平成8年鹿 研究報告 大分県産業科学枝楠センタ】

TiNi形状記憶合金薄膜アクチュエータの製作
池田 哲り」、幡睦憲・秋本恭喜り」、関由知＊。桜井大輔＊・藤本公三＊・仲田周次＊
機械電子部。大阪大学工学部＊

Pro血ctionofTiNiSbapeMemo町刃loyTb血FiimAc旭Or
TetsuIKEDA・M．OBATA。YAKuOTO・Y．OZEKl＊・D．SAKURAI＊・K。FUJⅢ漬OTO＊・S．NAKÅrA＊
Mechanics＆ElectronicsDivision・FacuityofEngineering，OsakaUniversity＊

要旨
本研究での約20〃m厚のTiNi薄膜は，多様な条件パラメータでCuホイル基板上にスパッタリングされ，その後，結晶化熱処理と時効処理を施される．TiNi形状記憶合金薄膜アクチュエータの評価は，薄膜特性とアクチュエータ動特性の評価によりおこなわれる．その結果，蛍光Ⅹ線によるTiNi薄膜の組成分析結果は，スパッタリング中のArガス圧制御の重要性を示し，示差走査熱量計によるTiNi薄膜の相変態温度測定結果は，Ni組成比が49．2at．％から53．比％の時，バルク材の相変態温度変化より安定していることを示す。結局，スパッタリング後のTiNi薄膜の変形の有無が，如ガス圧0．6諏a，基板温度573Kとなる最適スパッタリング条件を決定する．この最適スパッタリング条件により製作されるTi−51．餌％Ni形状記憶合金薄膜アクチ
ュエータは，繰り返し駆動実験での形状記憶変位の再現性と相変態温度の安定性の評価により，アクチュエータとしての安定駆動性を示す．以上から，著者らは，TiNi薄膜のアクチュエータへの適用の可能性を確認できた．
取り出される。次にmi薄膜は，熱拡散炉中にて，Arガス雰囲1。緒言
近年，マイクロマシン技術が注目を浴び，マイクロマシン気中と真空中の2通りの熱処理を施され，その熱処理条件は，研究が盛んにおこなわれている。なかでもマイクロマシンにはアモルファス状態であるm主薄膜の結晶化のために耶3K3伽血駆動源が不可欠であることから，多種多様なマイクロアクチュ（溶体化熱処理），形状記憶化のために773K300m血（時効熱処エータ（微小駆動源）の研究開発がおこなわれている．マイク理）である．

ロアクチュエータには静電，圧電熱電磁誘導等を利用する

2．2TiNi形状昔己憶合金薄膜の評価方法タイプがあり，なかでも熱を利用する形状記憶合金は動作と発丁糾i薄膜の形状記憶特性の評砺方法さもFig．旦のとおりである．

生力が大きく，単純な機構であるのでマイクロ化には極めて有成膜後のmi薄障の組成比は，蛍光Ⅹ線分析装置により測定し利l〉である．この形状記憶合金をマイクロ化できれば，形状記ている。またmi薄膜の形状記憶特性は示差走査熱量計 のSC，憶合金をマイクロアクチュエータに応用したマイクロマニピュ

以下DSCと記す）を用いての，温度勾配まOK血血，573Kからレータ，マイクロスイッチ等のマイクロシステムを製作することが可能となる．
そこで本研究では，mi形状記憶合金薄膜の形状記憶特性のスパッタリング条件依存性と，mi形状記憶合金薄膜のアクチュエータとしての動特性の安定性を検討した．

2．耶帖形状記憶合金薄膜の作製
2．1TiNi形状記憶合金薄膜の作製プロセス

Analysisofcrysta‖lZationtemperature（Di貌rentiaまscanningca呈orimeter）

T那形状記憶合金薄膜の作製プロセスは，Fig．且のとおりで

So山t童0n heattreatmentある。mi薄膜の形成は，Rアマグネトロンスパッタリング装置（973K30m豆n）
Agmg（773K300mim）

を用い，基板温度（293軋423K，573K）とÅrガス圧力（0．23Pa，0．6符叫2，00Pa）をパラメータとする条件で，mi（5α50組％）

Analysisoftransformationtempe「atu（e（Di艶rentialscanningca王or亘meter）

合金ターゲットにRぎパワー300Wで3鰍ー血印加され，ターゲッ
トから55mm離れたmホイル基板上に約20〃m膜厚のT郡i薄膜は，形成される．mi薄膜を剥離するためタ mホイル基板は，
Fig．旦F癒貞c癒ionproc岱SOfT糾i軌如蓋血00％硝酸溶液で溶解されT錮薄膜は，蒸留水で洗浄された後，−64−平成8年慶 研究報告 大分県産業科学植術センタ血873Kの加熱過程での結晶化温度測定，温度勾配10軋血h，i73Kかに大きくなっている．これは，基板温度が高くなるにつれて，から373Kの冷熱加熱両過程での相変態温度測定により評価さ融点の低しWiが，薄膜表面での表面拡散を始め，罰よりも薄膜れる．

