【研究分野】金属物性・材料

【研究領域課題番号】15F15373 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

金属ガラス / 逆スピンホール効果 / 結晶化 / ガラス転移 / 構造緩和 / ポーラス材料 / 相分離 / 薄膜 / 多層膜

【研究成果の概要】

最終年度は、逆スピンホール効果を利用した金属ガラス薄膜の構造変化のモニタリング手法を開発した。特に、金属ガラスの結晶化プロセスに関して、逆スピンホール効果により検出する方法を示した。結晶化は金属ガラスにとって最も重要な構造変化であり、これはガラス状態に関する特性の劣化を示すものである。特にスパッタリング法で作製するような超薄膜の場合では、金属ガラス相の結晶化に関する構造変化をリアルタイムに観察することは、熱分析の代わりとなる汎用性のあるプローブがないため困難となる。また通常、ガラス転移温度および結晶化温度は、超薄膜の場合、試料表面での高い原子移動度に起因して、バルク試料のそれよりもはるかに低くなることが知られている。本研究では、金－シリコン2元系金属ガラスにおける逆スピンホール効果を用いて結晶化プロセスを敏感にモニターすることができており、結晶化相よりも金属ガラス相の方がはるかに大きな値を示すことが明らかとなった。また、電気抵抗と比較して、逆スピンホール電圧の変動量は約1桁大きく、これは電子スピンプローブの感度が極めて高いことを示している。本研究によって、スピントロニクスデバイスに応用できるようなスピン電荷変換効率の高い新規な準安定相を設計する新たな道が開かれ、さらに逆スピンホール効果を新たなプローブとして金属ガラスにおける様々な構造相転移挙動を検出することが可能となることが期待される。

【研究種目】特別研究員奨励費

【研究期間】2015-10-09 - 2018-03-31

【配分額】2,300千円 (直接経費: 2,300千円)

【研究分野】生産工学・加工学

【研究領域課題番号】15206015 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

MEMS / 微細加工 / 薄膜 / アモルファス / 金属ガラス / マイクロアクチュエータ / 物性 / アークプラズマ

【研究成果の概要】

本研究では,薄膜金属ガラスと,その微細加工法に関する基礎的,応用的研究を発展させ,従来に無い優れた特性を有するMEMS材料の実現と,三次元立体MEMSの製作を目的とした.具体的には,以下の項目について検討,解明した.
◎基礎的研究
・新しい薄膜金属ガラスの探索:コンビナトリアルアークプラズマ蒸着法により,Ru基の薄膜金属ガラス(Ru_<75>Zr_<24>Al_1,ガラス転移温度(Tg)902K,結晶化開始温度(Tx)973K)を発見.また,多元同時スパッタ法で,Cu基薄膜金属ガラス(Cu_<50>Zr_<50>,Tg:672K, Tx:715K)を,製作した.
・特性の評価:Ru基薄膜金属ガラス,Cu基薄膜金属ガラスの機械的特性を測定した.両金属ガラスとも,良好な機械的特性を示し,引張強度1GPa以上を達成した.
・特性の改善:Pd基薄膜金属ガラスの過冷却液体域での焼きなましにより,電気抵抗率の低減,縦弾性係数の増大など特性改善を行った.
◎応用的研究(三次元立体MEMS)
・多自由度マイクロアクチュエータ:薄膜金属ガラスの三次元成形を利用した立体構造を用い,圧電薄膜により,2自由度の変位が可能な多自由度マイクロアクチュエータを実現した.圧電薄膜の改良により,2自由度で,それぞれのストローク10μmを実現した.
・マイクロブロー成形による立体構造:中薄膜金属ガラスの新しい三次元微細加工法として,マイクロ流体素子等に適用できる微細中空構造の製作に利用可能な,マイクロブロー成形の提案した.まず,封入Arガスを用いたマイクロブロー成形を検討した,つぎに,発ガス材として窒化銅を用いたマイクロブロー成形について検討し,20μm間隔で直径100μmの微細中空構造を集積した.
・能動電子素子:薄膜金属ガラスの立体構造を利用した可変マイクロインダクタを検討し,高さを変化させることで,インダクタンスを3%変化させることに成功した.

