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2021 年度 実績報告書

セラミック薄膜の面内残留応力の室温での緩和に関する基礎的研究

研究課題

研究課題/領域番号 19K22070
研究機関関西大学

研究代表者

幸塚 広光  関西大学, 化学生命工学部, 教授 (80178219)

研究期間 (年度) 2019-06-28 – 2022-03-31
キーワードゾル-ゲル法 / ガラス薄膜 / セラミック薄膜 / 残留応力 / 湿度 / 吸着 / 吸収 / 緩和
研究実績の概要

最終年度には、ゾル-ゲル法によりSi(100)ウエハ上に作製して焼成したシリカガラス膜とセリア結晶膜を対象とし、時間に対して湿度が矩形的に変化する雰囲気中で、面内残留応力のその場測定を実施した。その結果、面内残留応力が引張応力であるシリカガラス膜とセリア結晶膜において、湿度上昇・低下に呼応して可逆的に応力が減少・増加する減少が見られた。また、シリカガラス膜を対象とし、同様の湿度変化のもとで分光エリプソメータによる膜厚・屈折率のその場測定を行ったところ、湿度上昇・低下に呼応して可逆的に膜厚・屈折率が増加・減少する減少が見られた。以上の結果によって、酸化物ガラス膜や酸化物結晶膜において、雰囲気中の水の吸着・吸収および脱着によって膜がそれぞれ膨張・収縮し、面内残留引張応力の減少・増加を引き起こすことが明らかとなった。高湿度下で面内残留引張応力が時間とともに低下する減少が、水の吸収・吸着によるものであることが前年度までの実験で明らかになりつつあったが、最終年度の応力と膜厚・屈折率のその場測定により、より明確になった。
なお、シリカガラス膜について、気孔率が大きい場合の方が小さい場合よりも応力の湿度応答の速度が大きくなる傾向が見られた。これは、気孔率が大きい場合には水の吸着による膜の膨張が支配的で、気孔率が小さい場合には水の吸収による膜の膨張が支配的であることを示唆する。また、気孔率が数%の緻密なシリカガラス膜においては、膜厚が大きいほど応力の湿度応答の速度が小さくなる傾向が見られた。これは、膜中での水の拡散に時間がかかる結果であると理解された。以上のように、膜の面内応力の湿度応答は、気孔率や膜厚による影響を受けることを実験的に明らかにすることができた。

  • 研究成果

    (12件)

すべて 2022 2021 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (2件) (うち国際共著 1件、 査読あり 2件) 学会発表 (8件) (うち国際学会 3件、 招待講演 1件) 備考 (1件)

  • [国際共同研究] Justus Liebig University Giessen(ドイツ)

    • 国名
      ドイツ
    • 外国機関名
      Justus Liebig University Giessen
  • [雑誌論文] Residual stress of glass and crystalline oxide thin films responding to humidity2022

    • 著者名/発表者名
      Y. Nishimura, Y. Ohta, F. Boll, P. Cop, B. Smarsly and H. Kozuka
    • 雑誌名

      Appl. Phys. Lett.

      巻: in press ページ: in press

    • DOI

      10.1063/5.0087551

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Instability of residual stress of crystalline and glass oxide thin films prepared by sol-gel method2021

    • 著者名/発表者名
      Y. Nishimura and H. Kozuka
    • 雑誌名

      J. Appl. Phys.

      巻: 130 ページ: 035305

    • DOI

      10.1063/5.0051007

    • 査読あり
  • [学会発表] Si(100)基板上に作製したYSZ前駆体ゲル膜を200℃で熱処理すると面内圧縮応力をもつに至った原因について2022

    • 著者名/発表者名
      幸塚広光, 薦田天斗, 太田雄真
    • 学会等名
      日本セラミックス協会2022年年会,リモート開催, 2022年3月10~12日
  • [学会発表] Instability of the in-plane residual stress of sol-gel-derived glass and crystalline oxide thin films at room temperature2021

    • 著者名/発表者名
      Y. Nishimura and H. Kozuka
    • 学会等名
      PacRim14 (14th Pacific Rim Conference on Ceramic and Glass Technology) including GOMD 2021 (Glass & Optical Materials Division 2021 Annual Meeting 2021), Vancouver, Canada (Remote), Dec. 12-17, 2021
    • 国際学会
  • [学会発表] ガラス薄膜・セラミック薄膜の面内応力の不安定性2021

    • 著者名/発表者名
      幸塚広光, 西村優希, 北野総佑, 小泉勇太, 太田雄真
    • 学会等名
      第62回ガラスおよびフォトニクス材料討論会(リモート), 2021年11月8~9日
  • [学会発表] Instability of ceramic and glass thin films on substrates in their in-plane stress and strain2021

    • 著者名/発表者名
      H. Kozuka
    • 学会等名
      International Workshop on Materials Science in Osaka Prefecture University, Online (Zoom Webiner), Oct. 30-31, 2021
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 有機高分子・シリカハイブリッド膜の面内応力とひずみの湿度応答性2021

    • 著者名/発表者名
      太田雄真, 幸塚広光
    • 学会等名
      日本ゾル-ゲル学会第19回討論会, オンライン開催, 2021年9月13~14日
  • [学会発表] HPC・シリカハイブリッド膜の面内応力とひずみの湿度応答性2021

    • 著者名/発表者名
      太田雄真, 幸塚広光
    • 学会等名
      日本セラミックス協会第34回秋季シンポジウム, オンライン開催, 2021年9月1~3日
  • [学会発表] Instability of the in-plane stress of glass and ceramic thin films in ambient environment2021

    • 著者名/発表者名
      H. Kozuka, Y. Nishimura, S. Kitano, Y. Koizumi and Y. Ohta
    • 学会等名
      The 15th International Symposium in Science and Technology 2021, Suita (Online), Aug. 5-6, 2021
    • 国際学会
  • [学会発表] HPC・シリカハイブリッド膜の面内応力の湿度応答性に関する研究2021

    • 著者名/発表者名
      太田雄真, 幸塚広光
    • 学会等名
      日本セラミックス協会関西支部第15回学術講演会, オンライン開催, 2021年7月2日
  • [備考] セラミック材料学研究室

    • URL

      https://wps.itc.kansai-u.ac.jp/ceramics/

URL: 

公開日: 2022-12-28  

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