àå. Æ ë Þ [11]. àß, ë Å PZT ý, û MCTE-500 Æ ÑÅý. ½ - Ǳ, ½, ý Ǳ. ý «½ Ä, Ù Cr/PZT º, ûí Ì º ½; ý éùý, Ý Ý Æ. Ò Ç Ä, Ìº Ö, Ù [11,12]. ÙÝ, Ǳº, º Æ º., Ö K º ÇÃ, K = K c, º K c Ù 2.21MPa m ÙÝ, ÇÃĐ èå Ã. (1) Ö K ê, ö. Ù, K ö., Ù Cu/TiN º, K 100nm. Ǳ ð, Ðº ËĐ. ìõ, Í Î íõû Ú; (2) è ù º Ã, Ù K ÇÃð ß ð. ð, ù º ÆÎ Æ ï ³. Ǳ ð, K c ý Æ ³. Ä, û ðè ÇÃ., K ÇÃ ß Ù ìõ, Ǳè µ, á Ùµ Þ. Ù, Shang [13] ¼ï Ë º, Å, è Ú Ǳ Àó ÇÃ. ÂÄ, ü ó Ë º º Ä, ÍÅ Ä Æº Ö Í Á. Ù Cr/PZT, Ùº Ö, éùµ», º Á º Ý µò Ð Γ 0 =0.13J/m 2, º Í. â ýä [14,15], Ë º º ½, ÍÅ» º. Î Ë º ì Cu/TiN º Ð Ǳ 0.97J/m 2, 200nm «Ùì Au Si ïºñº Ð Ǳ 0.17J/m 2[15]. Å Ù âö ù Æ º º Í. Freund Suresh ùþ [10], º Í Ù 1J/m 2, Ö º Ã Ä 100J/m 2. 3 /ïº º Ö, ð Ô, Æù. ïº Ñº ù, Ǳ ç Í ä, Íä. â, /ïºñº ÖÃǱ. 3.1 àß ù ýì ïº (micro-island) º

5 ½ 4 : â Æ º Ö 441 Ö àß ûù 3 [16,17]. Ìý Å Û ö (atomic force microscopy, AFM, SPM-9500J) è å ½ è (Hysitron, Triboscope),» ½ å F l Ê àå F n å δ l Ê δ n., å ëë Ǳ 4nm, ½ æ 10µN 10mN. Ìá µ ÅèÅ ÂÃ, íµ Ææ ë ½ ÍÅ ½ Ý Ðïº Ð Ùµ Æ., ½ ù ïºä,. ¾Î ½ ïºä ù, F n ù., ½ æ, æ Ðïº Ð. ì ï ½Ǳ ÁÆ», ý Æ è ½. Æ Æìõ, ½ Ê ý. Å ë, Si/SiO 2 ïºä, Ò», Ç Ar Æ ô Cr æ Ô, ÅÂè Ã Á. Ǳ Đ ý º ÃǱ, ë Å», «ÁÆ«ÁÆ, 3 Û ð«á». Cr ÆǱ 500nm, Si ïº Ǳ 520µm, Ä Þ SiO 2 100nm. Cr Æ ½îÆðÙµ», Ǳ ý ö èåè, Ý Cr/SiO 2 º. 4 Ǳ Cr º å F l - å δ l., ½ Ǳ 10nm/s. ½ δ 1 = 220nm îǳ, á ½ ÆÇ æ a. a îǳ, δ 1 290nm, ½, Ä Ùµ, Ôùþ a ½ Ǳ º ½. î Þ Ííµ» ½., AFM ý Ä, û Æ Ðï ºïÐ º Cr/SiO 2. AFM Ä, ý ½ éùµ». 3 ï Æº ýàß û 3.2 Cr/SiO 2 W/Si º Ö Å ì Si ïº ú (W). úð è Æ. W Si Ö Ô, º W/Si ðù ÙµÝ. ý W Æ ÕǱ«, 2.5µm, 0.1µm. Si ïº 550µm. Ǳ² àß ó, ýåì SiO 2 ïº (Cr). ý 4 SiO 2 ï Cr Æ ½ 5 Å º½ Cr/SiO 2 º σ y Ð τ xy ìõ (ý A1 A4, º½ F lc =70 120µN Â). Ð, Đ.

