University of Hyogo

Department of Mechanical and System Engineering

UV-LIGAと泥しょう鋳込の融合技術
によるSiC-MEMS耐熱素子の開発
2010年6月15日

兵庫県立大学
シルバーロイ
アート科学

生津 資大
高見 康博
長谷川 良雄namazu@eng.u-hyogo.ac.jp
http://www.eng.u-hyogo.ac.jp/mse/mse12/index.html
namazu@eng.u-hyogo.ac.jp

Materials and Intelligent Design Laboratory

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研究背景(組)SOHLA

小型・超小型人工衛星の開発
ナノサット，ピコサットの登場(株)WORLD WING

まいど1号
50Kg 級小型人工衛星

構成部品，構成材料の軽量化，小型化

超小型人工衛星用
マイクロスラスタノズル

優れた耐熱性とマイクロ成形性が要求
項目

Si（MEMS）
耐熱セラミックス(SiC)

耐熱性

マイクロ加工機械強度×◎◎×○◎

シリコンカーバイド：SiC
ワイドバンドギャップ，機械特性，熱伝導率，耐熱性に優れる材料．しかし，作製が困難なためにSiC基板は高価．加えて，大口径化が図れず，ポストSiにはなり得ていない
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研究背景と目的
SiCの製法
粉末焼結法○一般的な技術×ボイドが多数生成×2000～3000℃の加熱
×成形が困難昇華法

エピタキシャル成長CVD法○厚さ2mmの単結晶を作製可能
×4Hor6H-SiCで六方晶
×2000～3000℃の加熱
×成形が困難○優れた結晶性○低欠陥含有率
×低製膜速度×成形が困難目的

UV-LIGAと泥しょう鋳込の融合技術によるSiC-MEMS耐熱素子の創製
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SiC-MEMS作製プロセス

２．μ泥しょう鋳込成型

１．スラリー作製

泥しょう鋳込成型

ポリカルボシラン(PCS) + SiC 粉末
泥しょう＋UV-LIGAプロセス

固液
分離

フォトレジスト金型
基板

石膏型

泥しょう

攪拌

+IPA

多孔質基板

粒径:100nm

・スラリー（SiCナノパウダー＋PCS溶液）
・多孔質基板（WC，PE）
・UV-LIGAプロセス（厚膜フォトレジストSU8）

３．焼成
1000℃，N2雰囲気，1h
SU8 モールド除去
焼成前

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４．完成

焼成後

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スラリー作製スラリー（SiCナノパウダー＋PCS溶液）
Fabrication of surly for slip casting
Fabrication of PCS coated SiC
PCS coated SiC

SiCPCS
nanopowder

PCS nanopowder

XyleneDryingDryingMixedPCSnano powder

Break up

SiCPCSnano powder

Surlyfor slip casting

IPA

Surly

Smash

Ultrasonic wave

MortarXylene

（a）

（b）

（c）

（d）

（e）

１．SiCナノパウダーとPCSパウダーをキシレンに入れる
２．攪拌，乾燥
３．IPAで泥しょう化
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多孔質基板の選定
空孔・粒径1µm以下のWC・Coパウダーの焼結体
・3種類とも吸水性あり

φplate＝38mm，t=1mmWC(φ = 38 mm,t = 1 mm)
スタート

55µµmmm・粗目基板 鋳込み時間の短縮

スタート

水３min

水15min

スタート

水

25min

気孔率19.3%

気孔率 16.7%

気孔率5.8%WC plate A(粗目)WC plate B(中目)WC plate C(細目)namazu@eng.u-hyogo.ac.jp

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多孔質基板上へのUV-LIGAプロセス
固定リソグラフィー条件
ラミネート；250µm PEB；55℃，現像時間；適(1時間)PEB,1hPEB,12h

PEB,6h

1mm

1mm

1mm
Fixed Exposure time(100s)

PEB時間が長い
50s

100s

剥離が減少
300s

Fixed PEB time(12h)time(12h)

露光 過多
露光 過少
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剥離が顕著

厚さ250µm
SU‐8 マイクロ金型

1 mm

露光条件，PEB条件を変化させることで，SU-8マイクロ金型の作製が可能．

最適リソグラフィー条件
露光時間 100s，PEB(55℃，12h)
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SiC-MEMS作製結果の一例
WC plate A (粗目)

歯先の欠損

WC plate C (細目)

有効歯たけ200µm

1mm

クラック
WC plate B (中目)

1mmnamazu@eng.u-hyogo.ac.jp

500µm

外径1.6mm

500µm

100µm

1mm

100µm

歯車形状向上1mm

マイクロ歯車完成
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ポリマー含浸焼成法
ポリマー含浸焼成(PIP)法Cross section

ボイド10mmHg
減圧

PCS solution

1st PIP

焼成，1000℃

SiCPCS

β-SiC

PIP3回
PCS solution

2nd PIP times

焼成，1000℃・・・

Void減少PCS solution

12th PIP times

焼成，1000℃

Cross section

A

密度増加

SiCPCSA´ 500m
β-SiCmPIP12回
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今後の課題
・鋳込みの最適化
WC基板の目の粗さと鋳込みとの関係を再度調査
加減圧条件と成型体の出来との関係

・気孔率の更なる減少
PIP回数と気孔率・機械特性との関係を調査（これまで最大12回のPIP）

・高温焼成によるSiC化
1500℃での高温焼成（β-SiCに近づける）
焼成温度と組成，結晶性，機械特性との関係を調査

・昇温環境での機械特性評価技術
室温～800℃程度でヤング率や破壊強度を定量計測可能な技術の開発

・高温動作可能なMEMSの開発
高温雰囲気で動作するMEMSデバイスのデモンストレーション

研究体制
兵庫県立大学
μ泥しょう鋳込技術開発
SiC-MEMS開発
研究総括
namazu@eng.u-hyogo.ac.jp

シルバーロイ
多孔質鋳型基板の開発

アート科学
ポリカルボシランの開発

権利化・技術移管

企業
素材メーカーなど
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