表面での吸着及び凝縮量が大きくなり，その分Ni組成比が大きくなるためである3）．
3．TiNi薄膜の形状記憶特性のスパッタリング

Fig．3は，基板温度573K一定で，Årガス圧力を0．23Paから2，00Pa条件依存性と変化させた時の血ガス圧力とmi薄膜のNi組成比の関係を示

3．1TiNi薄膜の組成したものである．これからわかるように，Arガス圧力が0．23Pa

合金ターゲットのスパッタリングでは，各元素のスパッタから2．00Paと高くなると，Ni組成比が53．出漁％から49．2放％へとリング率の相違から合金ターゲットの組成と形成された薄膜の著しく小さくなっている．これは如ガス圧力が高くなると，平組成が異なる．またバルク材のTiNi形状記憶合金では，Ni組成均自由行程が小さくなり，Niと¶の質量差による直進性の差が比が0・1姐％変化すると，マルテンサイト変態温度が10K変化すなくなる，そしてNiとⅥは，同様に散乱するようになり，相対る2）という組成に関する報告があり，mi薄膜の組成比の制御的にNi量が減るためである．

が重要である．mi薄膜の組成に影響を及ぼすパラメータは，以上から，成弓莫後のT糾i薄挨の組成比犠 基板温度よりも如スパッタリング時の基板温度とArガス圧力である。

ガス圧力に大きく依存していることがわかる．このことより組Fig・2は，Arガス圧力0・67Pa一定で，基板温度を293Kから573Kと変化させた時の基板温度とT郎i薄膜のNi組成比の関係を示し成の安定したT糾i薄膜を成膜するに楓 スパッタリング中のArガス圧力を制御することが重要となる。

たものである．これからわかるように，基板温度が293Kから3．2Ti摘i薄膜の残留応力573Kと高くなると，Ni組成比が51．6鳳％から52．OaL％へとわず

丁糾i薄膜に任意の形状を記憶させるという観点から，成陣後一案一三≡≡−二三≡のT郎i薄膜はフラットであることが重要となる．しかしながら，成膜後のT糾i薄膜は，スパッタリング装置の基板ホルダーからの解放と同時に，残留応力により丸まったり，反ったりする場
52合がある．このmi薄膜の残留応力の測定は，試料側面からの〆一一一一一一→診一一一−〆〆〆㌦ノ〟欄

目視により，mi薄膜の残留応力量を大＝3，中＝2，小＝1軒一−−の数値で評価している．
05二ちこニ≡≡Fig。4は，前項のスパッタリング条件について，mi薄膜のN主組成比と残留応力量の関係を示したものである．成膜後の84

T加ぇ薄膜の残留応力は，Ni組成比が大きくなるに従い，大きな引っ張りから応力0，小さな圧縮応力という順に変化している．

250 350 450 550 650
Substratetemperature［K】

特にmi薄膜の残留応力が0になるNi組成比は約52叙％であり，
F喧3の血ガス圧力とm皇薄膜のNi組成比の関係から，スパッタ

Fig・2Ⅰ畑u甜∝Or餌b蝕鹿tem匹鰯uredu血gsp此血gonmi血−

リング条件では，基板温度573K，A㌻ガス圧力0．67Paとなる，￡血00mPOSidon．（Arpre弧u・e：0．6滞a）

O l且
2t董菱叫卜篭茎巴芝≡叫SS巴d∈OU→←更意秦ご丁一て︼コ上Jヱ≡≡＝≡こ〒孝ごブコ一つブリ︶一︻革︸ヱ薫け

50

4811．！

148

旦050

52

NiratioorTiNithinfilmFat．％j

Argaspressure［Pa］
Fig・3王n鮎m∝0ぎArg鮎pre弧∬ed血喝甲u飴血gon個i員加Fig．4Residud如e嘉OfT那i血m貢1munderv加ou500m匹Sidon・（餌bs旭etem画∬e：573K）