6 ½ 38 Ä Æ. Ä, èàß ½ [19]. σ y = K σ r α, τ xy = K τ r β (2) K σ K τ Ǳ Ö, α β ÇǱ. Ç Đ, º Cr/SiO 2 º Ö Ǳ K σ = 0.24MPa m 0.39 K τ = MPa m 0.6, Ç. 5 SiO 2 ï Cr Æº Æ Ç Â ÙÝ [17], «Á» Æ «Á» Æ º Æ û,, Ù Ðº 50nm Ë, Ì ý ö ³. º 100nm,» Æ º Ùèç. ûë, Ù ÇÃĐ èù, Ä, ó. Ì ö Í ³, Æ ë Ë ý» ½. è ÝÅ Ú. ê º, Ë º, Í óù Æº [17,18], Ñ è. ý W Cr Å. Ù ï Æ, Cu, ½ ½ Æ, ß Ý ½. µ ð Cu Ä ì è, W, ½ W, Ä ½ Cu 4 â º ÃǱ 4.1 ý àß â, Ù â ö, Ñ Õ º Ö ý Â. ¹ ÂÃð Ý ½ ý. Nanofactory Instruments AB ýëå è ½ è SA2000N, ½ ½ ðèèù Û ö (transmission electron microscopy, TEM) ý ù Ë. Ì ½ èíõè, Åè MEMS ½ ì ½. ëë, Òá, Ç 1nm. ½ Ä Æ Þ Đ æ ½. ½ Ǳ 100µN, ½ Ǳ 0.1µN, 109ms Pa è ô ½. TEM, (JEOL Ltd., JEM-2100) ùǳ 200kV. Ì ½ ÑÅ, º º [20,21]. ý Â â «àß, 6. Ñ èǳº Cu/Si, Cu 200nm, SiN 500nm, ë ì Ù Si. Å Ð (focused ion beam, FIB) àßë ý Á â Si/Cu/SiN., ù Si, ½ ½æ SiN. Ñ, Ä º Æ è ë. 6 Û Å ½ è. Ì º ½, ÍÅø Ä,, ë. º Åè Í 4 «àß, 7. 4 «ý ³, Ìý íõè º ( àñ è), ĐǱ a. Ìý, à»ëë, Ö. æ ½ º, MMT- 100N( ½ Ǳ ±100N)., ½ ½ -. ô ù Ó ½.

7 14Ï ÿ4 : B áæ9ù(. rý ïä 443 ã 6 ÿá. é B ]:ù {9 C I5Ǳ. à êâ:,.1ö?u µn) «*Ð (ã I5Ǳ. «êâ:,.1ö?u N) Aå Ùk (J. éu. é Á, 3 r < 20 nm «, ÙAåÛÉ êcqǳ", Ïdæ^Aå Ì 5 ã. «*ÐÁ AåÛÉ ê r, æ^aårýëê5 ã. AårÝ ½ÂǱ K = (K + K ), Ù K Ú K OǱEAå rýïf ÜÚJÜ. ÛL²,. é.aåì Ǳ MPa, Á Ã';. «*Ð. K = 0.76 MPa m, êâ Ñ5. i / [22] ic ã 7 ÿá. «*Ð U? 4 : { B. Cu/SiN «é *Ð ã 8 Ǳ;.B ]:ùá 1Ö P - m t, ã 9 Ñ 3 A½ Ǳ Á w ì. \1 : A, \1Þ > SiN, 1Ö P m üno\, : B 94.6 N., P â,ü ", SiN Ú Cu l Si.þu) (ã 9(c) «). «3 B : ),. Si/Cu *Ð, u).». Á L²,».1Ö Á º 'Xé.. «*Ð, Äkÿ Si/Cu 1Ö - 'XÚ «*Ð.1Ö.»ä >f1ì Û(@, «*Ð Ǳ Si/Cu.. ã 10 Ñ Si/Cu. 3 «é (ã 1/2 4.2 ã 8 B ]:ùé ;.1Ö

8 å 444 Æ? Ð 2008 c1 38 ò ã 9 ã 8 B ]:ùá 3\1: A, B Ú C w ì å ^, ùp ÿá Cu 5A5 á 3 (free-standing) Cu Ø Ó. b ½ÿÁáÆ = Cu u) 5C/, l Ramberg-Osgood {K, = ε= σ α + E E σ σ0 n 1 σ (3) Ù α, σ Ú n ǱáÆ~ê. ÏL[ÜþãB ]:ù 1Ö - C/! (Ün 5k Û, (½Ñù áæ~êǳ: α = 1.25, σ = 345 MPa Ú n = 3.2. ã 11 ǱéA Si/Cu. «é *Ð Á 5 Aå Ù ¹. þã 5(J ', é Á. kànc Aå k O r. /ªþ, 5ÛÉAå E ^ aqu ã 10 Si/Cu. «é *ÐÁ 5 Aå Ù 5ÛÉAå úª5l«, = þãü ÿá Ó «áæ, Ù. r ÝAT Ó.,, lo (J5w, ÙAåÌ 3. kànc ( r < 10 nm S) Ø Ó. ù`², æ^ 5b ÛO køv? é. KǱ ïäl², þý, Ù ÑA å p. ~X, þý Cu ÑAå MPa, '~5 N Cu p þ? (70 MPa, {I7áÆ êâ). þã. «Á 5AåO,. kà? Aå ² LT ÑAå. Ïd, k7 Ä Cu 5C/é.» KǱ. Si/Cu. «é *ÐÁ 5 Aå 5, dué Ä Úðz ã 11 Ù 0 0 [25] [26] [5,23,24]

