JP5182871B2 - 微小形状スイッチアレイ - Google Patents

Description

本発明はマイクロメカニクス技術要素に係わり、より詳細には、柔らかい支持体に密着した表面薄膜の座屈による微小凹凸形状が外場に応じて可逆的にスイッチできる微小構造に関する。

従来、座屈構造はマイクロマシンやマイクロエレクトロメカニカルシステムにおいても静電力、電磁力、直接的な応力などの外力に応じて安定な構造を複数持つ可動ユニットとして利用されているが、一般にその可動部は板や梁の一部が支持体に支持されている構造である（特許文献１〜３）。これらは、特にサブミリメータースケール程度に微小化する場合は、従来の半導体回路形成技術である、多段階の微細加工過程（パターンの焼き付け、エッチングなど）を要する。

一方で、座屈現象に基づき、そのような複雑な行程を経ずともサブミクロンスケール程の微小領域において、周期的微細凹凸構造が得られることが分かっている（特許文献４、５、非特許文献１〜７）。

この構造は、高分子弾性体上に相対的に硬い薄膜を形成し、そこに側方応力を加え座屈不安定性の臨界応力を超えることで、調製されていた。その凹凸構造の周期は硬い薄膜と柔らかい支持体のヤング率（硬さ）の比と薄膜の厚みによって制御が可能であることが公知である。弾性体基材としてはシリコーンゴム（ポリジメチルシロキサン）が主に報告されている。

このように簡単な方法で作製できる座屈現象に基づく微細凹凸構造は、非特許文献４によると、外部応力状態の変化によってその周期的微細凹凸の溝方向が変化（表面の局所的な傾き構造の変化）することが分かっているが、その表面において溝方向の変化する場所をあらかじめ特定することは難しかった。また、その溝方向の変化する角度も制御ができなかった。このために、この微小構造が可変であることをマイクロマシン技術として利用することが難しかった。
特開２０００−１６４１０５ 特開昭６０−８９２２８ 特開平１０−１８８７２７ 特開２００３−２６６５７０ 特願２００７−２７００４９ Bowden, N.; Brittain, S.; Evans, A. G.; Hutchinson, J. W.; Whitesides, G. M. Nature 1998, 393, 146. Bowden, N.; Huck, W. T. S.; Paul, K. E.; Whitesides, G. M. Appl. Phys. Lett. 1999, 75, 2557. Huck, W. T. S.; Bowden, N.; Onck, P.; Pardoen, T.; Hutchinson, J. W.; Whitesides, G. M. Langmuir 2000, 16, 3497. Ohzono, T.; Shimomura, M. Phys. Rev. B. 2004, 69, 132202. Yoo, P. J.; Lee, H. H. Phys. Rev. Lett. 2003, 91, 154502. Stafford, C. M.; Harrison, C.; Beers, K. L.; Karim, A.; Amis, E. J.; Vanlandingham, M. R.; Kim, H.; Volksen, W.; Miller, R. D.; Simonyi, E. E. Nat. Mat. 2004, 3, 545. Ohzono, T.; Watanabe, H.; Vendamme, R.; Kamaga, C.; Ishihara, T.; Kunitake, T.; Shimomura, M. Adv. Mater., 2007, 19, 3229.

本発明は、簡単な方法で作製可能であり、微小構造の形状変化を起こす場所を特定し、形状変化の角度を制御することができ、微小構造が外場に応じて可逆的にスイッチできる微小形状スイッチアレイを提供することを目的とする。

本発明は、以下の微小形状スイッチアレイを提供するものである。
項１． 伸縮可能な支持体に密着した表面薄膜の微小領域での座屈変形に基づいて特性空間周波数を有する微細凹凸構造を備えた微小形状スイッチアレイであって、前記薄膜が微細加工パターンを有する２以上の固定化領域と該固定化領域間に挟まれた１以上の可変領域を有し、外部応力により離散的な複数の形状状態を取り得、その状態間のスイッチングが外部応力の変化で制御できることを特徴とする、微小形状スイッチアレイ。
項２． 前記微細加工パターンが、突起構造、溝構造、硬さの異なる領域のいずれかの周期的な配列構造であることを特徴とする、項１に記載の微小形状スイッチアレイ。
項３． 前記微細加工パターンの周期が200nm〜200μmであることを特徴とする項１又は
２に記載の微小形状スイッチアレイ。
項４． 前記記載の形状状態間のスイッチングのための外部応力が１軸圧縮であり、圧縮の主応力軸方向の回転によってスイッチングが起こることを特徴とする項１〜３のいずれかに記載の微小形状スイッチアレイ。
項５． 微細凹凸構造の特性空間周波数が200nm〜200μmであることを特徴とする項１〜
４のいずれかに記載の微小形状スイッチアレイ。

