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1 ( 第 16 回 ) MEMS 集中講義 in 豊田工大プログラム 8 月 2 日 ( 木 ) 10:00-10:30 1. MEMS マイクロマシニングの概論 [ 江刺 ] 10:30-12:00 2. 豊田工大と その施設および MEMS 研究の紹介 [ 豊田工大佐々木 ] 12:00-13:30 昼食 (30 分 ) 研究室見学 (15 分 ) CR 見学 (25 分 )(3 グループ分割で順序入替により混雑回避 ) 13:30-14:50 3. マイクロマシニング 1( フォトファブリケーション エッチング )[ 江刺 ] 15:00-17:00 4. マイクロマシニング 2( 堆積 接合 複合プロセス パッケージング )[ 江刺 ] 8 月 3 日 ( 金 ) 9:00-10:30 5. 自動車 家電応用 ( 圧力 加速度センサ ジャイロ マイクほか )[ 田中 ] 10:40-12:00 6. 情報通信応用 [ 田中 ] 12:00-13:30 昼食 ( その日だけ参加した人は昼食 (30 分 ) 研究室見学 (15 分 ) CR 見学 (25 分 )) 13:30-14:30 7. MEMS の要素 ( センサ アクチュエータ ) [ 江刺 ] 14:30-15:30 8. COI 東北拠点 ( 日常人間ドック ) [ 末永 ] 15:40-16:10 9. MEMS 試作と人材育成 [ 戸津 ] 16:10-16: 試作装置見学室他 ( 近代技術史博物館 仙台 MEMS ショールーム ヒ シ ネスマッチンク 室 ) の展示室紹介 [ 江刺 ] 17:00-18:00 交流会 (MEMSPC カフェ )( 豊田工大食堂 ) (40 名程度 ) 8 月 4 日 ( 土 ) 9:00-10: 製造検査 ( 含むナノマシニング ) と環境 安全 [ 小野 ] 10:50-12: 光 MEMS [ 羽根 ] 12:00-13:30 昼食 ( その日だけ参加した人は昼食 (30 分 ) 研究室見学 (15 分 ) CR 見学 (25 分 )) 13:30-14: 医療 [ 芳賀 ] 14:30-15: マイクロエネルギ源他 [ 桑野 ] 16:00-17: MEMS の新しい話題 [ 田中 ] 1

2 1. MEMS マイクロマシニングの概論 東北大学江刺正喜 はじめに 3-7 自己紹介 8-15 MEMS 製品化の例 加速度センサ ミラーアレイによるプロジェクタ (DMD) 共振子 ( 周波数源 ) MEMS 製品化における課題 /8/2 10:00-10:30 2

3 マイクロシステム MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) フォトファブリケーション 多様な要素を集積化し高度な働きをする小形システム 光 機械 電気 材料などの異分野を融合 半導体微細加工技術 ( マイクロマシニング ) で製作し 自動車 家電情報 通信 製造検査 科学機器 環境 防災などの広い分野で各種センサなど高付加価値基幹部品を供給 特長 : 小形 ( 高感度 高速応答 低消費電力 高空間分解能 ) 集積化 ( 低コスト アレイ構造 ) ( 構造体 + センサ + 回路 + アクチュエータ ) マイクロマシーニングで作られるマイクロシステム MEMS 3

4 機械加工とフォトファブリケーション 4

5 主要な MEMS 製品化 ( 売上 +13%/ 年 ) 5

6 2014 SEMI STS seminar 6

7 ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors) ITRS は に終了 IRDS(IEEE International Roadmap for Devices and Systems) へ半導体技術の応用分野を出発点に考える IoT (Internet of Things) Big Data 処理など ( 森北出版 2009) ( 森北出版 2016) IoT(Internet of Things) 時代のマーケット予測 ( フランス Yole Development 社提供 ) 時流の変化 7