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2003 - 2005

【配分額】50,050千円 (直接経費: 38,500千円、間接経費: 11,550千円)

【研究分野】知能機械学・機械システム

【研究領域課題番号】13555073 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

MEMS / 微細加工 / 薄膜 / アモルファス / 金属ガラス / 静電アクチュエータ / 情報機器 / 光ピックアップ / 光磁気ディスク / 情報機 / 物性

【研究成果の概要】

1.研究目的
薄膜金属ガラスを用いて,基板面外に駆動可能な新しいマイクロアクチュエータ(基板面外駆動マイクロアクチュエータ)を試作するために,以下の検討を行うことを目的とした.
(1)新しい基板面外駆動マイクロアクチュエータの考案.
(2)精度の高い立体的構造を有する基板面外駆動マイクロアクチュエータの製作方法の検討.
(3)試作した基板面外駆動マイクロアクチュエータの変位特性,応答性の評価と光ピックアップヘの展開を念頭においた特性評価.
2.研究成果
これまでの薄膜金属ガラスの微細加工,微細成形技術をもとに,新しい基板面外駆動マイクロアクチュエータとして,マイクロレンズアクチュエータ(MA : Micro Lens Actuator)を考案,試作した.測定した性能を以下に示す.(括弧内は仕様値)
(1)ストローク:0.85μm(1μm)
(2)駆動対象物:質量0.89mg,直径1mmのガラスダミーレンズ (質量1.5mg直径1mmガラスレンズ)
(3)傾き誤差:0.02°(0.8°以下)
(4)応答周波数:3.54kHz,(1kHz以上)
(5)耐衝撃性:800G以上
(6)駆動電圧:50V
以上より,ストロークが若干仕様に対して不足しているものの,ほぼ仕様を満たすマイクロアクチュエータを実現することができた.
3.今後の課題
今後の課題として,試作したMAを,次世代の高記録密度MOの光ピックアップとして製品化するための生産性,工程の検討を行う必要がある.さらに,ストロークの増大と駆動電圧の低減をはかる.

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2001 - 2002

【配分額】13,500千円 (直接経費: 13,500千円)

【研究分野】機械工作・生産工学

【研究領域課題番号】12875029 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

レーザフォーミング / 微細加工 / 薄膜 / アモルファス / 金属ガラス / 温度測定 / 半導体レーザ

【研究成果の概要】

(1)レーザマイクロフォーミングの基礎的検討
Zr基およびPd基薄膜金属ガラスの微細加工により,長さ300μm,幅50μm,厚さ5μmのはり先端に一辺150μmの正方形パドル部を持った微細片持はりを製作した.この微細はりの固定端付近に最大出力150mWのYAGレーザを照射することで,薄膜金属ガラスを過冷却液体域まで加熱,軟化させ,レーザを用いたマイクロフォーミングの可能性を検討した.
検討の結果,波長1,064nmの半導体LD励起Nd-YAGレーザを用いて,顕微鏡光学系でスポット径100μmに集光し80mW,60秒の加熱で,微細はりをレーザ入射側(上方)に約30度曲げることに成功した.当初は,過冷却液体域へ加熱された部分の薄膜金属ガラスが軟化し,パドル部の自重により下方へ変形することを期待したが,実際には反対側へ変形した.本基礎検討実験では加熱部の温度を正確に測定することが困難であったため,この現象の原因は特定できなかった.
(2)レーザマイクロフォーミング装置の試作
上記基礎検討の結果を参考に,レーザマイクロフォーミング装置を設計,試作した.加熱用レーザは半導体LD励起Nd-YAGレーザ(波長1,064nm,最大出力300mW)を用い,赤外顕微鏡光学系でスポット径50〜200μmに可変可能である.サンプルは小型真空チャンバ内に設置され,チャンバ上面の光学窓からレーザを入射する構造とした.
(3)マイクロ温度センサを有する薄膜金属ガラス微細はりの製作
試作したレーザマイクロフォーミング装置で,微細はりを加熱した際の温度を測定する方法として,金とニッケルからなるマイクロ熱電対を微細はり上に製作し,加熱温度の測定を試みた.製作した温度センサは約3℃の分解能で,はりの温度を測定することに成功した.

