ISSN 1349-1741

平成22年度宮城県産業技術総合センター研究報告
The Annual Research Report of Industrial Technology Institute, MIYAGI Prefectural GovernmentNo.8(2010）目次

1. インプリントによるＭＥＭＳパッケージング技術の開発
2. 乳酸菌の高密度培養法の開発…………………………………
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宮 城 県 産 業 技 術 総 合 セ ン タ ーIndustrial Technology Institute, MIYAGI Prefectural Government15

【平成20～22年度 県単研究 インプリントによるMEMSパッケージング技術の開発】

インプリントによるMEMSパッケージング技術の開発
林 正博 ・ 阿部 宏之 ・ 家口 心 ・ 堀 豊 ・ 太田 靖 ・ 渡邉 洋一* ・ 小松 迅人** ・ 久田 哲弥*
機械電子情報技術部* 材料開発・分析技術部** 企画･事業推進部
本研究では，樹脂の薄物成形にインプリント技術を応用するため，ポリエチレンテレフタレート樹脂及びシクロオレフィンポリマー樹脂のインプリント条件と転写精度の関係を調査した。また，機械加工によるインプリント用モールド作製と，樹脂製MEMSパッケージウェハの成形に取り組み，成形不良のない良好な成形品を得ることができた。さらに，樹脂製パッケージウェハがシリコンデバイスウェハと接合可能であることを示した。
キーワード： MEMS，ウェハレベルパッケージング，インプリント，樹脂成形点からポリエチレンテレフタレート（PET）樹脂を，将来の光学素子への応用展開を考慮しシクロオレフィンポリマー（COP）樹脂を選択した。

1. 緒言
微小 電気機 械シ ステム（ Micro Electro MechanicalSystems：MEMS）は，自動車や家電製品に使われるセンサや光学デバイスの小型化・高性能化に大きな役割を果たす技術である。
MEMSデバイスの開発が進められる一方で，製造における後工程であるパッケージング（MEMSを外的環境から守るため微小容器内に封止する）には製造コストの7～8割が費やされており，低コスト化の妨げとなっている。
低コスト化を可能にするMEMSデバイスのパッケージ方法として，ウェハの状態でパッケージングを行うウェハレ
ベルパッケージが提案されている。県内企業においても，ガラス基板を用いたウェハレベルパッケージを適用したデバイスの開発が行われているが，さらなる低コスト化が期待されている。
そこで，本研究では，パッケージウェハのコスト低減を実現するため，樹脂を材料とするパッケージウェハのインプリント成形に取り組むこととした。インプリントとは，製品形状を反転させた型（モールド）を軟化した被転写材に押し付け，モールドのパターンを被転写材に転写成形する技術で，パッケージウェハのような薄物の成形に適している。パッケージウェハの開発に先立ち，インプリント条件が成形品形状に及ぼす影響についても調査を行った。

表1 使用した樹脂名と銘柄
樹脂名
銘柄
ポリエチレンテレフタレート（PET） サンデーPET
シクロオレフィンポリマー（COP）
ZEONEX E48R
インプリント条件（成形温度，プレス圧力，プレス保持時間）と成形品形状との関係を把握するため，テスト用モールドを用いた成形を行った。テスト用モールドには
市販のシリコン製モールド（（株）協同インターナショナル お試しモールド(1)，パターン深さ5μm）を使用し，熱ナノインプリント装置（オリジン電気（株）
Reprina-T50）を用いてインプリント成形を行った。成形条件はプレス保持時間を300秒に統一し，成形温度とプレス圧力を変化させた。図1はテスト用モールドのパターン配置図である。

図1 テスト用モールドのパターン配置

2. インプリント条件と成形品形状の関係

2.2 結果成形品の形状測定にはレーザー顕微鏡（オリンパス

2.1 実験方法
実験に用いた樹脂は表1のとおりで，コストや成形性の1

（株） OLS3100）を使用し，幅5μm，深さ5μmのL/Sパターンと幅50μm，深さ5μmのL/Sパターンについて断面形状を測定した。
図2にPET成形品のL/Sパターンの断面形状測定結果を示す。成形温度及びプレス圧力が低いため，樹脂がモールドの溝に十分充填されず，断面形状がドーム状になっていることがわかる。一方，成形温度とプレス圧力が高い場合は，モールドの溝形状を精度良く転写した結果，図3のように断面形状が矩形となった。