9 ½ 4 : â Æ º Ö 445 σ ij = Kp ij r ω (4), K p ij Ǳ, ω Ǳ. Si/Cu º ω Ǳ 0.16., r <50nm, Æ èç, Ì Ã. Ä, º Æ ëëåìº. Ǳ K p θθc = 62±7 MPa m0.16. Ð 11 Û, º ý Æ., º Ǳ K p θθc = 3.6 ± 0.1 MPa m0.306, Í J Ä, ÃǱ J c = 3.8 ± 0.5 J/m 2. Ç Cu» ÃǱ, 11, º Æ ( 10nm Ë ) º ý Â ê., 10nm ö ëëåìº µ. 5 èæ Í º ë, Ð ÃǱ ý Æ º. öè àßã öè ³, º Ö ù Ì ê, à Ú Å èî, ÃǱ., Ù âö Æ, ÂÙ Ý Á Ð. [27] /ïºñº, ëåè ë ÚÅ, û Ù Si ïº Cu. àß ûù 12. ð Ùè, ì àß µ Ö º. Æë ùǳ: ü ð» º ì àß, ïº Ä ì è ;, è àßì Ö º. ì Æ., æ èúå ½, Ì º Ð., ë Å º ý. àß ó Ùý º µ ½Ǳ. ÙÝ, º è µ,. Ë, â Í Ù ½ ù ô, µ Þ ½ èæ Ô ù Í, ç Æù ë. Ùù, è Æ/Í / ÄÝǱ Æ. Æ Æ, â Æ èæ Í ë Ǳ Ä µ 3. Î Æ Ñ º ð. Ǳ, â Æ â º ½Ǳ, û ÄÆ ºàß, ö ÃǱ. 5.1 º Ù, º ë ëë öû ð Æð, ë Ú Å Ǳ Â. ÅÉÐý º å öè àß. àß, Ùº ÙµÅ Þ, º µè ³ 12 àß (sputtering, SP, Si ï

10 ½ 38 º Ar Æ ô Pa) «Ùì (vacuum evaporation, VE) àßë Å 200nm Cu. àßë Æ ÇÁÈ Ǳ Cu (SP) Cu (VE). Ä ý, ÝÅº Cu (SP)/Si º Ǳ Cu (VE)/Si 4, º Û Ö., ü Cu (VE)/Si Ǳöè, ë ý., Si Ä ì 25nm Cu (VE) öè, û á 60 ó ë ë Đ ;, Í Cu (SP) Ù ý Ä. ý ë, ½ 2 ¼«àß ý æ ½. º½ ö (SEM) AFM ÙÝ, (i) (ii), º. ý,» Å Cu (SP)/Si º, J Ä, Ǳ 1J/m ý º½ / º èæ Ù â Æ ( ç) º ½Ǳ, ÁË Ë ÑÅÆ [28 37]. ð, Å è é ç ÃǱ., ç Í. Ù Æ ù, çè. ǱÅ Åµ º èæ ½Ǳ, ç Ã Ǳ, Ñ Æ ô ý. àßà, 4 «ý óùë ë º, Ù Ö Đ³ Á Đ. Ý Þ àß [28 41]. ð, 4 «ý íõ., Â ½ ëë î, ½î ½. Ǳ, Â è Í 4 «ý, 7, Ñ º. ½ Ä èæ ( MMT-10N) æ, Èõ ½ ½ P u. ý, Î è çñ û, Ëû À, ç Ù 3.5%±1%RH( û ç Ǳ 50%±10%RH). û (295K±2K). ý Ç à, â ì Õ Æ½, û èïä., ý ý Ä. Æü TaN/ Cu/SiN, Cu/SiN º, Ǳ ³. Ñ, Á ĐǱ a. ÙÍ 4 «ý, Äëë ½ è c ( 7) à» Ý. Ǳ å Ë ½, Ö åû., è c ( c = 10mm), ½ ý,, ĐðÙë ë., Ã ½. á, í ½º ýèæ ý. èæ Ǳ 1 Hz Ù», ½ ³ R = P min /P max = Đ a ý Ê k Ç, k = u/p. 14 Ǳ 100nm SiN 270nm Cu Ñº Ö K i = 0.572MPa m 1/2 î. á ½ N Ç,. a = 9.3mm ( ), Õ Ǳè ù. ð Ìý Ëæ K i ù. N Ù 1000,, û. ð Ù Ë ½ î, K i. ½ , Ǳ ¾Í. AFM «½ Ä, Ä ê,

11 ½ 4 : â Æ º Ö 447 Ä Ó Ǳ 1.4nm; è º Cu/SiN å ; SiN Cu Ä éùý». èæ Ö ëë, ð Ǳ Cu Ô ( MPa, ÔÙ Æ Cu 70MPa) ïº. è», Æ Cu è Æ ð ë., Ô â Cu ±ÄÝ Ý Æ, éùµ» [42]. 14 â º ½ 15 Å À ô û ô da/dn K i ³. å Ä K ith (ùþǳ ½ Ö ), å Ä º K ic (ùþǳ K imax = K ic î K i ). Û, Ù S», ç Ǳ 3, º. À ô, Ñ ê, K ith / K i ÔÙ Æ Cu Æ / º Æ, ÝÝ Æ. ô K ith Ù 0.37MPa m 1/2, K ic Ǳ 0.72MPa m 1/2. À ô, K ith Ǳ 0.43MPa m 1/2, K ic = 0.87MPa m 1/2. ³ ÙÝ, Ôç ô (50%±10%RH) ê Åº ¹ Í, 14%, º 17%. Ù ì», Paris», da/dn = C K n i (5) C n Ǳ. À, C ô 10.9m/ MPa n m n/2, n ô 23.4;, C ô 4020m/ MPa n m n/2, n ô C Û, Ä Åç,, Ù K i, º 3 4. Ì Paris ûë, 15 â À û ô º ½Ǳ 5.3 /üïºº Í ¾, º Ǳ â, Åïïº. èð, Ù µí». ³Ù â Í ½Ǳ, Ñ. Í ëë, Í J J ù C, ù ½Ǳ æ. Ñ º Í ½Ǳ Á üâó ýàß. ý, Ì Ý, Ý Ä Ùµ, Í ÍÙµ ³ ý ;, Đ Ì. ß Êß ß, ß Ú Å. /ï ºº, [43] Â Åè Í àß, 16, ý. ý ÆǱ (epoxy, Pernox XW-2310) /ü