【研究種目】萌芽的研究

【研究期間】2000

【配分額】2,100千円 (直接経費: 2,100千円)

【研究分野】機械工作・生産工学

【研究領域課題番号】12355007 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

MEMS / 微細加工 / 薄膜 / アモルファス / 金属ガラス / プローブ / 抵抗率 / 物性

【研究成果の概要】

1.研究目的
薄膜金属ガラス三次元微細はりを高精度に再現性良く微細成形する技術を確立するために以下の研究を行う.
(1)各種薄膜金属ガラスの成膜条件と,その物性の検討.
(2)薄膜金属ガラスの過冷却液体域利用した三次元微細成形方法,およびその成形精度,再現性の検討.
(3)さらに,応用として薄膜金属ガラス微細梁をプローブとした半導体検査機器への展開.
2.研究成果
(1)薄膜金属ガラスの各種物性値を測定し,Zr基およびPd基薄膜金属ガラスは,高い弾性限界と引張強度を有し,ばね材として優れていることを明らかとした.次に,抵抗率の低い薄膜金属ガラスとしてPd_<76>Cu_6Si_<18>(原子%)の薄膜金属ガラスの成膜に成功し,抵抗率62μΩ・cmを実現した.さらに低抵抗化を目指して,633K,2,100sの加熱処理により脆化すること無く46.5μΩ・cmの抵抗率低下に成功した.
(2)薄膜金属ガラスに対して,MEMSプロセスの適用を検討し,リフトオフ法を適用することで,微細片持はりの製作に成功した.さらに過冷却液体域での軟化を利用して,微細片持はりを高精度に変形させる方法について検討し,曲がりはりを製作する方法や,90°曲はりや90°ねじりはりの製作に成功した.
(3)以上の検討を元にプローブピンの試作を行った.製作したプローブピンは,プローブ部長さ400μm,立上り高さ200μm,幅は50μm等数種を製作した.いずれもオーバドライブ量100μmにおいて,Alパッドとの接触抵抗は1Ω以下,1ピン当たりの接触荷重は1mNを達成した.さらに30万回のタッチダウンテストにより,十分な耐久性を有することを明らかとした.
3.今後の課題
以下の課題を明らかとした.(1)新しい薄膜金属ガラスの創製(2)薄膜金属ガラスの引張強さに対する寸法効果,疲労強度およびクリープの測定(3)三次元微細プローブのプローブカードへの応用

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2000 - 2002

【配分額】44,900千円 (直接経費: 37,400千円、間接経費: 7,500千円)

【研究分野】金属物性

【研究領域課題番号】12875116 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

レーザフォーミング / 微細加工 / 薄膜 / アモルファス / 金属ガラス / 過冷却液体域 / TTT曲線

【研究成果の概要】

(1)薄膜金属ガラスの成膜
RFマグネトロンスパッタ装置にて,Zr基およびPd基の薄膜金属ガラス(Zr_<75>Cu_<19>Al_6,Pd_<76>Cu_6Si_<18>)を成膜した.また,成膜された薄膜金属ガラスの過冷却液体域,抵抗率,機械的強度はスパッタ出力,スパッタ圧力,スパッタ時の酸素および水蒸気分圧に影響されることを見出し,最適と思われる成膜条件を実験的に見出した.
(2)成膜条件による薄膜金属ガラスの物性
2-1 抵抗率,機械的強度
薄膜金属ガラスの抵抗率,機械的強度は,スパッタターゲットの品質,特に焼結したターゲットの場合,焼結密度に大きく依存することが明らかとなった.焼結密度の向上に伴って,薄膜金属ガラスの抵抗率は減少し,機械的強度(引張強度)は向上した.そこで,焼結法によらないターゲット製法として,アーク溶解したターゲットと同じ組成を持つ合金を,機械加工によりターゲットとする方法を適用した.その結果,抵抗率はZr_<75>Cu_<19>Al_6:160μΩ・cm,Pd_<76>Cu_6Si_<18>:62μΩ・cmが最低値であった.一方,引張強さσ,縦弾性係数Eの最大値はそれぞれZr_<75>Cu_<19>Al_6:σ=83.4GPa,E=1.61GPa,Pd_<76>Cu_6Si_<18>:σ=57.9GPa,E=1.14GPaであった.
2-2 熱的特性
薄膜金属ガラスの過冷却液体域は成膜条件,特にスパッタ出力とスパッタ中の酸素および水蒸気分圧によって変動することを見出した.これは,成膜時の薄膜の温度上昇,内部応力,スパッタガスの埋め込み,酸化などが複合的に影響しているためと思われる.
今年度の研究では,この原因について特定することはできなかったが,現在継続して研究を行っている.また,薄膜金属ガラスの時間温度変態曲線を作成し,薄膜金属ガラスの過冷却液体域が,バルク材同様熱的に安定であることを示した.

【研究種目】萌芽的研究

【研究期間】2000