図4 形状測定箇所
PET樹脂とCOP樹脂成形品の成形温度と幅5μmのL/Sパターンのリブ幅の関係をそれぞれ図5，図6に示す。
いずれの樹脂も成形を行った条件の範囲内では，1.0MPa以下の低いプレス圧力で成形を行うと溝形状が正しく転写されないことがわかった。PET樹脂の場合，良い転写精度を得るためには，2.0MPaのプレス圧力で90℃以上の成形温度が必要である。また，COP樹脂の場合は，2.0MPaのプレス圧力と155℃以上の成形温度で精度の良い転写成形が可能であることがわかった。

図2 PET樹脂成形品の断面形状測定結果（幅5μm L/S）
成形条件 成形温度：75℃ プレス圧力：0.5MPa
プレス保持時間：300s

図5 PET樹脂の成形温度とリブ幅の関係（5μm L/S）

図3 PET樹脂成形品の断面形状測定結果（幅5μm L/S）
成形条件 成形温度：90℃ プレス圧力：2MPa
プレス保持時間：300s
成形品の転写精度の評価のため，成形品に形成されたリブ上面の平面部の幅をリブ幅（図4）として測定し，成形温度，プレス圧力との関係を調べた。測定寸法がモールドのパターン幅に近いものほど，精度の良い転写が行われたと見なすことができる。

図6 COP樹脂の成形温度とリブ幅の関係（5μm L/S）

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PET樹脂とCOP樹脂成形品の成形温度と幅50μmのL/Sパターンのリブ幅の関係をそれぞれ図7，図8に示す。
幅5μmのL/Sパターンと比較して，より低圧，低温の条件でも良い転写結果が得られていることがわかる。したがって，ある高さの形状をインプリントによって成形する
場合，成形条件を最適化するには成形部の高さだけでなくアスペクト比（幅と高さの比）を考慮する必要がある。

φ100

図9 MEMSパッケージ寸法

図7 PET樹脂の成形温度とリブ幅の関係（50μm L/S）

単位:mm

図10 モールドパターン（図のグレーの部分が彫込み部）
彫込み深さ：0.5mm
図11にMEMSパッケージウェハのインプリント成形用に作製したモールドを示す。モールド材料には，熱伝導率や加工性の良いアルミ合金（A7075）を用い，高速NCフライス盤（東芝機械（株） F-MACH442）とエンドミルを使用した切削加工を行った。
図8 COP樹脂の成形温度とリブ幅の関係（50μm L/S）
3. 樹脂製MEMSパッケージウェハの開発
3.1 モールドの作製
図9に1個当たりのMEMSパッケージの寸法を，図10にモールドパターンを示す。パッケージウェハの寸法は直径100mmとし，26個のMEMSパッケージを配置した。

図11 MEMSパッケージウェハ用モールド

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COP樹脂製パッケージウェハとシリコンウェハの接合品を図13に示す。パッケージウェハとシリコンウェハは良好に密着し，樹脂製パッケージウェハを用いたMEMSデバイス開発の可能性を示すことができた。今後，樹脂を用いたパッケージの実用化を進めるためには，接合強度や気密封止性能の評価も必要である。

3.2 樹脂製パッケージウェハの作製
使用した樹脂は表1のPET樹脂，COP樹脂の2種類である。パッケージウェハの成形には熱ナノインプリント装置を用い，成形温度，プレス圧力，プレス保持時間を最適化して成形不良の無い成形品を得る条件を見出した。
それぞれの樹脂における最適な成形条件を表2に，インプリントによって作製したPET樹脂製パッケージウェハを図12に示す。成形不良のないパッケージウェハを得るためには，シリコン製モールドによる成形と比較して，より高い成形温度と長いプレス保持時間が必要であった。
これは，パッケージウェハのパターン深さが0.5mmと深く，樹脂の流動性をより高める必要があることと，モールドの寸法が熱ナノインプリント装置のヒーターブロックよりも大きいことから，モールドと樹脂全体を加熱するのに長い時間を要したためと考えられる。

被転写材
PET樹脂
COP樹脂

表2 最適成形条件
成形
プレス温度
圧力
100℃
1.9MPa170℃
1.9MPaプレス
保持時間
600sec1200sec

図13 COP樹脂製パッケージウェハとシリコンウェハの接合品
4. 結言
市販のPET樹脂とCOP樹脂について，インプリントによる成形実験を行い，成形条件と転写精度の関係を明らかにした。
樹脂製MEMSパッケージウェハの開発においては，PET樹脂及びCOP樹脂を素材として用いたパッケージウェハをインプリントにより作製し，成形不良のない良好な成形品を得ることができた。さらに，成形した樹脂製パッケージウェハとシリコンウェハを接合し，樹脂製パッケージウェハを用いたMEMSデバイス開発の可能性を示した。