12 ½ 38 ïº. Ì ð ßì ü, 298K À 2h, Si Ä, 423K 1h, Si Ä. Å Ù µm Ë ½. Ùü, ü ïºè ÅÛ ö, ½ î. ó½ æ /Si Ð ý, ÄÆ ½ ½ ½ëë., u i ǱÐĐ ds, σ ij Ǳ, ε ij Ǳ. J ð ³ ï, ÄÆÅ Æ, ( ) J 1/(n+1) σ ij (8) r ( ) J n/(n+1) ε ij (9) r r ð Ð, n ǱÍ. Ý, Ù Ðèù Í Æ, Í da/dt J Ñ ³ da/dt = β(j ) n/(n+1) (10) β Ǳ Æ. ǱÅ Æ, Á ùí ³. Ǳ Ñ Å Æ òí, ýùý Norton ßÃ». von Mises σ ε Ä, ÌßÃ Ä Ǳ 16 /üïºñº Í ý û ½, Ñ Ùº Æ, Í å û ý Å,, ý º å, æ. Ä, ÙµÙ /ü Ñ º. ĐáîÑ Þ Ç Å da/dt, Â 17. ÙÝ, Đ î, Ǳ ù, Ǳ Û ;, ; Ù Ù 1µm,. Ò, ëë Æ Í J J ù C [44]., J ùþ J = W = Γ εij 0 (W u i dy T i ds) (6) x σ ij d ε ij (7) W Ǳ Í ç, T i Ǳ ð Γ σ = A ε n (11), n= 4.77, A = MPa 4.77 s 1. Ù ý, Ùüïº, Í Á îñ Đ, Ǳ s. Ë îñ Ù s,, ð Í Í Ù í Í» (small scale creep, SSC) ù Ù SSC Í (large scale creep, LSC) (transient condition). Ä, Ö K i Ñ ³ ç ³, K i Ǳë ë û è., Đ ÌÍ»ð ÙÐ SSC LSC Ñ., º Æ Đ ÕÙ HRR (Hutchinson, Rice Rosengren). Ö Í J J tran ñ. J tran ùþ (6), σ ij ε ij ( ) J 1/(n+1) tran (12) r ( ) J n/(n+1) tran (13) r

13 ½ 4 : â Æ º Ö 449 Ä Í ý, Å J tran. 18 Ǳ da/dt J tran ³. Û, Ù, da/dt - J tran ³ Ùèç,, J tran ÍðëëÌÍ. 17 /üº Í 18 /üº Í J ³ 6 Ó º Öð³ â Ã., Ö Å ïò, ¼«³ â Æ Í / Æ Æº Ö [45,46]. Û, Ù Å /, Æ/ º Ñ ý, ÁÇ ýàß. Ðº Æ, â Æ º Ö ½Ǳ à ½ÅÒ, ¼«Å Ù â Æ º Öý ýàß Â. Ó Åàß, : (1) Ù Æ, Ã Ý. àßðý â º àß. í ½ Ùµ», îó Ù Ý º.

14 ½ 38 Ì Ò º, õþè º Ö Á. Â, º Ö Ö ; Â ÙÍ, Ã ðº Í. è ù º», ß ð. Ǳ Ò, ð, ñ Á Ç Ã Ǳ. (2) Û ö Hysitron Triboscope ½ è, Åý â /ïºñº Ö Í AFM ý àß. ÌàßÍÅà»æ ÚÅ ½, Ô, ó Ù Å Æ. è² Ã ð, Ò Æ, Ò º, û è ó. (3) ½ SA2000N, ÑÅ â º µ. Ì ð, º ½, ÍÅ Ä. Ì, Å â Si/Cu º Ä. Ä, Cu» º ½Ǳ Û ÃǱ. (4) /ïºº, ëå ë ÚÅ ëº àß, û Ù Si ïº Cu. ðð ì àß, Æ ì ïº, Ä ½, º º, Ð Ý. Ìàß Æ Æ, â Æ º ý èù. (5) Í 4 «ßóÙý èæ º ½Ǳ. Ìàß ð Á ö ðùëë º. SiN/Cu º ýä, èæ éùý», ÝÝ Æ; Ö ëë; çð º ü ÃǱ. (6) Ù â Ǳ Í Ã, ëåýº Í àß. ý, ý Í» ½ î. ËýÅ /üïº Æ. Ù îñ, Í ÙÐ Í Í Ñ. ÐÝ Â Û, Õ Í J Ì. ð, Á èđ Ì ëë è., ÄÆ ð Ù, Ǳ º µ Ã Ǳ î ÅÍ., Á Ð Í Æ Ù, Æº ó ½ º èæ Í º Ä ý Â. ÁðÙ Ǳ Ǳ Ò º àß, ë ë Å Ä, Ð Íñ Á. Í º Ò Ò ù Ò,. Đ Þ 1 Evans A G, Hutchinson J W. The thermo-mechanical integrity of thin films and multilayers. Acta Metallurgical Materials, 1995, 43: ê ü, ì. ä º. : Áã â, Æ. º. :, Becker T L Jr, McNancy J M, Cannon R M, Ritchie R O. Limitations on the use of the mixed mode delamination beam test specimen: Effect of the size of the region of K-dominance. Mech Mater, 1997, 25: Florando J N, Nix W D. A microbeam bending method for studying stress - strain relations for metal thin films on silicon substrates. J Mech Phys Solids, 2005, 53: Ü, í Ü,. ó/ïûô Æº ½Ǳ., 2006, 36: Kitamura T, Shibutani T, Ueno T. Crack initiation at free edge of interface between thin films in advanced LSI. Eng Fract Mech, 2002, 69: Kitamura T, Hirakata H, Itsuji T. Effectof residual stress on delamination from interface edge between nano-films. Eng Fract Mech, 2003, 70: Bogy D B. Two edge-bonded