生 産 と 技 術 第60巻 第４号（2008）
箕 島 弘 二 ＊
＊Kohji MINOSHIMA
− 40 − 京都大学大学院工学研究科機械工学専攻 博士後期課程修了
現在、大阪大学大学院工学研究科 機械 工学専攻 教授 工学博士 材料強度学，
機械材料学，マイクロマテリアル工学，
環境強度学 TEL：06-6879-7240 FAX：06-6879-7243
E-mail：[email protected] 研究室紹介
Micro Materials, MEMS, Micro Systems, Thin Film, Advanced Metallic Materials, Micro Mechanical Testing, Indentation, Mechanical Properties, Strength, Fracture, Interfacial Fracture, Fatigue, Environmental Strength, Hydrogen Embrittlement
マイクロ・ナノ工学が拓く安全・安心
―薄膜から構造材料まで―
1. はじめに
本研究室は，大阪大学大学院工学研究科機械工学 専攻マイクロ機械科学講座の領域の一つとして2004 年に発足した研究室であり，ナノ・マイクロメート ルの視点から，薄膜をはじめとする構造材料の変形 と破壊の力学を明らかにすることにより，機械・構 造物の信頼性を担保する強度設計を可能ならしめ，
安全・安心に寄与することを目的としている。2008 年４月現在のスタッフは教授: 箕島弘二，准教授: 平 方寛之，助教: 米津明生，技術専門職員: 原雅之で ある。
近年，マイクロマシンや MEMS（Micro Electro Mechanical System）などのマイクロシステムや電 子デバイスに代表されるように，複雑な構造を有す る微小構造物の開発が活発に行われている。これら の構造物は寸法が nm からμm オーダの薄膜材料を 組み合わせて作られており，信頼性を確保するため には，μm オーダの微小機械要素の機械的・強度 評価手法を開発して，その強度特性や劣化機構を解 明することが不可欠である。一方で，航空機構造用 炭素繊維強化複合材料などの先進複合材料や先進高 強度金属材料では，nm からμm オーダで構造や界 面を最適化することにより，バルク材における優れ た機械的特性を引き出している。このような場合は，
力学的特性や変形特性，あるいは長期信頼特性はバ
ルク材中の微視的な領域における力学応答に支配さ れるため，バルク材においても微視領域の力学特性 を解明する必要がある。
このように，マイクロシステムに用いられる薄膜 からなる微小機械要素など，寸法そのものが微小な 材料，および微小構造を最適化して所望の材料特性 を発現する構造材料などを対象にして，これらの変 形や破壊をナノ・マイクロメートルオーダの視点か ら明らかにする，マイクロマテリアル工学の確立を めざして研究を実施している。
現在の研究テーマとしては，マイクロマテリアル の機械的特性評価法の開発と破壊機構・信頼性評価，
ナノ・マイクロ薄膜の界面の力学・強度特性と界面 破壊基準，ナノ−メゾ−マクロ特性評価による機械 的特性の発現機構と環境ぜい化機構解明，局所弾塑 性評価技術の開発とその応用，ナノ変形特性解析に よる先端機械材料と水素ぜい化感受性評価法の開発、
高強度鋼の動的環境ぜい化特性に及ぼす水素吸蔵状 態の影響，などである。以下では，これらのうちの いくつかを紹介する。
2 薄膜微小機械要素の機械的特性評価法の開発 と信頼性設計
バルク材のヤング率やポアソン比などはハンドブ ックを参照することにより容易に知ることができる。
一方，薄膜材料ではバルク材では構造鈍感であるヤ
ング率などの機械的特性も成膜法やその条件に大き
く依存するため，それぞれの薄膜ごとに特性を調べ
る必要がある。しかも，微小機械要素が mm オー
ダの機械要素と異なる点は，寸法効果により強度が
大きくなることを利用して，時にはバルク材では破
壊するような高い作動応力で用いられる場合がある
ことである。したがって，微小機械要素では，使用
される大きさと同程度の寸法の試験片を用いて，機
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図１ 自立薄膜微小引張試験片の例
（膜厚: 約 500 nm − 3.5μm，試験片幅: 約 5 − 50μm）
図２ マイクロマテリアル機械的特性評価試験機の概略図
械的・強度特性を評価することが不可欠である。し かし，従来の構造材料で規格化された材料試験法を 用いることができないこと，微小機械要素では荷重 が極めて小さく，従来の負荷方法やバルク材用の試 験機を用いることができないこと，試験片への荷重 を負荷するためのチャッキング方法や微小機械要素 そのもののひずみの高精度測定が困難なことなどが 問題点として挙げられる。
本研究室では，図１に示すような微細加工により 創成した自立薄膜微小試験片を対象として，引張試 験や引張負荷条件下の疲労試験が可能なマイクロマ テリアル機械的特性評価試験機（図２）や薄膜曲げ 試験システムを開発している。マイクロマテリアル 機械的特性評価試験機は，nm オーダの位置分解能 を有するアクチュエータ，微小ロードセル，マイク ロマニピュレーションシステム，および２視野顕微 鏡による非接触ひずみ測定装置よりなる。一方，薄 膜曲げ試験システムは微小負荷システムを用いるこ とにより，高精度の曲げ試験（荷重精度: 10 nN，最 大荷重: 10 mN，荷重点変位測定精度: １nm，最大 変位: 26μm）が可能である。これらを用いて，ポ リシリコンや SiN 自立薄膜の機械的特性や破壊強度，
それらに及ぼす寸法，成膜法，熱処理，引張・曲げ 負荷モードやナノ欠陥，さらには疲労荷重の影響に ついて検討している。一般に材料寸法が小さくなる
と強度が上昇する寸法効果が見られるが，寸法が小 さくなることにより現出する特筆すべき点として，
体積に比べて表面積の割合が大きくなり，mm オー ダのバルク材では環境の影響が見られない材料/環 境の組合せにおいてもμm オーダの微小機械要素 では環境との相互作用により強度が低下する場合が あることを示すなど，微小機械要素特有の現象を見 いだしている。
3 薄膜界面の力学・強度特性と界面破壊基準の 解明
電子デバイスやマイクロシステムでは種々の薄膜
やそれらからなる微小機械要素を組み合わせて，所
望の機能を発現させている。しかし，それらの異材
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