8 1971 年 ISFET (Ion Sensitive FET) の研究 ( 電子工学科大学院 ) 20mm ウェハプロセス整備 1976 年医用マイクロセンサ ( 電子工学科助手 ) 共同実験室 ( マイクロ加工室 ) 整備 1981 年 CMOS LSI 開発 ( 通信工学科助教授 ) LSI 設計 試作環境整備 1990 年 ( 集積化 )MEMS 開発 ( 精密工学科教授 ) 1995 年ヘ ンチャヒ シ ネスラホ ( 現在のマイクロナノセンタ ) 整備 松尾正之 (1971 年スタンフォード大学 ) 2007 年ヘテロ集積化 ( 原子分子材料科学高等研究機構 (WPI-AIMR) 教授 ) 2008 年 ( 財 ) 半導体研究振興会 ( 半研 ) 解散 ( 大学への移管 ) 2009 年マイクロシステム融合研究開発センタ (μsic) 発足 2010 年試作コインランドリ整備 2013 年工学研究科 ( 兼務先 ) 定年退職最終講義 設備共用へのこだわり [ 目的外使用に制限のある助成金は貰わない ] 江刺の経緯とマイクロシステム融合研究開発センタ (μsic) ( 緑は共用施設 ) 8

9 50μm ( 松尾正之 江刺正喜 飯沼一浩, 電気関係学会東北支部連合大会 (1971)) ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor) ( ウェハプロセスによる装着性能向上 ) (M.Esashi & T.Matsuo, Supplement to the J.J.A.P.,44 (1975) 339) 第 10 回でんきの礎 ( 技術遺産 ) として顕彰 (2017/3/16) 9

10 科研費で購入したマスク合わせ装置 自作の両面合わせ装置 自作の酸化拡散炉 エッチング装置 1975 年 ( 博士課程 ) 当時の半導体試作施設 10

11 (1983 年に クラレより商品化された (1980 年に薬事法で認可 ) その後日本光電工業 に移管 逆流性食道炎の診断に多く使われた ) カテーテル ph, PCO 2 モニタ ( クラレ, 日本光電 ( 担当関口哲志 ) 11

12 京都大矢島研究室 大学間計算機ネットワーク 東北大大形計算機センター (TSS) ( 江刺正喜 東北大学における LSI 設計試作教育経験 昭和 59 年電気学会全国大会 (1984)) 12 ( 江刺正喜, 大友雅彦 機能試験用 LSIテスタの製作 昭和 59 年度電気関係学会東北支部連合大会 (1984))

13 体内埋込テレメトリ用 CMOSIC (H.Seo, M.Esashi and T.Matsuo, Frontiers of Medical and Biological Eng.,1(1989) 319) 13

14 1980 年代の集積回路試作実験室中古イオン注入装置 14

15 手作りによる 20mm ウェハプロセス用の安コスト 多自由度の試作設備 危険なガスは使わない 壊れる部分が少ない単純な装置 多くの研究室で共同利用で分野融合 通算約 130 社以上 2 年程度常駐 全工程を実際に経験した人材の育成 15

16 A. Surface micromachining 例 Poly-Si surface micromachining (U.C.Berkeley, Analog Devices) A1 Epitaxial poly-si surface micromachining (Uppsala Univ., ST micro, Bosch) A2 SiGe surface micromachining (U.C.Berkeley, imec) A3 Metal surface micromachining (Texas Instruments (DMD)) A4 B. Wafer bonding ( 他に低融点ガラス接合 ポリマー接合など ) Anodic bonding (Stanford Univ., Univ. of Michigan, Tohoku Univ.,) Direct bonding, Hybrid bonding (XPERI) Metal bonding (Invensense) C. CMOS-MEMS (CMOS ウェハを用いた MEMS) (ETH( スイス ), Georgia Tech., Carnegie Mellon Univ., 国立清華大 ( 台湾 )) D. Through Wafer Interconnection ( 貫通配線 ) (TSMC, KTH, Silex, SINTEF, Micralyne, mcube, 青華大 ( 中国 )) E. その他 Episeal (Stanford Univ., SiTIME, 横河電機 ) Wafer (selective) transfer (KTH, IBM, Tohoku Univ.) SOI-MEMS (U.C.Berkeley, Analog devices) Shell packaging (UCLA, imec, Fraunhofer ENAS), Plug-up (VTT) Via-opening wire bond (Avago) SOC, MCM, WL-FOP, SIP, SOP Bulk micromachining Microsystem Integration ( ヘテロ集積化 ウェハレベルパッケージング等 ) の分類 B1 B2 B3 C1 D1 E1 E2 E3 E4 E5 E6 E7 16

