【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.05.30】
課題データ / Project Data
課題番号 / Project Issue Number
24AT0150
利用課題名 / Title
微小立体をターゲットとした熱物性計測システムのための加熱機構の作成
利用した実施機関 / Support Institute
産業技術総合研究所 / AIST
機関外・機関内の利用 / External or Internal Use
内部利用（ARIM事業参画者以外）/Internal Use (by non ARIM members)
技術領域 / Technology Area
【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）加工・デバイスプロセス/Nanofabrication（副 / Sub）-
【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）マルチマテリアル化技術・次世代高分子マテリアル/Multi-material technologies / Next-generation high-molecular materials（副 / Sub）-
キーワード / Keywords
有機系機能性材料、高分子繊維材料、エラストマー、高分子系生体材料、光露光（マスクレス、直接描画）,蒸着・成膜/ Vapor deposition/film formation,スパッタリング/ Sputtering,光リソグラフィ/ Photolithgraphy,膜加工・エッチング/ Film processing/etching
利用者と利用形態 / User and Support Type
利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)
劉 芽久哉
所属名 / Affiliation
産業技術総合研究所
共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes
亀垣柊二,中川 栞,森岡亮太,相澤大地,野村光希,内藤知岳,山崎亮雅,加藤遼大,原口浩志
ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes
郭 哲維,杉山 和義,川又 彰夫
利用形態 / Support Type
（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）,技術補助/Technical Assistance
利用した主な設備 / Equipment Used in This Project
AT-006：マスクレス露光装置
AT-110：レーザー描画装置〔DWL66+〕
AT-081：プラズマCVD薄膜堆積装置（SiN）
AT-101：Ｓｉ深堀エッチング装置〔PlasmaPro_100〕
AT-045：触針式段差計
報告書データ / Report
概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)
有機・高分子材料を始めとするソフトマテリアルは、熱伝導性は決して高くないものの、その構造多様性と易構造制御性から、スマートサーマルマネジメントを担う次世代の熱的機能材料として活用が期待されている。ソフトマテリアルの熱伝導性などの熱物性の調査のためには、この物質群が持つマルチスケールで階層的な高次構造を直接計測可能な微小なセンシングシステムを、対象の材料に合わせて機動的に構築していくことが必須である。本研究では、光学リソグラフィーなどの微細加工技術を駆使して、有機・高分子材料のナノ・マイクロスケール熱物性を直接計測できるセンシングシステムを実際に構築し、これらの材料の微小スケールでの熱移動、構造変化などのダイナミクスの過程におけるin situの熱物性計測を目指す。
実験 / Experimental
ソフトマテリアルの局所的な熱物性を計測するためには、温度変化に対して高感度な集積センサーを作製する必要がある。本研究では、光学リソグラフィー技術(AT-006, AT-110)を用いて、微細センサー、マイクロヒーターアレイを作製し、Si基板上に製膜されたSiN薄膜(AT-081, AT-101)をウェットエッチングプロセスを用いてメンブレン化することにより、低熱容量かつ高集積な熱センシングデバイス[1,2]を作製した。また作製したデバイスについては種々の測定によってその形状を評価し最適な構造が形成されているか確認を行った(AT-045, AT-061, AT-065)。熱物性の計測においては温度波熱分析法(TWA法)の原理[3,4]に基づき、微小加熱デバイスによってサンプルを周期的に加熱、この加熱に対するサンプルの周期的な温度応答から、この微小なセンサーとヒーターで定義される区間の熱拡散率、熱浸透率を測定した。
結果と考察 / Results and Discussion
本研究で作製した、SiNメンブレン上の集積デバイスは、従来の熱物性計測のためのセンシングシステムと比較して10倍以上の感度を持つことが明らかになり、これらを用いてソフトマテリアルの相転移現象などをこれまでよりも詳細に、また入力の熱刺激を極力抑えた条件で計測することが可能になった。また、集積化されたマイクロヒーターアレイ上に化学増幅型レジストによって形成された種々の形状を持つ微小立体を作製し、これらをベンチマークサンプルとして、プローブを用いた局所熱拡散率計測の高精度化を試みた。任意の3次元形状を持つ微小立体の熱物性計測における3次元効果を実験的に定量化する手法として、微細加工技術を用いた参照立体サンプルの測定が測定精度の構造に大きく寄与することが示された(図1)。今後はソフトマテリアルのダイナミクス過程をターゲットとした、マイクロ流路と統合されたセンシングシステム構築を目指し、SU-8などの化学増幅型レジストを構造体として積極的に用いたデバイスの開発を目指す。
図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
図1 化学増幅型レジスト(mr-DWL)を用いたプローブ型熱物性計測システムのためのベンチマーク構造体の作製。(a)マイクロヒーターアレイ上に製造された種々のアスペクト比を持つ、mr-DWLレジスト構造体のSEM像。(b,c)マイクロヒーターデバイスのためのレジストパターンのレーザー顕微鏡像。(d,e)ヒーターアレイ状に作成されたmr-DWL構造体をデバイス上部から顕微鏡で観察した際のイメージ。
その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)
[1] F. Jiang, L. Schaller, M. Ryu, J. morikawa、S. Ingebrandt, X. T. Vu, “Micro-Joule heater and temperature sensor array on a suspended silicon nitride membrane for measurement of in-plane thin film thermal diffusivity”, Sens. Act. A Phys., 362(1), 114635 (2023).
[2] F. Jiang, M. Ryu, V. Pachauri, S. Ingebrandt, X. T. Vu, J. Morikawa “Lock-in photothermal method for in-plane thermal diffusivity measurements using arrayed temperature sensors on suspended SiNx membranes”, Rev. Sci. Inst., 94, 094903 (2023)
[3] J. Morikawa, T. Hashimoto, "Thermal diffusivity of aromatic polyimide thin films by temperature wave analysis", J. Appl. Phys., 105, 113506 (2009)
[4] M. Ryu, J.C. Batsale, J. Morikawa, "Quadrupole modelling of dual lock-in method for the simultaneous measurements of thermal diffusivity and thermal effusivity", J. Heat & Mass Transfer, 162, 120337 (2020).
成果発表・成果利用 / Publication and Patents
論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
- 劉 芽久哉「局所熱物性計測のための集積センシングシステムの開発」第60回熱測定討論会、2024/9/28
- 亀垣 柊二、劉 芽久哉、森川 淳子「薄膜MEMSセンサーを用いた極微小試料の局所熱拡散と液晶相転移への応用 」第60回熱測定討論会、2024/9/28
- M. Ryu, F. Könemanna, S. Kamegaki, C. van Nisselroy, K. Buddha, E. Cagin, J. Morikawa, "Detection of Dynamic Temperature Modulation using a Thermal Scanning Probe Lithography (t-SPL) System" Rev. Sci. Instru., submitted
特許 / Patents
特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件