図12 PET樹脂製パッケージウェハ
3.3 樹脂製パッケージウェハとシリコンウェハの接合ウェハレベルパッケージングを行う上で，デバイスウェハとパッケージウェハとの接合方法が課題となる。本研
究では，各種接合方法，接着剤について検討を行い，常温で接合可能な紫外線硬化性樹脂を接着剤として採用した。接着剤には日東電工（株）のNT-01UVを使用し，パッケージウェハの接合面に塗布した後，シリコンウェハと貼り合わせ，紫外線照射を行った。紫外線照射には両面マスクアライナー（ユニオン光学（株）
PEM-800）の高圧水銀ランプを使用した。
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【平成21～22年度 県単研究 乳酸菌の高密度培養法の開発】

乳酸菌発酵物の有機酸分析とマロラクティック発酵による美味しさの付与
石川 潤一 ・ 伊藤 淑恵 ・ 羽生 幸弘 ・ 庄子 真樹 ・ 菊地 一郎* ・ 中村 茂雄
食品バイオ技術部 *㈱スミレコーポレーション
乳酸菌は発酵により乳酸を産生するのみならず，酢酸等の他の有機酸を副生成物として産生する。本研
究では高速液体クロマトグラフィ（HPLC）を用いてポストカラム法により，乳酸菌発酵物の有機酸組成を観察するとともに，乳酸菌が行うマロラクティック発酵を観察し，乳酸発酵によりもたらされる発酵食品の美味しさについて考察した。

キーワード： 乳酸菌，有機酸，HPLC，マロラクティック発酵，美味しさ
1. 緒言
乳酸菌は発酵食品において乳酸発酵により乳酸を生成し， 酸味を与えると同時に，pH低下作用により腐敗を防止する等，重要な働きを行っている。食品における酸味は食品五基本味を構成する一つであり，その大小が食品の味を大きく左右する。また，乳酸や酢酸等の有機酸組成の違いにより，食品の酸味・風味に大きい影響を与えることが知られている。
乳酸菌はその発酵形式によりホモ発酵型，ヘテロ発酵型に分けられ，ホモ発酵型では1分子のグルコースから2分子の乳酸を，ヘテロ発酵型では1分子のグルコースから1分子の乳酸と1分子のエタノールと1分子の二酸化炭素を生成する。どちらの発酵形式も乳酸以外の有機酸は産生されないが，乳酸菌の一部にはペントースを代謝して乳酸のほかに酢酸，蟻酸等の有機酸を産生する株も存在する。
本研究では乳酸菌が発酵物中で産生する有機酸の組成をHPLCで定性することにより，乳酸発酵により生成される有機酸組成を明らかにすることで，乳酸発酵が食品に与える味・フレーバーについて考察した。

表 1 使用乳酸菌
表 1 使用乳酸菌
株名属種

至適温度

JCM1134

Lactobacillus casei

37℃

MBR39

Lactobacillus plantarum

30℃

2.2 乳酸菌発酵物の作製
2.2.1 すりおろし野菜原料の発酵
ニンジン，トマト，タマネギの可食部をすりおろしたものを野菜原料とし，それぞれ，有機酸分析に供した。また，すりおろした野菜原料を混ぜ合わせ，JCM1134，および，MBR39をおよそ6.0×106 CFU/gの濃度で添加し，至適温度で24時間発酵させたものを有機酸分析に供した。
2.2.2 すりおろし調味野菜の発酵
ニンジン，トマト，タマネギの可食部をすりおろして，食用酢，香辛料，植物油等で調味したものを調味野菜とし，MBR39を添加して各条件により発酵させたものを乳酸菌発酵物とした。MBR39を6.0×106 CFU/gの濃度で添加したもの，対照として添加していないものをそれ
ぞれ10 ℃で35日間熟成させ，0日，3日，7日，14日，21日，28日，35日に各発酵物から採取し，有機酸分析，酸度測定，菌数測定に供した。