17 この豊田工大のキャンパス ( 旧豊田中央研究所の敷地 ) は日本の MEMS 発祥の地 五十嵐伊勢美氏 ( 豊田中央研究所 ) 1960 年代ピエゾ抵抗型圧力センサ リーンバーンエンジン ( トヨタ ) に用いる各種センサ 1980 年代の排ガス規制対応 17

18 排ガス規制パッシブセーフティアクティブセーフティプリクラッシュセーフティエンジン制御エアバッグ ( 衝突検知 ) VSC ( 運動性能向上 ) 衝突前停止 ( 圧力センサ ) ( 加速度センサ ) ( ジャイロ他 ) ( レーザ ( ミリ波 ) レーダ他 ) 自動運転

19 面外 ( 垂直方向 ) 動作 ( 静電容量大 対象性悪 ) 面内 ( 水平方向 ) 動作 ( 静電容量小 対象性良 ) 厚さ1.5μm 表面マイクロマシニングによる加速度センサの違い A1 (1990 年代自動車のエアバック用の衝突検知 ) 19

20 3μm BiCMOS 1.5 μm CMOS circuit 犠牲層 ( りんガラス PSG) 堆積 poly Si 堆積 熱処理 (1100 3h) 金属配線 犠牲層エッチング A1 (M.W.July, Tech.Digest solid-state Sensor, Actuator and Microsystems Workshop, Hilton Head (2004) 27) 20

21 変位分解能 16fm (1/6,000 A) (12zF の容量変化 ) Poly-Si の表面マイクロマシニングによる集積化振動ジャイロ (Analog Device 社 ADIS1650) A1 (J.A.Green et.al.,ieee J. of Solid State Circuits, 37 (2002) 1860) 21

22 50MΩ で 1/50 デューティ比で 2.5GΩ に相当 変位分解能 16fm (12zF の容量変化 ) 集積化振動ジャイロ ( アナログデバイス ADIS1650) の容量検出回路 (J.A.Green et.al.,ieee J. of Solid State Circuits, 37 (2002) 1860) 22

23 1 SiO 2 上に LPCVD で核形成 (650 ) 125nm 厚 Si エピ層 振動ジャイロのエピタキシャルポリ Si 構造 ST Microelectronics の加速度センサ A2 2 減圧エピタキシャル成長炉を用いた厚い poly-si 成長 (1000 ) 縦カラム状で低応力 (3MPa) 堆積速度大 ( μm / min) 厚いポリシリコンを用いた横方向に動く容量型センサ 低応力厚膜用のエピタキシャルポリ Si (M.Kirsten, B.Wenk (Fraunhofer-Inst.), F.Ericson, J.A.Schweitz (Uppsala Univ.) Thin Solid Films, 259 (1995) pp ) 23

24 A2 3 軸振動ジャイロ (ST マイクロエレクトロニクス ) の原理 (L.Prandl et.al., ISSCC 2011, p.104) 24

25 1. Si 熱酸化 Si SiO2 6. SiO2 犠牲層エッチング 2. poly Si CVD パターニング Poly Si 7. ガラス蓋 Glass 3. SiO2 CVD SiO2 8. ガラス蓋封止 Glass frit 4. SiO2 パターニング 5. Epi-Poly Si CVD パターニング Epi-Poly Si 9. ワイヤボンド 端子形成 Metal Polymer Epitaxial poly Si による慣性センサの考えられる製作工程 A2 追加 2 (G. Langfelder et.al (ST Microelectronics), IEEE Sensors Journal, 11 (2011) 1069 に追加 )

