【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.05.20】
課題データ / Project Data
課題番号 / Project Issue Number
24TT0040
利用課題名 / Title
シリコン柱アレイに正のテーパをつけるイオンミリング処理
利用した実施機関 / Support Institute
豊田工業大学 / Toyota Tech.
機関外・機関内の利用 / External or Internal Use
内部利用（ARIM事業参画者）/Internal Use (by ARIM members)
技術領域 / Technology Area
【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）加工・デバイスプロセス/Nanofabrication（副 / Sub）-
【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）高度なデバイス機能の発現を可能とするマテリアル/Materials allowing high-level device functions to be performed（副 / Sub）革新的なエネルギー変換を可能とするマテリアル/Materials enabling innovative energy conversion
キーワード / Keywords
高品質プロセス材料/技術/ High quality process materials/technique,二次電池/ Secondary battery,MEMS/NEMSデバイス/ MEMS/NEMS device,光リソグラフィ/ Photolithgraphy,膜加工・エッチング/ Film processing/etching
利用者と利用形態 / User and Support Type
利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)
時吉 純平
所属名 / Affiliation
豊田工業大学 大学院工学研究科
共同利用者氏名 / Names of Collaborators Excluding Supporters in the Hub and Spoke Institutes
ARIM実施機関支援担当者 / Names of Supporters in the Hub and Spoke Institutes
大槻浩 支援員,花木美香 研究補助員,中山幸子 研究補助員
利用形態 / Support Type
（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）,技術補助/Technical Assistance
利用した主な設備 / Equipment Used in This Project
TT-006：マスクアライナ装置
TT-011：Deep Reactive Ion Etching装置（Boschプロセス）
TT-012：イオンミリング装置
TT-013：ダイシング装置
TT-015：デジタルマイクロスコープ群
報告書データ / Report
概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)
リチウムイオン電池の負極材として、従来のグラファイトよりも理論容量が約11倍大きいシリコンの活用を検討する。但し、シリコンはリチウムと反応して体積が3～4倍に膨張するため、電池内部構造を壊すことが欠点である。材料の膨張を許すポーラスな微細構造を実現することが必要となる。これに対して、シリコンが微細加工し易い長所を利用し、設計通りのポーラスな数µm程度の微細構造を単結晶シリコンから形成することで、体積変化を許容するシリコン負極材の実現を検討した。
実験 / Experimental
シリコン基板上に微細な柱アレイ構造を製作し、個々の柱体積が4倍に膨張しても隣接する柱と接触せず、膨張を許す設計とした。柱寸法の設計値は1辺1.5µm、ピッチ3µmの配列とした。本試作の前に、シリコン負極を用いて電池を構成し、充放電試験を行ったところ、リチウムが基板底面と反応することで発生した膨張が、柱構造を損傷する様子が観られた。この対策として、柱に正のテーパを付けることで底面の面積を少なくし、柱を丈夫にすることを試みる。正のテーパ形状はイオンミリングにて付けることとした。垂直エッチングにより高さ3µmの柱アレイ構造を完成させた後に、イオンミリングを実施してテーパ構造を付けた。
結果と考察 / Results and Discussion
図1に一辺1.5µmにてデザインした正方形アレイをパターニングし（パターニング時の光回折により円に近い形状に変化）、深さ約3µmの垂直エッチング処理をした結果を示す。図2にイオンミリング後の柱アレイ構造のSEM像を示す．柱上部から底部にかけて正のテーパが付いた。注目すべきは、柱底面のSEM像における測定値が2.18µmと、元の柱アレイ形状と比較して、底部が広がっていることである。イオンミリングで物理的に削られたSi原子が周辺に堆積したと考えられる。測定値からテーパ角度を換算すると11～14°程度のテーパと判断できた。
図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
図1：シリコン垂直エッチングで製作した柱アレイ。真ん中の大きな四角（一辺10.5µm）は電池試験時に柱を守るために混ぜた構造。
図2：イオンミリング処理後の構造。
その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)
本製作プロセスはデータ提供したため、条件の詳細は参照可能である。
成果発表・成果利用 / Publication and Patents
論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
- 第41回「センサ・マイクロマシンと応用システム」シンポジウム 26P2-B-2，時吉純平，原正則，吉村雅満，斉藤誠法，佐々木実「リチウムイオン電池に導入した微細構造付きSi負極の特性」2024.11.26
特許 / Patents
特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件