甲u洗mgconditions．

−′、こ「−−54平成8年廣 研究報告 大分県産♯科学技術センター

卜母相へ戻る．こうしてmi薄膜はテ 形状を記憶する．

またmi薄膜の残留応力の引っ張りから圧縮応力への転換点

をもⅥ薄晩Ni薄膜の内部応力転換庶）とほぼ一致している．

Fig．7は，3．1項のスパッタリング条件について，mi薄膜の3。3耶闘薄膜の結晶化温度

N組成比と相変態温度の関係を示したものである．図中の黒点

丁銅iは結晶化温度以上の熱を受けると，形状記憶合金となは巨如ガス雰囲気中での熱処理を，また白抜き点は∴真空中でる．従って，成挨後はアモルファスである‡1Ni薄膜の結晶化温の熱処理を表している∴Ⅷ梢薄膜のアクチュエータへの応用を度を測定する必要がある．Fig．5は，3。1項のスパッタリング条件考えた場合，真空中で熱処理した試料の方が，Ml＊が高く，まについて，mi薄膜のNi組成比と結晶化温度との関係を示した

たM皇＊とM2＊がともに，Å1＊より低温となっており，形状記憶ものである∴耶梢薄膜の結晶イヒ温変は，74l。5監〜783．1Kの間に特性と駆動制御性が良い．この差異について，Årガス雰囲気中あり，mi薄膜は，少なくとも7S3．1K以上で結晶化することがでの熱処理時の，mi薄膜の酸化が考えられ，著者らは，ESCAわかったので，溶体化熱処理温度は，釘3Kとする．

により，熱処理後のmi薄膜の表面分析をおこない，如ガス雰

一方，mi薄膜のNi組成比が大きくなるに従って，ⅥNi薄膜囲気中での熱処理後のmi薄膜表面及び内部に酸素の存在を確の結晶化湿度は，7軋5Kから7＄3。1Kと上昇しており，F隠4の成認している刃。
Tiヰ9．2＆％Ni薄膜は，M且＊とÅ1＊を有し，1段階のマルテン

膜直後のmi薄膜の残留応力と相関があることがわかる．これは，例えば，大きな引っ張り応力という歪みを有する罰一サイト変態をおこない，Ni組成比51。触％から53J旭％の罰Nj薄線2放％Ni薄膜は，その内部エネルギーは大きく，発熱しやす膜は，Ml＊，Al＊とM2＊，A2＊を有しタ 2段階のマルテンサイくなり，発熱温度が低下するため，結晶化温度が低くなると説ト変態をおこなう．Ni組成比がおおよそ51姐％を超えるバルク明できる。

材の耶醐形状記憶合金は，マルテンサイト変態途中にR相が出3．4T㈲蒲順の相変態温度現申し，マルテンサイト変態とR相変態の2段階の変態をおこ

時効熱処理彼のmi薄膜の形状記憶特性はタ 相変態温度のなうことから，スパッタリングによ郡ま組成比5ま．6叙％からDSC分析により評価する．Fig．6は，Ar雰囲気中で熱処理した試53．1叙％のmま薄膜は，バルク材と同様にマルテンサイト変態料のDSC分析結果の例で，耶墟53。1組％Ni薄膜を分析したものでとR相変態をおこなうと推測される．

ある。

一束耶Ni薄膜の渦紋成比が，49．2叙％から53。旭％へと3．蝕％Ti−53。1奴％Ni薄膜は，冷却時ら315．9Kと1％．3Kの2つのマル変化する時，mi薄膜のマルテンサイト変態（M且率）ピーク温テンサイト変態ピーク（M2＊，Ml＊）を，加熱時i001．2Kと320．8K度の差は12．4Kであり，また逆マルテンサイト変態（Al＊）ピーの2つの逆マルテンサイト変態ピーク（Å呈＊，Å2＊）を有してク温度の差は錯乱である．バルク材の耶Ni形状記憶合金では，おり，Ml＊とÅ1寧，Mn＊とA2＊の2段階の相変態をおこなう．

N星組成比が互。0姐％変化すると，変態温度がはⅨ変化することか

つまり罰−53．旭％Ni薄膜は，冷却により，3亜K近傍でオーステ

ら，mi薄膜の形状記憶特性は，Ni組成比に関して，バルク材ナイト母相からマルチンサイトへ変態し始め，1幻K以下になるよりも安定している．従ってスパッタリングによ卿i薄膜作と，完全にマルテンサイトとなる．耶一53．1奴％Ni薄膜は，逆に製は，形状記憶特性の制御性が良いといえる．