26 800 2min min SiH 2 CL 2 (DCS) 200 sccm PH 3 (1%) 50 sccm 15 SLM H 2 Columnar Epi Poly-Si 1000 Epi Poly-Si 成長 ( 東北大 ) Random Small Poly-Si Grains 800 SiO 2 SOI の場合と異なり基板へのアンカーや電気的接続も可 Si 応力 ~ 1 MPa/μm (Y.Suzuki et.al., The 29th Sensor Symposium on Sensors, Micromachines and Applied Systems, Kitakyushu City (2012-Oct.22-24) SP2-7, 125) 26

27 Dual layer process (Bosch) A2 (U.M.Gomez (Bosch), MEMS Engineer Forum 2018) 追加

28 SiO2 CVD パターニング poly Si エッチ (SF6) SiO2 SiO2 2 nd poly Si (10μm 厚 ) (Epi-poly Si? ) 1 st poly Si ( 配線用 ) Si SiO2 3 rd poly Si (10μm 厚 ) (Epi-poly Si? ) SiO2 パターニング 3 rd poly Si DRIE, SiO2 vapor etch (HF) A2 3 層の poly Si を用いた Dual layer MEMS プロセス (J.Classen (Bosch) et.al, IEEE MEMS 2018, 314) 追加

29 Dual layer MEMS 構造のパッケージングストレスに対する安定性 A2 (J.Classen (Bosch) et.al, IEEE MEMS 2018, 314) 追加

30 スマートフォンに使われる MEMS 30

31 ミラーマトリックスチューブ (1975) 31

32 ディスプレイ例 (IEEE Trans. on Electron Devices, ED-30, 5 (1983) p.122)

33 DMD (Digital Micromirror Device)( テキサスインスツルメンツ社 ) によるヒ テ オフ ロシ ェクタ DLP A4 (L.J.Hornbeck : Micromachining and Microfabrication'95(SPIE), Austin, 3 (1995))

34 A4 DMD の実装工程

35 A4 時分割による階調のある画像の表示 (DLP : Digital Light Processing)

36 トーションバー材料のクリープ マスクレス露光用ミラーアレイ (F.Zimmer (Fraunhofer IPMS), G.Stemma (KTH) et.al., MEMS 2011 (2011) 736) 36

37 曲がる梁上に金属 クリープ有り 動かない基板上にだけ金属 クリープ無し 可動構造に金属が在るとクリープがヒステリシスの原因になる 37

38 100 万個程の可動ミラーのアレイを CMOS 回路上に形成 ディジタル映写機 ( 画素 ) A 年 Star Wars : Episode 1 (George Lucas 監督 ) が DLP によるディジタルシネマでニューヨークとロサンゼルスで初上映 オンの時間幅で輝度表現 ビデオプロジェクタ用 DMD (Digital Micromirror Device)( 米 TI 社 ) 38

39 旧バージョン トーションバー (1mm 幅, 600nm 厚 ) アモルファス金属 (TiAl3) スプリングチップによるクッション構造による貼り付き対策 材料や構造の工夫による可動部の信頼性向上 39

40 Life (hours) 1992 年にHinge 材料を変更 ( アモルファス金属 TiAl 3 ) 12 Hinge 疲労を解決 (> 1 10 cycleでも壊れなくなった ) 40

41 A4 マイクロマシニングによるオンチップのメカニカルフィルター ( 最初の表面マイクロマシニング ) (IEEE Trans.on Electron Devices,ED-14,3(1967))

42 振動モード E1 日経エレクトロニクス, No.923, 2006 年 4 月 10 日 (SiTime ( メガチップス )) 42

43 E1 エビシールによるシリコンMEMS 発振子の製作工程 ( 櫻井俊二 (SiTime) 金属, 77, 7 (2007) 37) 43

44 エピシールにおける窒素処理による真空封止 (B.Kim et.al (Stanford Univ., SiTime, Bosch, U.C.Berkeley, Netlogic Microsystems), J.of Applied Phys., 105 (2009) 105) 44

45 共振型圧力センサ ( 横河電機 ) (K.Ikeda, Tech. Digests of the 7th Sensor Symposium (1988) 55) 45