elastic wedges of different materials and wedge angles under surface tractions. J Appl Mech, 1971, 38: Freund L B, Suresh S. Thin Film Materials. Cambridge: Cambridge University Press, Shang F, Kitamura T, Hirakata H, et al. Experimental and theoretical investigations of delamination at free edge of interface between piezoelectric thin films on a substrate. Int J Solids Structures, 2005, 42: Shang F, Kitamura T. On stress singularity at the interface edge between piezoelectric thin film and elastic substrate. Microsystem Technologies, 2005, 11: Shang F, Kitamura T, Hirakata H. Delamination test and

15 ½ 4 : â Æ º Ö 451 the effect of free edge on interface strength of PZT thin films. Integrated Ferroelectrics, 2005, 73: Truong D V, Hirakata H, Kitamura T. Effects of loading frequency on fatigue crack growth between a ubmicronthick film and a substrate. JSME Int J Ser A, 2006, 49: Truong D V. Interface strength between submicron-thick films under monotonic and cyclic loads: [PhD Thesis]. Kyoto: Kyoto University, Hirakata H, Kitamura T, Yamamoto Y. Evaluation of interface strength of micro-dot on substrate by means of AFM. Int J Solids Structures, 2004, 41: Hirakata H, Takahashi Y, Matsumoto S, Kitamura T. Dominant stress region for crack initiation at interface edge of microdot on a substrate. Eng Fract Mech, 2006, 73: Kitamura T, Hirakata H, Truong D V. Initiation of interface crack at free edge between thin films with weak stress singularity. Thin Solid Films, 2007, 515: Kitamura T, Hirakata H, Takahashi Y. Interface strength of low-dimensional nano-components. Key Engineering Materials, 2007, : Hirakata H, Takahashi Y, Matsumoto S, Kitamura T. Dominant stress region for crack initiation at interface edge of microdot on a substrate. Eng Fract Mech, 2006, 73: Takahashi Y, Hirakata H, Kitamura T. Quantitative evaluation of plasticity of a ductile nano-component. Thin Solid Films, 2008, 516: Hutchinson J W, Suo Z. Mixed mode cracking in layered materials. Adv Appl Mech, 1991, 28: Espinosa H D, Prorok B C, Peng B. Plasticity size effects in free-standing submicron polycrystalline FCC films subjected to pure tension. J Mech Phys Solids, 2004, 52: Vinci R P, Zielinski E M, Bravman J C. Thermal strain and stress in copper thin films. Thin Solid Films, 1995, 262: Hirakata H, Takahashi Y, Truong D V, Kitamura T. Role of plasticity on interface crack initiation from a free edge and propagation in a nano-component. Int J Fract, 2007, 145: Xu J Q, Mutoh Y. Stress field near the contact edge in fretting fatigue