加熱されると，翁OK近傍でマルテンサイトからオーステナイト

T酎i薄膜をアクチュエータに応用する際は9茄Ni薄膜は，一母相へ逆変態し始め，340K以上になると芦 完全にオーステナイ定の変態温度で，任意の形状を記憶する必要がある．一定の変冒琶㌫己苫盈→∴︶﹁25毒︶P長︼ 烏∈b−竜︶メー⊥

一己一2コ︼2邑∈空U〇ニ更≡︻まご︺且5348505254且97

24i 285329

373

1七nlドml皿申り

NiratioofTiNithin茄1mEat．％】
Fig．6DSC陀S通告Of墨一53．1紋％Ni触鮎n血he感触缶瓜

M＊：m離農IS池c鹿腿fbm威iontm卿eFig・5C野蝕肋感on鱒OfT糾i蝕n負血st癒訂

A＊：陀Ve王闇mぬ主点c鹿王威m嘘iont郡鱒血陀Ⅴ癒0腿呼u鹿血g00n血ons，−66−

平成8年鷹 研究報告 大分興産疑科学技術センター
態温度という観点から，mi薄膜のNi組成比の制御が重要であむ方法である．

り，また任意の形状という観点から，スパッタリング後のmiまたmi薄膜アクチュエータの形状記憶特性の安定性の評価薄膜の残留応力の制御が重要である．従って，以上の結果から，

は，印加電力1．3W，印加時間0．1沈の通電加熱により，逆変態

これらを満たす最適なT糾i形状記憶合金薄膜のスパッタリング

したT糾i薄膜が，0．5gの負荷を持ち上げる運動を繰り返した彼

条件は，基板温度573軋Arガス圧力0．67Paとなる．の，T鋸i薄膜アクチュエータの相変態温度をDSC分析することによりおこなわれる．

礼 丁重Ni薄膜アクチュエータの勤特性の安定性

4．2TiNi薄膜アクチエエ岬タの変位の再現性

4．1実験及び評価方法

F宣g．iOは，通電加熱による駆動回数と，形状記憶角300 に対TiNi薄膜をアクチュエータに応用するためには，まず駆動回するmi薄膜アクチュエータの変位角の関係を示したものであ数に対する変位の再現性と形状記憶特性の安定性等のアクチュる．TiNi薄膜アクチュエータの変位角怯駆動回数300回まで30．9エータとしての勤特性の安定性を検討する必要がある。今回の±0．20 の変位精度を示し，その後，駆動回数400回，文出回と通電加熱による駆動実験には，3章の実験結果から，基板温度やや大きくなり，駆動回数柑00直で若干小さくなる傾向がみら

573Kっ Arガス圧力0．67Paのスパッタリング条件で成8莫された¶・れる．しかしながら駆動回数1（咲）回を通じて，mi薄瞑アクチ

51．8鉱％Ni薄膜を用いた．Fiがは，実験に用いたT訓i薄膜アクチ

ュエータ変位角は，31．5±0ぷ の精度範囲で安定している。

エエ岬タの形状を示したものである。

ヰ．3Ti和室薄膜アクチュエータの形状脚部朝生の安定性

T糾i薄膜アクチュエータの変位の再現性の評価は，mi薄膜

Fig．11は，通電加熱による駆動回数と，負荷を持ち上げる運アクチュエータの変位角を測定することによりおこなわれる．

動をおこなった後のTiNi薄膜アクチュエータの相変態温度の関Fig．列もT糾i薄梓アクチュエータの変位角の測定方法を示し係を示したものである．マルテンサイト変態温度（Ml＊）は，ており，印加電力3．56W，印加時間i諾Cの通電加熱により，300駆動回数10［司までに約7K上昇し，その後徐々に緩やかな上昇との形状記憶角に逆変態したmi薄膜に，半導体レーザ｝からのなり，駆動回数100回復には，1回目の駆動から約15K程高い温光を当て，その反射光を位置情報として，CCDカメラに取り込度となり，駆動回数10000固まで，そのまま安定する．一方，
逆マルテンサイト変態温度（Al＊）とR相変態温度（旭＊）はともに，駆動回数1㈱回まで約i6K上昇し，その後駆動回数i0000回までに，約9K下降する．しかしながら，mi薄膜アクチュエータのいずれの相変態温度も，駆動回数10000回まで±9Kの温一∠て﹂つJ000′人じ2二ご乙≡三≡三≡⊆一づ⁝ご﹁Fiimthickness：20〟mFig．8S近e弧dsha野OfT糾iぬ血色加地r