2. 材料と方法
2.1 使用乳酸菌
表1に試験で使用した乳酸菌の一覧を示した。
JCM1134はLactobacillus caseiのType strainであり，(独)理研バイオリソースセンターより購入した。MBR39株は市販の発酵野菜ドレッシングから分離したLactobacillus
plantarum 種の乳酸菌である。各々の乳酸菌は実験前に至適温度でMRS液体培地(Difco製)を用いて予備培養を行い，十分な増殖を確認後，サンプルに添加した。

2.3 有機酸分析
乳酸菌発酵物1 gを14,000×gで，10分遠心分離して上清を採取し，排除限界10,000 M.W.の限外濾過膜で濾過し，蒸留水で2倍希釈したものをHPLC (HITACHI製)を用い，ポストカラム法により測定した。システム構成
は図1の通りであり，また，測定条件は表2の通りである。
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であったが，乳酸等の主要なピークが明瞭に判断可能であることと，ピーク時間とピーク幅から他の有機酸の類推には問題がないと判断した。

表 2 HPLC 測定条件
表 2 HPLC 測定条件

サンプル

乳酸菌発酵物(限外濾過後，2 倍希釈)

注入量

10l

カラム

Unison UK-C18(インタクト製)④①4.6 mm I.D.×250 mm L.
移動相3 mM 過塩素酸水溶液

移動相流量0.5 ml/min

反応液③②⑨⑥⑦⑤0.1 mM BTB⑧⑪⑩⑫⑬⑭+ 30 mM りん酸二ﾅﾄﾘｳﾑ水溶液
反応液流量0.6 ml/min

カラム温度30 ℃

検出器(波長)UV-VIS (440 nm)

図 2 有機酸 14 標準品のクロマトグラム①りん酸，②ｸﾞﾙｺﾝ酸，③酒石酸，④蟻酸，⑤ﾋﾟﾙﾋﾞﾝ酸，⑥りんご酸，⑦乳酸，⑧2-ｹﾄｸﾞﾙﾀﾙ酸，⑨酢酸，⑩ﾋﾟﾛｸﾞﾙﾀﾐﾝ酸，⑪くえん酸，⑫こはく酸，⑬ﾌﾏﾙ酸，⑭ﾌﾟﾛﾋﾟｵﾝ酸

図 1 HPLC システム構成

図3にすりおろし野菜原料（トマト，ニンジン，タマネギ）それぞれのHPLCクロマトグラムを示した。原料由来の有機酸はりんご酸とくえん酸が主であることが明らかとなった。ゆえに，乳酸菌発酵物には，調味料として添加している食酢由来の酢酸，乳酸発酵由来の乳酸，原料由来のりんご酸，くえん酸が含まれることが示唆される。

2.4 酸度測定
乳酸菌発酵物を正確に4.0 g採取し，希釈水を用いて正確に10倍希釈後，攪拌しながら15分間程度放置し，濾紙を用いて固形成分を除去し，ホールピペットを用いて濾液から正確に10 mlを3回採取し，滴定用0.01 mol/l水酸化ナトリウム(NaOH)水溶液(和光純薬製)を用いて滴定して酸度を求めた。滴定指示薬にはフェノールフタレインを用い，pHが8.3付近の薄ピンクに呈色したところを中和点とした。3回測定後，滴定に要したNaOH水溶液の容量(ml)の平均値を酸度とした。
2.5 乳酸菌数測定
乳酸菌数は発酵物1 gを正確に採取し，定法に従い，希釈水により段階希釈した後，GYP白亜寒天培地とともに混釈し，37℃で48時間培養して，コロニーを数えることにより測定した。

図 3 野菜原料の有機酸クロマトグラム

3. 実験結果および考察
3.1 乳酸菌発酵物の有機酸組成
図2に14種類の有機酸標準品のHPLCクロマトグラムを示した。本報の条件では酒石酸と蟻酸，2-ケトグルタル酸と酢酸，ピログルタミン酸とくえん酸の分離が困難