tests. JSME Int J Ser A, 2002, 45(4): Hirakata H, Kitamura T, Kusano T. Pre-cracking technique for fracture mechanics experiment along interface between thin film and substrate. Eng Fract Mech, 2005, 72: Marshall D B, Evans A G. Measurement of adherence of residually stressed thin films by indentation. I. Mechanics of interface delamination. J Appl Phys, 1984, 56: Kriese M D, Gerberich W W, Moody N R. Quantitative adhesion measures of multilayer films. Part I. Indentation mechanics. J Mater Res, 1999, 14: de Boer M P, Kriese M D, Gerberich W W. Investigation of a new fracture mechanics specimen for thin film adhesion measurement. J Mater Res, 1997, 12: Bagchi A, Lucas G E, Suo Z, Evans A G. A new procedure for measuring the decohesion energy for thin ductile films on substrates. J Mater Res, 1994, 9: Baba S, Kikuchi A, Kinbara A. A microtribometer for measurement of friction and adhesion of coatings. J Vac Sci Technol A, 1986, 4: Venkataraman S, Kohlstedt D L, Gerberich W W. Continuous microscratch measurements of the practical and true works of adhesion for metal/ceramic systems. J Mater Res, 1996, 11-12: Dauskardt R H, Lane M, Ma Q, Krishna N. Adhesion and debonding of multi-layer thin film structures. Eng Fract Mech, 1998, 61: Lane M W, Snodgrass J M, Dauskardt R H. Environmental Effects on Interfacial Adhesion. Microelectron Reliab, 2001, 41: Hughey M P, Morris D J, Cook R F, et al. Chakravarty S L N, et al. Four-point bend adhesion measurements of copper and permalloy systems. Eng Fract Mech, 2004, 71: Xu G, He M Y, Clarke D R. The effect of moisture on the fracture energy of TiN/SiO2 interfaces in multi-layer thin films. Acta Mater, 1999, 47: Cannon R M, Dalgleish B J, Dauskardt R H, et al. Cyclic fatigue-crack propagation along ceramic/metal interfaces. Acta Metall Mater, 1991, 39: Kruzic J J, McNaney J M, Cannon R M, Ritchie R O. Effects of plastic constraint on the cyclic and static fatigue behavior of metal/ceramic layered structures. Mech Mater, 2004, 36: Gaudette F, Suresh S, Evans A G. Influence of solid-state and liquid-phase bonding on fatigue at Al/Al 2 O 3 interfaces. Metall Mater Trans A, 1999, 30A: Schwaiger R, Kraft O. Size effects in the fatigue behavior of thin Ag films. Acta Materialia, 2003, 51: Hirakata H, Kitazawa M, Kitamura T. Fatigue crack growth along interface between metal and ceramics submicron-thick films in inert environment. Acta Materialia, 2006, 54: Ikeda A, Yokoyama M, Hirakata H, Kitamura T. Creep crack growth along interface between polymeric thin film and substrate. In: Proceedings of the 55th Japanese Symposium on Theoretical and Applied Mechanics, Tokyo, Japan, , Tokyo, Saxena A. Evaluation of C* for the characterization of creep-crack-growth behavior in 304 stainless steel. ASTM STP, 1980, 700: ,, Ð. â/ âö Æ Íý., 2000, 30: , í½à, ±,, Ù. / Æ Æº Öàß»., 2007, 37: 67 79

