【研究分野】熱工学

【研究領域課題番号】09650228 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

マイクロカンティレバー / 温度センサー / 熱流速センサー / 蒸着 / 薄膜 / 測定法 / マイクロカンティレバ- / 熱流束センサー

【研究成果の概要】

近年の半導体産業における加工技術の目覚ましい進歩により、マイクロからナノスケールの加工が可能となり、これに伴って微小スケールにおける温度分布等の熱流体場の測定が重要となってきている。本研究では原子間力顕微鏡(AFM)に用いられる微小なマイクロカンティレバーをセンサープローブとし、このカンティレバーのたわみを光てこ法や抵抗変化を用いて検出することにより、高感度、高空間分解能で応答速度の速い温度・熱流束測定法を開発し、これを真空蒸着過程へ適用することにより金属分子線の熱流束や分子線強度の測定を行い、分子線強度が凝縮係数に及ぼす影響を明らかにすることを目的としている。
本年度は,AFMのマイクロカンティレバーを利用したバイマテリアルマイクロカンティレバーおよび圧電性結晶からなるピエゾレジスティブレバーを用いて温度や熱流束の計測を行った。
1. バイマテリアルカンティレバーを用いた計測システムの分解能は10^<-3>K、1μW、時定数は10msec程度であることを示した。
2. ピエゾレジスティブレバーを用いることにより光てこ方式に較べて格段にシンプルな微小温度計測システムを構築することが可能であることを示した。この場合の計測システムの分解能もやはり10^<-3>K、1μW、時定数は10msec程度であることを示した。
3. 噴流の質量流速によりピエゾレジスティブレバーが撓むことを確認し、この効果を用いて噴流の速度分布を測定できることがわかった。
今後は、ピエゾレジステイブレバーに金属薄膜を蒸着することによりバイマテリアル効果を付加することにより、より高感度な熱流速計測を行う予定である。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】1997 - 1998

【配分額】3,700千円 (直接経費: 3,700千円)

【研究分野】熱工学

【研究領域課題番号】08650239 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

凝縮 / 滴状凝縮核 / 表面張力 / 蒸着 / 薄膜

【研究成果の概要】

凝縮初期過程における凝縮相の形成は、学問的にも工業的にも重要な現象であり、これまでに多くの研究がなされてきた。その結果、凝縮初期過程の成長様式は、島状成長、層状成長、層状-島状成長の3種類に分類されることが実験的に明らかにされている。NaCl単結晶表面への金属原子の蒸着では、3次元的な島状の核が形成されることがわかっており、その理由としては固体と金属の表面張力に違いであると説明されているが、その詳細については必ずしも明らかにされていない。このような背景から、本研究では固体表面上への気体分子の凝縮初期過程における島状3次元核生成現象を、連続体膜の安定性解析の視点から説明し、さらに解析結果を検証するために、金属原子の真空蒸着実験を行い、島状3次元核の大きさが蒸着時間とともにどのように変化するか観察した。
1.安定性解析においては、薄膜生成における核生成過程において,薄膜の表面張力が基板物質の影響を受けるために膜厚によって変化すると考え、薄膜の表面に微小擾乱が加えられた場合の界面の安定性について線形安定性理論を用いて解析した.その結果,擾乱が成長する波長が凝縮核の粒径に対応すると考えることにより,凝縮速度を一定とした薄膜生成の場合,核生成初期には凝縮核の粒径は時間に比例して成長することを明らかにした.
2.さらにCuの真空蒸着実験を行い,蒸着初期において凝縮核の粒径が時間に比例して成長することを確認し,本解析の妥当性を確認した.

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】1996

【配分額】2,400千円 (直接経費: 2,400千円)

【研究分野】熱工学

【研究領域課題番号】08555051 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

速度選別器 / 並進エネルギー / 金属原子 / 蒸着 / 薄膜

【研究成果の概要】

分子の固体表面への凝縮は蒸着技術として半導体産業など現代の最先端分野に応用され、近年進歩が著しい技術の一つである。しかしながら薄膜形成過程の物理・化学現象は十分に理解されているとは言い難い。本研究では従来から重要なパラメータであると言われている入射原子の速度を機械的に選別するHostettler-Bernstein型の分子線速度選別器を用いて熱電半導体薄膜であるBi,Teの合金及びBi2Te3を作成し、熱起電力による薄膜の評価を行った。その際従来の作成法通り基板温度の調節も併せて行った。その結果薄膜の評価が熱起電力測定で行え、基板温度が熱電半導体薄膜の作成時にも重要なパラメータであり、さらに速度選別を用いるとさらに優れた物性を有する薄膜を作成することができた。一方で速度選別真空実験では調べることができない薄膜生成の素過程に関して、分子動力学法により数値シミュレーションを行った。
その結果
1)基板温度は核成長速度及び再蒸発といった統計的な値だけでなく、さらには薄膜結晶構造に大きく影響を及ぼした。特に基板温度を上げすぎた場合、薄膜の結晶構造は大きく乱れた。
2)適度な基板温度においては入射速度及び蒸着頻度も薄膜生成に影響を及ぼし、薄膜の結晶構造を操作することが可能である。本シミュレーションでは小さい入射速度、小さい蒸着頻度によって良い薄膜の結晶構造を得ることができた。
しかしながら、どのようにして作成した薄膜の結晶構造が乱れるのかについて詳細な検討は行っておらず、基板と異なる方位の結晶構造の発生メカニズムに関する研究が必要である。また分子シミュレーションは簡単のため単原子分子の系で行っており、今後、実際に行われている金属や半導体などの系を計算するためには量子分子動力学法による計算が必要であると考えられる。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】1996 - 1997