例えば、微小領域内の上下に固定領域がある場合、これらに挟まれた可変領域での凹凸構造はその上部と下部の境界条件を満たすようにのみ、外部応力状態に応じて変化させることができる。

従って、固定領域の境界における人工パターンの配置とその上下の固定領域の距離などのパラメーターにより、発生可能な凹凸構造の溝方向を設計できる。

この人工パターンは、局所的な応力状態を異方的にすることで、特定の方向の凹凸構造のみが優先的に発生させることができる構造であり、非特許文献７のように微小な凸部を持つ構造でもよいし、溝構造、硬さの異なる領域をパターン化した構造でもよい。これらの人工パターンは、既存の微細加工技術（電子ビーム描画、集束イオンビーム描画、フォトリソグラフィー）によって簡単に得られる基本的な単純構造であり、前記のマイクロマシンにおけるマイクロビーム（梁）構造などの作製よりは格段に安価に得られる。

よって本発明の構造は外場である圧縮の主応力軸方向の角度変化に応じて、離散的な状態間をスイッチさせることができる微小な可動構造であり、かつ従来のマイクロマシン作製よりも簡単に得ることができる。

本発明の１つの好ましい実施形態が図１に示され、伸縮可能な支持体（Ａ）に予め人工パターン（Ｂ）を導入し、その表層に薄膜（Ｃ）を形成することで、外場の主応力軸方向（Ｄ）の変化による局所溝方向（Ｅ）が変化する場所（可変領域）を限定し、かつ、その変化の角度を規定する技術を提供することができる。

この構成では、人工パターンによって局所的な応力状態を異方的にすることで、凹凸構
造の凹部、もしくは凸部、もしくはその中間の部位を固定化することにより、外場が変化しても凹凸構造が変化しない固定化領域（Ｈ）を設け、その固定化領域に挟まれた領域においてのみ、外場の変化に応じて凹凸構造が変化する可変領域（Ｉ）を形成する。ここで人工パターンの空間周期（微細加工パターンの周期）は自発的に発生する微小凹凸構造の空間周期（特性空間周波数）と同程度であるのが好ましい。

この固定領域（Ｈ）と可変領域（Ｉ）の境界の断面凹凸構造（Ｊ）は、固定領域の構造に固定されており、すなわち固定領域の断面構造と一致し、いわゆる可変領域における凹凸構造の固定境界条件（固定支持端）となる。

本発明において、支持体（Ａ）の材料は、可逆的な変形が可能な圧縮変形長さ比が（１軸圧縮時の長さ／薄膜（Ｃ）の長さ）が０．７５〜０．９７程度（好ましくは０．８５〜０．９５程度）の材料である。このような材料としては、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、ジフェニルシロキサンなどのポリシロキサン系ポリマー、シリコーン樹脂／シリコーンゴム、天然ゴムないし合成ゴム、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン、ポリウレタン、ポリスチレン、フッ素化ポリマー（ＰＴＦＥ、ＰＶｄＦなど）、ポリ塩化ビニル、ポリメチルハイドロゲンシロキサン、ジメチルシロキサンとメチルハイドロジェンシロキサン単位のコポリマーなどのホモポリマー或いはコポリマー、さらにはこれらのブレンドが挙げられるが、伸縮可能な材料であれば特に限定されるものではない。