Semiconductor
LASER

48

5052
NiratioofTiNithin圭一まm［at．％】

54

Fig．7旭m感ontmperatu托OfT糾i血n畠1msぬhea宣廿鑑由nent．

Fig．9Schema裏cillt鹿ationofm弧−em飢t町鹿mofsha匹M＊：m離孤Sidc翫酌Sfbma血ntem妄光王て血脈

memo町弧gleoぎT糾i血頂点血a蛮u威0こ

A＊：陀Ve指emぬidc加躇ぬma如ntmpe王て瓜腔ー67≠平成8年度 研究報告 大分県産♯科学技術センター

T錮i薄膜のアクチュエータへの適用の可能性が確認できた．

度範囲で安定しているⅥ また逆マルテンサイト変態温度（Al＊）

が下降すると，逆マルテンサイト変態温度とマルテンサイト変態温度の温度差は，小さくなり，その分丁糾i薄膜アクチュエー

5．緒言
本研究は，T郎i薄膜の形状記憶特性のスパッタリング条件依タの駆動制御性は，向上することになる．
以上のTNi薄膜アクチュエータの動特性の安定性の評価から存性と，アクチュエータとしての動特性の安定性を検討したものである，以下にその結果を要約する．

4

つJ3つJ2如ガス圧力に大きく依存する．

（2）スパッタリングで成膜するmi薄膜の残留応力は，約2052姐％のNi組成比でほぼ0となる。

や● ● ●（3）Ti一枚2奴Wi薄膜は，1段階のマルテンサイト変態を，Ni組成比5i．触％から53．1弧％のT削i薄膜は，マルテンサイト変00﹁き三ン一き一こ﹂〇i＝リ≡邑≡一′（1）TiNi薄膜の組成比は，スパッタリング時の基板温度より，態とR相変態の2段階の相変態をおこなう．
（4）スパッタリングにより作製するTiNま薄膜の相変態温度は，0組成依存性が小さく，バルクより広い範囲で安定している．

200 400 600 800 1000

（5）T糾i薄膜の最適スパッタリング条件は，基板温度573K，RepetitionnumberEN】

Arガス圧力0．67Paである．
Fig・10R▼epeatabili年TOfshapememoryangleofTiNithin貢hactuaior
感ermovemenと（el∝扇c野Wer：3．56W pui父Wid軋ま父C，（6）Ti−51．8組Wi薄膜アクチュエータの変位角は，駆動回数拍00回まで，±0．㌢ の精度で安定している．
（7）Ti−51．8洩％Ni薄膜アクチュエータの変態温度は，駆動回数

W撤outload）1（頗Ⅹ）回まで，±9Kの精度で安定している．

●一l、・・

謝辞
本研究の遂行にあたり，多岐にわたるご指導を承りました

l・、、、l・・、、

一己一2三⁝乙≡ヱ−⁝ニ≡＝て丁⊂≡一︑

大分県産業科学技術センター南條基センター島 佐藤壱主幹＼ −−−、、、研究員に深く感謝いたします。
＼＼＼＼＼＼参考文献
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3）小林春洋： スパッタ薄膜基礎と応用 ，日刊工業社▲＼ll事【Ll（1弊3），P．80

・＼i二I［Ll4）J．丸竹omtonフD．W．Ho蝕弧： b短m裏s短文鵡血amorpholぷSilicon
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Fまg・1まS也biユi年Of血5ゐm感on短m匹㌻奴1reOfmi血h負1m5）松枝弘急伸田周次： TiロNi形状記憶合金薄膜の作製とそのac餌叙Or感ermovemenL（elec扇c野Wer：呈．3Wpulse㌔Vi地：

マイクロアクチュエ山タとしての特性 ，大阪大学大学院

0・1父℃，q′Cle：2s∝，loadⅥ′eig奴0．5g）

修士論文（i舛6），P．26

M＊＝mぬまdc加nsぬm癒ontem鰐Ⅰ触陀6）宮崎修一，石田章： 形状記憶合金薄膜∵金凰肩口8（i弊3）がA＊：陀Ve悦mぬidcぬr㌍戒）m叙iontem卿−68−