16 ½ 38 EXPERIMENTAL STUDY ON INTERFACE STRENGTH OF MICRO/NANO-MATERIALS AND THEIR STRUCTURES * SHANG Fulin 1, KITAMURA Takayuki 2 HIRAKATA Hiroyuki 2 1 MOE Key Laboratory for Strength and Vibration, Department of Engineering Mechanics, Xi an Jiaotong University, Xi an , China 2 Department of Mechanical Engineering and Science, Kyoto University, Kyoto , Japan Abstract This paper reviews recent advances in experimental studies on mechanical strength of small materials with micro- to nano-meter scales. In particular, experimental systems and some testing methods developed by the current authors are introduced for measuring the interface strength in small materials and low-dimensional tiny components, and main experimental results are presented as well. The testing methods discussed are: (1) sandwiched cantilever method for evaluating the initiation strength of an interface crack in submicron films deposited on substrates, (2) modified AFM method for measuring the interface bonding strength between nanoislands and substrates, (3) pre-cracking technique for measuring crack growth along the interface, (4) a crack initiation method for nano-components using special loading apparatus built in a TEM and capable of in-situ observing the process of crack growth, (5) modified four-point bend method for measuring sub-critical crack growth along an interface between submicron films under fatigue, and (6) a special testing method for creep crack growth along an interface between polymeric film and glass substrate. From the results obtained, the authors pointed out the merits of the above experimental methods and their limitations. Meanwhile, the main challenges and difficulties in testing the interface strength of micro- to nano-materials and such tiny structures are demonstrated, and several future research topics are outlined. Keywords micro/nano-materials, interface strength, delamination, crack, experimental study The project supported by the National Natural Science Foundation of China ( ), National Basic Research Program of China (973 Program) (2007CB707702) and the Scientific Research Foundation for the Returned Overseas Chinese Scholars, State Education Ministry shangfl@mail.xjtu.edu.cn