支持体（Ａ）と薄膜（Ｃ）の透過率、反射率は特に限定されない。

支持体（Ａ）の材料の弾性率は、0.5〜10ＭＰａ程度である。

薄膜（Ｃ）の材料の弾性率は、0.5〜100ＧＰａ程度である。

支持体（Ａ）の材料の弾性率（Ｅａ）と薄膜（Ｃ）の弾性率の比（Ｅａ／Ｅｂ）は、10^-5〜10^-1程度、好ましくは10^-4〜10^-2程度である。

弾性率は、JIS K7171、ASTM D790に準拠した方法により測定できる。

薄膜（Ｃ）の材料としては、支持体（Ａ）よりも大きな弾性率を有し、支持体（Ａ）の収縮とともに周期的な凹凸構造を形成できる材料であれば特に限定されず、例えば金属、セラミック、カーボン、或いは、シリコーン樹脂、メラミン樹脂、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、アクリル樹脂などのポリマーが挙げられる。

薄膜（Ｃ）は、単層であるのが好ましいが、2層以上の薄膜（Ｃ）を積層させてもよい
。このようにすることで、薄膜（Ｃ）の特性や支持体（Ａ）との密着性を向上させることができる、
薄膜（Ｃ）の厚みとしては、１〜50000nm程度が挙げられる。

支持体（Ａ）の厚みとしては、0.3〜20mm程度が挙げられる。

薄膜（Ｃ）は、固定化領域（H）と可変領域（Ｉ）を含み、固定化領域（Ｈ）内に凸部
、溝、あるいは硬さの異なる領域をパターン化した構造などの微細加工パターンを有する。微細加工パターンは、伸縮可能な支持体（Ａ）に予め凸部、溝などの人工パターン（Ｂ）を導入し、その表層に薄膜（Ｃ）を形成することで、薄膜に形成してもよく、あるいは
薄膜を形成した後に光ないし熱などにより薄膜を部分的に硬化して硬さの異なる領域をパターン化した構造を取るようにしてもよい。

支持体（Ａ）上への薄膜（Ｃ）の形成は、上記のような十分に薄い薄膜（Ｃ）を形成できるものであれば特に限定されないが、金属であればスパッタ、樹脂であれば塗布(スピ
ンコート、キャストなど)、セラミックであれば有機セラミック原料のプラズマ酸化処理(表面部分のみが酸化されてセラミックになる)が例示される。また電子線や紫外線、イオ
ン線照射によっても表面の変性を促し薄膜（Ｃ）を形成可能である。

人工パターン（Ｂ）の作製は、薄膜（Ｃ）を支持体（Ａ）上に形成する前に行い、その作成方法は限定されないが、１ミクロン以下の周期的凹凸構造パターンであれば、集束イオンビーム描画もしくは、電子ビーム描画により予め別のシリコンウエハ上にネガ構造を作成し、流動状態の支持体（Ａ）材料にナノインプリントすることで得られ、それ以上のスケールであれば、光リソグラフィーにより同様の手法で作製可能である。また、硬さのパターン化を行う場合は電子ビームやイオンビームのエネルギー集中により支持体（Ａ）上を変性（架橋など）させたり、マスクを用いてプラズマ照射を行うことにより可能である。

図１に示されるように、本発明の微細凹凸構造体は、一軸圧縮状態により保たれ、基本的に一方向に周期性を有する凹凸を備えている。凹凸の周期としては、50nm〜500μm程度、凸部の高さとしては、20nm〜200μm程度である。

前記微細凹凸構造は、例えば支持体を引張り伸張させた状態で薄膜を形成し、支持体の伸張を解除することで、座屈変形に基づいて特性空間周波数を有するものとして形成することができる。

「固定化領域」とは、微細加工パターンが外部応力に対しても固定されている（凹凸構造が変化しない）領域であり、「可変領域」とは、固定化領域に挟まれる領域であって、微細加工パターンが外部応力により変化する領域である。

本発明の微小形状スイッチアレイでは、可変領域の微細凹凸構造は外部応力により離散的な複数の形状状態を取り、これは図３〜図５に示されている。すなわち、圧縮の主応力軸方向の角度の範囲が可変領域の微細凹凸構造の形状に基づき決定できる。ここで、離散的な複数の形状とは、例えば図３に示されるような特定の形状であり、この形状は圧縮の主応力軸方向の角度に応じて（比例して）変化するのではなく、一定の角度範囲では形状が変化せず、形状が不連続的（離散的）に変化する。