【配分額】4,200千円 (直接経費: 4,200千円)

【研究分野】高分子合成

【研究領域課題番号】03453115 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

蒸着 / 重合 / 薄膜 / 垂直配列 / ポリアミド酸 / ポリイミド

【研究成果の概要】

蒸着重合法を用いて脂肪族系および芳香族系ポリアミド薄膜を作成し、その薄膜形成時にける蒸着条件(蒸着速度、基板温度など)の影響を詳しく検討した。蒸着重合における分子配列機構を検討するために、脂肪族ジアミン(1.7-ジアミノヘプタン(DAH))とジカルボン酸クロリド(アゼライン酸クロリド(ADC))を交互に蒸着させて、各モノマーの付着挙動を水晶振動子の周波数変化によって測定した。作成した薄膜の構造は赤外吸収スペクトルおよびX線回折により評価し、形状膜厚は多重反射干渉法により測定した。ADC上に吸着したDAH分子は、数秒後に一定量に達し平衡状態となるが、蒸着を停止すると一部が再蒸発した。このことから、まずADC表面上にDAH単分子層が付着し分子鎖末端間で縮合反応が起こり、さらにその上にDAHが物理的に吸着しているものと考えられる。また各モノマーを交互に蒸着することにより膜厚が階段上に増加し、化合物半導体の代表例であるGaAs等の超格子薄膜と同様な機構で成長していることが推測された。また蒸着重合時の分子配列に対する電場の効果を調べるために、基板面内方向の電場下でポリアミド薄膜を作成し、垂直透過のSH強度を観察した。基本波(Nd:YAG1064nm)と第2次高調波の偏光方向を平行にした測定では、蒸着時の電場とSHの電場が平行な場合にSH強度が最大となり、ポリアミド分子中の双極子が蒸着重合過程において電場方向に配向していることがわかった。

【研究種目】一般研究(B)

【研究期間】1991 - 1992

【配分額】6,000千円 (直接経費: 6,000千円)

【研究分野】金属製錬・金属化学

【研究領域課題番号】61470055 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

MOSIC / シリコン / シリコン酸化膜 / 熱酸化 / スパッタリング / 拡散 / 化学反応 / 蒸発 / 蒸着 / 屈折率 / エレクトロクロミズム, Li_2O-B_2O_3, La_2O_3-WO_3 / MOS / 薄膜 / RFスパッタ / 比誘電率 / 界面反応

【研究成果の概要】

本研究では, MOSIC材料を含む電子材料の作製プロセスに着目して, そこで生じている化学反応と拡散現象について調べた. 研究内容は, 大別して, (1)Siの熱酸化の速度論的研究, (2)スパッタSiO_2膜の特性の評価, (3)真空蒸着法における蒸発蒸着過程の機構の研究および(4)二元系酸化物のエレクトロクロミズム現象の研究の4点になる. 以下にそれらの概要を延べる.
(1)Siの熱酸化の速度論的研究
本研究では, O_2とCO_2による熱酸化の実験を行った. CO_2による酸化速度はO_2による速度よりも非常に遅く, 薄い酸化膜の作製が容易であることが分かった. また, これらの反応は, 酸化膜中の酸化種の拡散で律速されており, 拡散種は各々, O_2およびCO_2ガス分子であると推定した.
(2)スパッタSiO_2膜の特性の評価
まず, スパッタ時間とSiO_2膜厚の関係を調べた. スパッタによる成膜速度は, 真空蒸着法とは異なり, 初期段階から一定であることが分かった. 次いで屈折率の測定と酸素の拡散系数の推定を行った. 屈折率は1.45-1.47, 拡散系数は2.8×10-4exp(-27010/RT)cm^2/sとなり, 熱酸化膜の値とほぼ等しかった.
(3)真空蒸着法における蒸発蒸着過程の機構
Li_2O-B_2O_3二元系酸化物を用いて, 蒸発速度, 蒸着速度, 蒸着膜の状態と蒸発源温度や基板温度との関係について調べた. また, この場合の蒸発分子はLiBO_2であることを熱力学と気体分子運動論より推定した.
(4)二元系酸化物のエレクトロクロミズム
エレクトロクロミズム(EC)は, 従来, WO_3やM_0O_3などの単体の酸化物で見出されていたが, 今回La_2O-WO_3二元系酸化物においてもその現象が発現することを見出した. その発現メカニズムと作製したECセルの詳細な特性については, 現在研究中である.

【研究種目】一般研究(B)

【研究期間】1986 - 1987

【配分額】6,600千円 (直接経費: 6,600千円)