形状記憶合金薄膜を用いたアクチュエータの作製－マイクロシステムの開発－
秋本恭喜・小幡睦憲・池田 哲・江田善昭・岡田正孝
生産技術部

Fabrication of actuator which uses shape-memory alloy thin film.
－ D ev e lo p m en t o f m ic ro sy ste m－
Yasuki AKIMOTO･Mutsunori OBATA･Tetsu IKEDA･Yoshiaki EDA･Masataka OKADA
Production Engineering Division

要旨
TiNi 形状記憶合金薄膜を用いた，カンチレバー型の TiNi／SiO2／Si 三層構造アクチュエータを作製した．また加熱・自然冷却により可逆的駆動動作を確認し，そのときの抵抗値・変位量を計測した．併せて，マイクロシステム開発に向け，ガラス基板加工・フォトリソグラフィ・ウェハー各プロセスデータ取得を行った．

1.

はじめに形状記憶合金は，一般に，メガネフレーム，携帯電話のアンテナ，下着など広く利用されている．
また，形状記憶合金は大きな動作量と発生力を有し，単純な機構であるので，形状記憶合金をマイクロ化できれば，他のアクチュエータと比較しても将来有望なマイクロアクチュエータとなる可能性がある．
さて，Si と SiO2 膜の間には Fig.1 のように，膜面が凸面

Fig.2 システム構造案になって基板表面が薄膜の拡張力を受け，薄膜断面に膜の拡張を妨げる圧縮応力が作用する．このためこの内部応力

2.

作製プロセスについてにより曲がろうとする力に対し，平面等に形状記憶された半導体製造微細加工技術を利用したパッケージ用ガラ

TiNi 形状記憶合金膜を貼り合わせることにより形状記憶ス基板加工プロセス及び，シリコンウエハからカンチレバ合金薄膜の復元力を利用してダイヤフラム式やカンチレー式アクチュエータを形成するプロセスを Fig.3～Fig.5 にバー式構造のアクチュエータを構成し，マイクロシステム示す．

への適用を検討している．

Fig.1 内部応力による変位を利用
例えば，Fig.2 のようなスイッチを想定し，過電流により形状記憶合金が過熱時所定の温度で，平面への復元力により電気回路を遮断するシステムの実現に向け試作・検討中である．

Fig.3 パッケージ用ガラス基板加工プロセス

2.1 薄膜の成膜［Fig.5 中(1)(2)］

主要な形状記憶合金薄膜・TiNi 薄膜の形成は，DC マグネトロンスパッタ装置を用い，基板温度（300℃），Ar ガス圧力（0.5Pa）にて，TiNi（60/40at.%）合金ターゲットにDC パワー100W で 60min 印加，ターゲットから 100mm 離れた 2 インチφ200μm 厚の 0.5μm 厚酸化膜付きシリコンウエハ基板上に約 0.9μm 厚の TiNi 薄膜を形成した．その後，形状記憶のための熱処理(700℃0.5hr／500℃5hr)を行った．TiNi 薄膜の成膜レートを Fig.6 に示す．
また，TiNi 薄膜の示差走査熱量計（DSC）測定結果をFig.7 に示す．マルテンサイト変態点（59.06℃），逆マルテンサイト変態点（76.74℃）をそれぞれ得た．このときの薄膜の組成比は，Ti : Ni = 55.6 : 44.4 であった．

1.8
1.6thickness（μm）

1.4Fig.4 作製プロセス－フォトリソプロセス－

1.2
10.80.60.4
0.200204060time(min)80100120Fig.6 TiNi 成膜レート

Fig.7 TiNi 薄膜の DSC 結果
SiO2 薄膜の形成は，RF マグネトロンスパッタ装置を用い，常温で Ar ガス圧力（0.1Pa），SiO2 ターゲットに RF パ
ワー100W で 300min 印加，ターゲットから 150mm 離れた
TiNi 成膜後の基板上に約 0.5μm 膜厚の SiO2 薄膜を形成した．SiO2 膜は Si 層エッチング時，TiNi 薄膜を保護するために使用する．SiO2 薄膜の成膜レートを Fig.8 に示す．
Fig.5 作製プロセス－ウェハープロセス－

1250

0.9200Etching Depth（μｍ）

0.8thickness（μm）

0.7
0.6
0.50.4
0.3SF6(DRY)
TMAH(WET)

150

100500.2
0.100204060

800100120140160

180200ｔime(min)0100

200300time(min)

400

500

600

Fig.10 Si エッチングレート

Fig.8 SiO2 成膜レート

3. 試作・評価
2.2 フォトレジスト塗布･パターニング [Fig.5 中(3)(4)］

3.1 カンチレバーの試作

フォトレジストには，ネガ型レジスト(OMR85,25cp)，前四対のカンチレバーが電極パッドを介して電流導入で処理剤に HDMS(ヘキサメチルジシラザン)をスピンコータ1)で塗布 ，ベーク後両面露光機で露光後，現像した．各装置を Fig.9 に示す．