圧縮の主応力軸方向の変化は、１軸圧縮方向の回転もしくは、せん断変形によって与えることができる。この変形は試料全体に加えてもよいし可変領域を含んだ局所領域に与えても良い。前者の場合は試料を板で挟んで圧縮しその圧縮軸方向を回転させてもよいし、挟んだ状態で板をスライドさせることでせん断変形を与えることでも可能である。後者の局所的な応力印加の場合は、微小なピエゾ素子を弾性体基板に配列させ埋込むことで自在な局所的な応力印加状態が実現できる。

このパターンにおける構造のパラメーターとして、上部人工パターンの周期（ｄ）と下部人工パターンの周期との位相差距離（ｐ）と、上下の人工パターンの間隔（ｗ）があるが（図２ａ）、このパラメーターによって、可変領域での凹凸の溝方向と人工パターンの溝方向のなす角度（q_ｎ）の取り得る値が決まる（nは状態を示す指標で= ±1, ±2 …、図
３参照）。その幾何的関係は、n > 0でtanq_n =(nd + p -d)/w、n < 0 でtanq_n = (nd + p)/w である。この関係に基づいて特定の離散的な複数の凹凸方向（θ _ｎ =q _ｎ ）を設計できるが、pが0.5の場合、ｙ軸に対し対称な方向が選ばれ（θ_i = -θ_-i, iは整数）、そうでない場合ｙ軸に対し非対称な離散的な凹凸方向が設計できる。又、ｗを変えることで、隣り合う状態間の角度差（例えば、θ_-1とθ₊₁の差）を制御できる。ｗが小さい場合は大きな角度差になり、この状態間のスイッチングのためにはより大きな主応力軸の回転が必要となる。逆に、ｗが大きい場合はその角度差が小さくなり、小さな主応力軸の回転でスイッチングが可能となるが、そのスイッチングの過程で２つの状態が混在する場合がある。

このような微小可動構造はこの凹凸構造の溝部分を毛細管として利用し微小液体の輸送を行う場合において、図５のように流路スイッチとしても利用が可能である。また、レーザー光を可動部付近に照射すると、その反射光の方向を凹凸構造の状態変化で制御でき、可動光ミラーアレイを構成することも可能である。

人工パターンのデザインは、凹凸方向が離散的な状態をとるように固定領域部分が設計されていれば図２で示されたものに限定されない。例えば、線状の人工パターンではなくドット状の突起や凹みが配列した構造でもよい。

以下、本発明を実施例より詳細に説明するが、本発明がこれら実施例に限定されないことはいうまでもない。
実施例１
安定凹凸溝方向が４安定状態を有する微小形状スイッチアレイ
・ 人工パターン（図１a）を、集束イオンビーム描画装置を用いてシリコンウエハ上
に形成する。これは幅約300nm、深さ約80nmの溝構造が１ミクロン間隔で配置されたアレ
イから構成され、このパターンを鋳型にしてＰＤＭＳゴムのプレポリマーにパターンを転写することで、微小な凸部を有するＰＤＭS支持体が作製された。このＰＤＭＳの全体形
状は厚さ５ｍｍ程度の直径１０ｍｍ程度の筒状である。この試料のパターンのある表面に、スパッタ蒸着により白金（金でも白金パラジウムでも可）を約1nm蒸着する。ここで表
層と支持体の有効弾性率はそれぞれ、約２００GPa、２０MPaである。この試料を図２に示す小型１軸圧縮装置で0.94倍に圧縮することで表面全体に特性周期約１ミクロンの凹凸構造が自発的に発生する。この圧縮軸方向は人工パターンのx軸方向付近で変化させるが、
これは圧縮装置の一方の面をy方向にスライドさせることで行う。すなわち、これにより
試料表面に固定された座標系においては、圧縮歪みの大きさを保ったまま圧縮軸方向を回転させることができる。人工的パターンが存在する領域では自発的凹凸構造は変調されるが、人工パターン直上部分は圧縮方向（外場）が変化しても凹凸構造が変化しない固定化領域となり、人工パターンに挟まれた領域は外場の変化に応じて凹凸構造が変化する可変領域となる。上述のように、このパターンにおける構造のパラメーターとして、上部人工パターンの周期と下部人工パターンの周期（ｄ）との位相差距離（ｐ）と、上下の人工パターンの間隔（ｗ）があるが、このパラメーターによって、可変領域での凹凸の溝方向と人工パターンの溝方向のなす角度（q_ｎ）の取り得る値が決まる（nは状態を示す指標で= ±1, ±2、図３参照）。その幾何的関係は、n > 0でtanq_n =(nd + p -d)/w、n < 0 でtanq_n = (nd + p)/w となるが、本パターンの場合、d = 1 ミクロン、p = 0.5ミクロンなの
で、ｙ軸に対して対称な状態が安定として現れる。,今回は圧縮方向φをｘ軸の周りで-20°→+20°→-20°とゆっくりと変化させた場合の、図２(a)の可変領域（40×1.8 μm²）
の凹凸方向（θ_ｎ= q_ｎ）を調べ、その平均値をφに対してプロットすると、図４のよう
に、段階的な応答がみられ、それぞれのステップは各θ_ｎ:n, = ±1, ±2に対応してい
る。一方、比較例として人工パターンがない場合の例も示してあるが、この場合はステップは存在せず、少しのヒステリシスを示す線形な応答を示すことが示されている。よって、デザインされた人工パターンによって、可変領域を規定でき、さらにその取り得る状態（凹凸方向）をも規定できたことが示された。

