真空紫外光による光加工技術の新展開

4. 固体異種材料間の光接着法

近年,エレクトロニクスにおけるデバイスの小型化・集積化の勢いに陰りが出てきた一方で,デバイス技術の新たなマーケットとして,センサーやMEMSデバイスの大規模普及の取り組みが精力的に行われている。そこでは,新たな利用分野に応じて,材料にもそのトレンドに変化が現れてきている。例えば,有機エレクトロニクス材料や,ウェアラブル・インプランタブルなデバイスに求められるソフトで生体適合性の良いエラストマー素材など,様々な高分子材料が注目を集めている。

ところで,このような高分子材料を集積化してデバイスを作製する場合,微細構造の包埋や熱ダメージが生じぬよう,接着剤や熱溶着を使用しない接合が望ましい。一部では,真空中のプラズマや大気プラズマを利用した接合例があるものの,様々な活性ガス種や放電等の影響でデバイスにダメージが入るなど,解決しなければならない技術課題も多いため,広く利用されているとは言いがたい状況である。

そこで我々は,接着剤や熱を使用しない,かつプラズマよりもマイルドなVUV光による表面励起を利用した固体間直接接合(光接合法)に関して研究を進めている。ここでは一例として,シリコーン樹脂の一種であるポリジメチルシロキサン(Polydimethylsiloxane:PDMS)の接合例を紹介する5)

シリコーンゴムは,透明かつ化学的に安定な優れた特徴があることに加え,真空中における酸素プラズマ照射によって表面を改質することにより,シリコーンゴム同士,あるいはガラスやシリコンに対して直接接合できることが知られており6, 7),シリコーンゴムがMEMS材料として広く使われる理由の1つとなっている。ただし,酸素プラズマを照射する際には真空状態にする必要があるため,低スループットで大面積基板への適用が難しいなど,高生産性化には課題も多い。

図3 VUVによるシリコーンゴム-ガラスの光接着
図3 VUVによるシリコーンゴム-ガラスの光接着

一方,コロナ放電を利用した大気プラズマ処理を利用すれば,大気中で処理可能で大面積化も可能であるが,処理面に放電痕が残ったり,電極材料のスパッタに伴う微粒子が処理面に吸着するなど,微細構造の接合とは相性が悪い面がある。そこで,これらのネガティブな部分を両方とも解決する可能性のあるVUV光による接合を,従来の酸素プラズマと大気圧プラズマとで比較してみる。各手法における処理条件の詳細は文献を参考頂くとして8, 9),接合の照射量依存性を評価した結果を図3に示す10)

シリコーンゴムは自己接着性があり,未処理のシリコーンゴムでもガラスに対して0.1 N/mm2程度の凝着力を有するため,照射量がゼロでも弱い接合力を示す。図3に示すように,接合力の照射量依存性は,いずれの表面改質法においても照射時間が増えるに伴い接合力が一旦急増し,その後急減する傾向がある。これは,処理量が増えると,シリコーンがガラス化して安定になるため接合性を失うからである。ところで,シリコーンゴムは柔らかい材料であるため,本測定では0.9 N/mm2を超えて引っ張ると,接合面は接合状態を維持しているにも関わらず試験片が破断してしまうなどの都合により,我々の実験条件ではこれ以上の評価が困難であった。少なくとも,接合強度が材料強度を上回っているということなので,十分な接合力を有していることになる。

図4 高分子の異種材料間の接着性(本稿の執筆時点)
図4 高分子の異種材料間の接着性(本稿の執筆時点)

接合力はそれぞれ異なるものの,我々が現在確認している異種材料間の接着に関して,高分子材料を中心に図4にまとめる。特に,一般的な光学プラスチックが直接接合できることは,接着剤による屈性率補正の問題等が生じないことから,今後,光学素子への応用が広がっていくものと考えている。また,PDMSに関しては,我々がテストした限りではSiを含有する材料であれば接着するので,半導体デバイスとの親和性も高いと考えられ,今後,ハードなシリコンデバイスとソフトなシリコーンデバイス間の接着の架け橋になるものと期待している。

関連記事

  • 超小型衛星搭載に向けたハイパースペクトルカメラの小型化と軌道上観測

    3. 宇宙からの観測例 本章では,本研究で提案した手法に基づいて開発した小型ハイパースペクトルカメラを搭載した2機の超小型衛星による,軌道上観測成果を示す。 3.1 3U級超小型衛星「FUSION-1」による観測例 「F…

    2026.05.13
  • 新規赤外受光材料の開発に向けたMg3Sb2薄膜のエピタキシャル成長

    3.2 特異なドメイン構造の形成機構 最適化された500℃で成長させた薄膜について,X線回折(XRD)および高分解能の透過型電子顕微鏡(TEM)を用いて詳細な構造評価を行った(図2)。XRDの極点図(結晶の特定の面がどの…

    2026.05.13
  • 地球と人工知能を繋ぐ光ファイバーセンサー

    4. 実験結果 実測したデータ群を図3に記載する。図3(a)はRAWデータである。縦軸はセグメント数,横軸は距離,画像の色は瞬時位相を示している。図3(b)は,RAWデータをPIXART-Σの初期ノイズとして利用して生成…

    2026.02.26
  • 安定な有機光触媒を利用した光触媒反応の開発

    ミニインタビュー 田中先生に聞く 高還元力光触媒という新しい挑戦 ─研究を始めたきっかけから (田中)私は博士課程の頃から光触媒の研究に取り組み,主に酸化力の高い触媒の開発を進めてきました。3年前に岡山大学に着任したこと…

    2026.02.12
  • フォトサーマルナノポアによる単一分子レベルでのラベルフリータンパク質構造ダイナミクス解析技術

    最後に,フォトサーマル効果を用いたナノポア温度コントロール技術を用いて,シトクロムcの検出を行った。レーザーを用いてポア自体を加熱すると,シトクロムcの捕捉時間が延長され,遮断電流値の分布が0.54〜0.64から0.64…

    2026.01.13

新着ニュース

人気記事

編集部おすすめ

  • オプトキャリア