きるように配置，試作した試料外観を Fig.11 に示す．
なお，カンチレバーサイズは，長さ 7mm×幅 3.5mm，最小電流経路幅 1.5mm とした．

TiNi

SiSi
TiNi

Fig.9 スピンコータ・両面露光機
2.3 薄膜のパターニング［Fig.5 中(5)，(9)］SiO2 薄膜は，緩衝フッ酸 BHF（HF+NH4F=1:5（体積比））
溶液で 8min，TiNi 薄膜は HF+HNO3+H2O（=1:1:2(体積比)）
溶液 10sec 浸せきによりパターニングを行った．特に，パターニング中フォトレジストが HF+HNO3 液に対して剥がれやすくなるため，処理時間の短縮化，浸せき処理前後のレジストのベーキング及び，レジスト塗布前の前処理剤
Fig.11 試作試料の外観(HDMS)コートが必要不可欠である．
2.4 Si 層のエッチング 2) ［Fig.5 中(7)(8)］

3.2 加熱試験

Si エッチャントとして 25％水酸化テトラメチルアンモ

試作試料をホットプレートにより加熱・自然冷却を行ニウム水溶液(TMAH)によるウェット及び，六フッ化硫黄い，そのときの変位をビデオ及びレーザー顕微鏡により観（SF6）によるドライエッチングを併用した．それぞれのエ測した．室温～加熱昇温時～降温時のカンチレバーの変位

ッチングレートを Fig.10 に示す．の様子を Fig.12 に示す．
約 50℃を超えたあたりから徐々にカンチレバー先端が上昇し始め，80℃でほぼピーク位置となった．降温側では，80℃から徐々に下降しはじめ 40℃にかけてゆっくりと下降したが昇温前の状態までは，完全復帰しなかった．

変位量は，カンチレバー毎にバラツキが見られたが，レ1ーザー顕微鏡計測により，加熱昇温時に約 260～450μm 上0.98昇し，降温時に約 180～440μm の下降が確認された．

0.960.94
抵抗比0.92
加工前
加工後

0.90.880.860.84

室温(22.7℃)

0.820.830405060708090Temp(℃)

Fig.14 温度－抵抗特性
加熱昇温時(80.5℃)

4.

むすび

以上，TiNi 形状記憶合金薄膜を用いた，カンチレバー型の TiNi／SiO2／Si 三層構造アクチュエータ作製の取り組みを報告した．
降温時(34.9℃)
Fig.12 加熱昇温・降温時の変位状況

今回試作により TiNi／SiO2／Si の三層サンドイッチ構造において加熱・冷却により可逆的駆動動作を確認できた．また併せてマイクロシステム開発に向け必要となるガ

3.3 電気抵抗値評価

ラス基板加工・フォトリソグラフィ・ウェハー各プロセス

四端針プローバにホットプレートを設置し，試料を加熱データを取得した．

昇温～降温させる際に，四端子抵抗法により電極パッド間現状，Si 層のエッチングにおいて，TMAH エッチング及の抵抗値を評価した．評価状況を Fig.13 に示す．また，び，SF6 ドライエッチング時のエッチング量にムラがあり，温度による抵抗値の変化を Fig.14 に示す．

カンチレバーの角度・位置にバラツキがみられた．このこ

Fig.12 で示すカンチレバーの変位の開始と終了の温度が抵抗値の変化状況と良く一致していることが判った．
ただ，TiNi 薄膜の抵抗変化（相転移）温度幅がパターニとから位置決めには Si 層の厚み制御に工夫が必要である
こと及び，各薄膜・Si 層それぞれの最適な厚みを求める必要がある．

ング加工前と比較すると+5℃程ブロードになっている事

これらを踏まえ，今後形状記憶合金薄膜をアクチュエーが確認され，フォトリソプロセス，ウェハープロセスを経タに適用する試みを進展させ，電子回路に組み込めるマイて膜の劣化が進んでいると想定される．

クロブレーカーや，情報機器分野へ向けたスイッチなど新また，各端子間の電気抵抗は，TiNi 薄膜の膜厚とパター規なマイクロシステム開発へ取り組む．

ン幅に依存するが，24Ω程であった．
参考文献
1)

難波康典､”Si 光導波路の作製”､高知工科大学卒業研究報告､平成 17 年 2 月 22 日2)江田善昭,閔慶福､”TMAH による Si のウェットエッチング”,平成 16 年度大分県産業科学技術センター研究報告,pp.42-44
本実験に使用した DC マグネトロンスパッタリング装置（i-sputter）は，日本自転車振興会の補助金を受けて平成 15年度設置したもの.
Fig.13 電気抵抗の評価