当研究室で学べる技術

微細加工

 コンピュータのCPUなどの半導体電子回路を製作する微細加工技術を応用して,マイクロメートルの機械的構造物を創造できるようになりました。この微細加工技術は,自動車のエアバッグ,スマートフォンに使われている加速度センサや光スイッチに応用されており,MEMS(Micro Electro Mechanical Systems,メムスと読みます)と呼ばれています。さらにMEMSの技術を応用して製作できる基板上に微細な流路や反応容器を加工したデバイスを用いて,化学合成や物質の操作や検査を高効率で高精度に実施できる研究が発展しています。この分野は,マイクロタス(microTAS),ラボオンアチップ(Lab on a Chip),バイオMEMS,バイオチップなど,様々な名称で呼ばれています。本研究室には研究で使用するためのデバイスを製造可能な各種機器,評価装置があるので,学生がデバイスの設計と試作を実施できます。

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フォトリソグラフィ加工

 フォトリソグラフィ加工は,光(フォト)を使って基板に(絵や文字を含む)画像パターンを刻み込む(リトグラフ)技術です。微細加工では,製造物のスケールがマイクロスケール(髪の毛の太さが100μm程度)のため切ったり削ったりする加工法が困難です。このため光と化学反応を使ったフォトリソグラフィ加工が使用されます。

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 フォトリソグラフィ加工では,最初にCADソフトを用いて作製したいものをデザインし,このデータをもとに,フォトマスク(原版)を作製します。フォトマスクとは,ガラス基板やプラスチックフィルム上に透明部分と不透明部分のパターン(デザイン)が描かれているもので,ガラス製のフォトマスクのパターンはクロムなどの金属膜が使用されます。
 このプロセスでは,最初に微細加工を施す基板材料(シリコンやガラスなど)の上に,フォトレジストを塗布します。基板上に均一に塗布するためにスピンコータという装置を使用します。基板上に液状フォトレジストを滴下し,基板を回転させることにより,遠心力によりレジストが広がり,ミクロンレベルの均一な厚さの塗膜を得ることができます。加熱してフォトレジストの溶媒を揮発させた後,フォトレジストの上にフォトマスクを重ねて,その上から紫外線を照射(露光)します。この露光によりフォトマスクのパターンが,基板上のフォトレジストに転写されます。露光はフォトマスクと基板の位置決めと基板に対して平行に紫外線を照射できるマスクアライナを使用します。フォトレジストにはポジ型とネガ型の2種類があり,紫外線が照射された部分は変性し,ポジ型ではフォトレジストが現像液に溶解,ネガ型では現像液に不溶となるので,現像により,フォトレジストで保護された部分と露出した部分のパターンが得られます。さらに,パターンの開口部(基板が露出している部分)の基板を除去する(薬品,プラズマやガスにより基板を溶かす)ことにより,立体的な構造が得られます。

評価技術

電子顕微鏡

 私たちが目で見ている光(可視光)の波長は0.5μm前後なので,光を使用した光学顕微鏡では10ミクロン以下の構造を明瞭に観察することは困難です。高倍率のレンズを用いれば凹凸の小さい領域では拡大した画像が得られますが,高倍率のレンズは焦点距離が短いため3次元構造体の明瞭な画像は得られません。本研究室で作製する微細構造体の寸法を計測したり形状を評価するためには,波長が短い電子線を使用し,真空内の試料を観察する電子顕微鏡を用います。電子顕微鏡には透過型電子顕微鏡(TEM:テムと読みます)と走査型電子顕微鏡(SEM:セムと読みます)があります。

レーザ顕微鏡

 電子顕微鏡では,試料を真空内で観察する必要があり,基板に加工した微細流路(溝)などの微細構造体の断面形状を評価するためには,試料を切断したり,金属膜のコーティングが必要となります。レーザ顕微鏡は,観察したい構造体にライン状の可視光レーザを照射し,面内にレーザ光をスキャンして試料の表面からの反射光を測定します。試料の高さ変えて反射強度が最大となる高さが構造体の高さに相当するため,試料を破壊することなく3次元形状が評価できます。

シミュレーション技術

 機械工学,材料工学におけるシミュレーションは,対象となる物質のサイズと現象の時間スケールにより様々な計算手法が用いられます。例えば,原子や分子の電子状態を考慮する第一原理計算,原子や分子の集団運動を扱う分子動力学法(MD)やモンテカルロシミュレーション(MC),実用的な個体や構造物を対象とする有限要素法(FEM)や統計熱力学計算があります。これらの手法の中で,MDでは分子や原子の違いや,分子構造の違いによる特性の変化が解析できますが,大きなスケール(マイクロスケール)を解析するためには,多くの計算時間を必要とします。MEMS,microTASで使用される感光性材料(フォトレジスト)や,自動車用タイヤなどで使用されるゴム(ナノコンポジット材料)のシミュレーションでは,分子や原子の情報や構造を考慮してナノとマイクロの境界付近のスケール(メゾスケール)を解析する必要があります。本研究室ではメゾスケールを扱うために,格子状のセルと単純な規則による離散的計算モデルを用いるセルラーオートマトン法(CA)や,MDの原子集団を1つのビーズとして扱う粗視化分子動力学法(CGMD)を用いた解析手法やプログラミング技術を学習可能です。

粗視化分子動力学

 分子動力学法(MD: Molecular Dynamics)は,1個の原子を1つのビーズとし,ビーズ間の相互作用として,ビーズ間を結合するバネの強さにより原子間の結合力(結合ポテンシャル)を表現したフルアトミスティックモデルを使用します。さらに結合していないビーズ間の非結合ポテンシャルや高分子鎖の場合,3個のビーズによる結合角ポテンシャル,4個のビーズによる2面角ポテンシャルなどを考慮する必要があります。引張特性を評価したい場合は,このような分子をセル(箱)の中に多数入れて,緩和後に,セルを変形させて応力やひずみの変化を評価することになります。よって分子量が10万以上の高分子鎖を計算するためには多くの時間が必要となり,汎用計算機で計算できるスケール(箱のサイズ)は5nm程度です。

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 粗視化分子動力学法(CGMD: Coarse Grained Molecular Dynamics)は,Kremer-Grest鎖(ビーズスプリングモデル)を用いて高分子の動力学を解析するための手法として1990年代に提案されています。ビーズスプリングモデルを用いた粗視化分子動力学シミュレーションでは,ビーズ間の相互作用は結合ポテンシャル(FENEポテンシャル)と非結合ポテンシャル(斥力だけのレナードジョーンズポテンシャル)だけであり,1つのビーズを数モノマの集団として扱うため(粗視化するため),化学種に起因する要素は表現できないが分子の配置や分子間の相互作用を設定することで,マクロスケール(100nm以上)の動力学解析が可能です。例えばタイヤ用ゴムのように高分子中のナノ粒子の分布やサイズと引張特性を解析したい場合,通常の分子動力学法では箱のサイズと1個のナノ粒子のサイズが同じスケールになるのでナノ粒子の分布などを考慮したモデルは作成できません。また,箱のサイズを大きくして(総ビーズ数を増やして)大規模なモデルを作成しても実時間で変形させた場合は長時間の計算(数ヶ月以上)が必要となるので,実用的ではありません。一方,粗視化分子動力学法では,箱のサイズが数百nm以上あるので,高分子中のナノ粒子の分布やサイズと引張特性の関係を解析できます。


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Last-modified: 2020-11-28 (土) 15:49:21 (790d)