本発明における微小周期構造体の製造方法（左）と構造体の一例の原子間力顕微鏡像（右）を示す模式図である。 本発明における人工パターンの顕微鏡像と説明（a）と、１軸圧縮軸の回転させる実験系（b）。 本発明による４状態の凹凸方向を持つ素子の各状態の模式図（上）と光学顕微鏡写真（下、凹凸周期は１ミクロン）。 本発明による図２(a)の可変領域（40×1.8 μm²）の凹凸方向（θ_ｎ）の平均値をφに対してプロットした図。 本発明による構造体を利用したマイクロ流路スイッチの概念図

Claims (3)

1. 伸縮可能な支持体に密着した表面薄膜の微小領域での座屈変形に基づいて特性空間周期を有する微細凹凸構造を備えた微小形状スイッチアレイであって、前記薄膜が微細加工パターンを有する２以上の固定化領域と該固定化領域間に挟まれた１以上の可変領域を有し、外部応力により離散的な複数の形状状態を取り得、その状態間のスイッチングが外部応力の変化で制御でき、
   特性空間周期を有する微細凹凸構造は一方向に周期性を有する凹凸を備え、凹凸の周期は50nm〜500μm、凸部の高さは20nm〜200μmであり、
   前記微細加工パターンが、突起構造、溝構造、硬さの異なる領域のいずれかの周期的な配列構造であり、微細加工パターンの周期が200nm〜200μmであり、
   離散的な複数の形状状態は、圧縮の主応力軸方向が一定の角度範囲では形状が変化せず、形状が不連続的に変化する状態であり、
   支持体の材料の弾性率は、0.5〜10ＭＰａであり、
   薄膜の材料の弾性率は、0.5〜100ＧＰａであり、
   支持体の材料の弾性率（Ｅａ）と薄膜の弾性率（Ｅｂ）の比（Ｅａ／Ｅｂ）は、10 ^-5 〜10 ^-1 であり、
   薄膜の厚みは、１〜50000nmであり、
   支持体の厚みは、0.3〜20mmであり、
   以下の幾何学的関係：
   n > 0でtanθ _n =(nd+ p -d)/w、n < 0 でtanθ _n = (nd+ p)/w
   （式中、ｗは固定化領域の間隔、nは状態を示す指標で= ±1, ±2 …、ｄは微細加工パターンの周期、ｐは可変領域を挟む２つの固定化領域の人工パターンの周期の位相差距離、θ _ｎ は可変領域での凹凸の溝方向と人工パターンの溝方向のなす角度を示す。）
   を満たすことを特徴とする、微小形状スイッチアレイ。
2. 前記記載の形状状態間のスイッチングのための外部応力が１軸圧縮であり、圧縮の主応力軸方向の回転によってスイッチングが起こることを特徴とする請求項１に記載の微小形状スイッチアレイ。
3. 微細凹凸構造の特性空間周波数が200nm〜200μmであることを特徴とする請求項１又は２
   に記載の微小形状スイッチアレイ。