図4に，すりおろし野菜原料を乳酸菌で発酵させ，HPLCクロマトグラムを測定した結果を示した。乳酸菌で6発酵させる前の原料にはりんご酸とくえん酸のピーク以外は出現していないが，乳酸菌で発酵させたサンプルは酢酸および乳酸のピークが出現し，特に乳酸発酵が進んだことが示唆された。また，原料と発酵物を比較すると，原料中のりんご酸の消失が確認された。JCM1134とMBR39のクロマトグラムについて，それぞれ，乳酸ピーク面積（Ilac）と酢酸ピークの面積（Iac）の比（Ilac/Iac）を解析すると，JCM1134のIlac/Iacは1.73，MBR39のIlac/Iacは21.8となり， MBR39のIlac/Iacが明らかに大きい。光学系検出器を用いた今回のクロマトグラムでは，系中の有機酸濃度とピークの面積はLambert-Beerの法則に従うことから，MBR39が産生する乳酸／酢酸比は，JCM1134の乳酸／酢酸比よりも大きいと言える。酢酸は揮発性の酸であり，官能的には酸臭として認識されるが1)，乳酸は不揮発性であるため，ほぼ無臭である。つまり，MBR39のように乳酸の産生比が多い乳酸菌は，発酵食品に対して酸臭をあまり与えずに乳酸発酵に寄与できると言える。実用を考えて，以降の試験ではMBR39を用いて発酵の様子を観察した。

図 5 乳酸菌発酵物の酸度変化

図 6 乳酸菌発酵物の乳酸菌数変化

MBR39を添加したサンプルで，乳酸菌数が一定以上存在し，発酵が進んでいるにもかかわらず，酸度が減少した理由を考察するため，発酵物の有機酸分析を行った。図7に発酵物の有機酸クロマトグラムの経時変化を示した。乳酸菌未添加のサンプルは35日目までりんご酸，酢酸，くえん酸のピークに大きな変化はなく，また，乳酸のピーク出現も確認できなかった。これは，素材由来の乳酸菌を含む，系中の微生物群の活動が穏やかであることを示唆している。MBR39を添加したサンプル
は7日目にりんご酸ピークの減少が確認でき，14日目にはりんご酸のピークは消失し，乳酸のピークが出現した。
これは添加したMBR39が活動し乳酸が産生されたことと，りんご酸が乳酸菌によって消費された可能性を示唆している。

図 4 すりおろし野菜原料発酵物の有機酸クロ
マトグラム

3.2 乳酸菌発酵物の酸度変化と菌数変化
図5に乳酸菌発酵物の保存期間(10 ℃，35日間)中における酸度の変化を示した。酸度はMBR39添加後7日間で上昇傾向にあったが，14日目から，MBR39を添加したサンプルは未添加のサンプルと比較して低い値を示し，その傾向は試験期間中継続した。図6に乳酸菌数の変化を示した。乳酸菌数はMBR39を添加したサンプルでは7日目までは微減し，14日目以降はわずかに増殖する傾向が示された。

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図 8 マロラクティック発酵
官能的に酸味の強いりんご酸が比較的酸味の穏やかな乳酸に変換されることで，全体としてまろやかな風味となることが報告されている3)。データには示さないが，実際に，MBR39で発酵させた乳酸菌発酵物の試食試
験では「調味しただけのものと比較してまろやかである」という感想が多かった。この結果は，MLFにより，りんご酸が消費されていることを官能的側面から支持していると言える。
4. 結言
・ MBR39はJCM1134と比較して乳酸の産生割合が大
きい・ すりおろし調味野菜に MBR39を添加して発酵させると，未添加のものと比較して酸度が減少する
・ MBR39はりんご酸存在下でマロラクティック発酵により，りんご酸を乳酸に変換し，まろやかな風味を与える
参考文献
1) Stoddart, D. M. 1980. The Ecology of VertebrateOlfaction. Chapman and Hall, London, U.K.
2) 乳 酸 菌 研 究 集 談 会 ・ 編 ： 乳 酸 菌 の 科 学 と 技 術 ，
p100-103 (1996)
3) 独立行政法人酒類総合研究所・編：新・酒の商品知識，p133-134 (2010)

図 7 乳酸菌発酵物の有機酸クロマトグラム経時変化（上：自然発酵，下：MBR39 発酵）

乳酸菌がりんご酸を消費して乳酸に変換する発酵を行うことがあり，これをマロラクティック発酵（Malo-LacticFermentation；MLF）という2)。MLFは主としてワイン中で，乳酸菌がりんご酸酵素により，りんご酸を乳酸と炭酸ガスに変換する反応を指し，ワイン以外でMLFが報告されている例は少ない。MLFの反応経路を図8に示した。この反応では，二塩基酸のりんご酸が，炭酸ガスと一塩基酸の乳酸に変換され，酸度が減少する。本結果でも同様に，MBR39添加によりMLFが生じ，りんご酸が乳酸に変換され，酸度が低下したものと考えられる。
8平成22年度
宮城県産業技術総合センター研究報告 No.8（2010）平成23年8月発行
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