46 振動型圧力センサの製作工程 ( 横河電機 ) (K.Ikeda, Tech.Digest of the 7th Sensors Symposium (1988) 55) 46

47 47

48 (R.Melamud, T.W.Kenny et.al, MEMS 2007 (2007) 199) 48

49 高不純物濃度 Si を用いた温度安定性の改善 ( フィンランド VTT, 米国ジョージア工科大学 ) ( 日経エレクトロニクス, 2016 年 7 月 ) 49

50 (A.Jaakkola (VTT) et.al, IEEE Trans. On Ultrasonics, Ferroelectrics and Freq. control, 61 (2014) 1063) 50

51 C11 : 縦弾性係数 C12 : せん断弾性係数 C44 : 体積弾性係数 共振周波数のパラメータ依存性 (A.Jaakkola (VTT) et.al, IEEE Trans. On Ultrasonics, Ferroelectrics and Freq. control, 61 (2014) 1063) 51

52 MEMSは半導体技術に様々な技術を組み合わせ いろいろな用途に用いられるため 開発がボトルネックになり多様な知識にアクセスできることが求められる また試作開発や製造に多くの設備を必要としており スマートホンなどに使われる大量の場合もあるが 製造検査装置関係などのように少量の場合も多い このため設備投資をするわけにはいかないが LSIのようには標準化できないため ファウンダリに開発や製造を委託することも難しく 特に設計試作の経験を持たないで外部委託すると失敗する 1990 年頃までわが国産業界のMEMSは世界を牽引していた 例としては 豊田中央研究所で開発されたピエゾ抵抗型の圧力センサが 1980 年代に自動車のエンジン制御に使われ 排気ガス規制をクリアして環境浄化に貢献した 2000 年頃からクローバル化が進み 企業内での開発が弱体化し 新たにMEMSを始めたいろいろな企業が正しく判断できずに 外部から持ち込まれた技術を安易に取り入れて失敗した 2010 年頃から海外ベンチャ企業などとM&Aで提携するように変わってきた 今後我が国のMEMS 技術が世界に貢献していくためには 試作設備を共用し 役立つ技術が開発されて産業に結び付くよう 組織 52 間の壁を低くし集団で力を発揮できるようにする必要がある

53 53

54 以前現在会社今後 ( 欧州 ) 会社 < 応用 > 会社 国外ベンチャ企業国内外ベンチャ企業 公的研究機関試作開発のための共用設備 大学公的研究機関大学公的研究機関大学 < 基礎 > ローム Kionics ( 米国 ) [ 加速度センサ ] 村田製作所 VTI ( フィンランド ) [ 加速度センサ ] メガチップス SiTime ( 米国 ) [MEMS 発振器 ] アルプス電気 Qualtre ( 米国 ) [ ジャイロ ] 組織間の壁を低くし集団で力を発揮 シャープ Pixtronix (Qualcomm) ( 米国 ) [ モバイル用ディスプレイ ] TDK EPCOS ( ドイツ ) [ 高周波部品 ] TRONICS( フランス ) [MEMS] Invensense ( 米国 ) [ ジャイロ コンボセンサ ] MEMS は開発がボトルネック 国外 ( ベンチャ ) 企業との事業統合による日本企業の生き残り 54

untitled

untitled ( ) ( ) 1 MEMS : MEMS ( +13% / ) 2 3 ISFET ph,co 2 (K.Shimada, M.Esashi, Med.& Biol.Eng.& Comp.,18 (1980) p.741) (M.Esashi T.Matsuo, Supplement to the J.J.AP.,44 (1975),339-343) 4 5 (Y.Matsumoto, S.Shoji,

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untitled 1. 2. ( ) 3. ( ) 4. ( ) 5. ( ) 6. MEMS 20mm 400 (40 )100 A-A A 2. ( ) MEMS A (L.M.Roylance et.al., IEEE Trans. on Electron Devices, ED-26 (1979) p.1911) ( (In-Vivo Oximetry)) (J.M.Schmitt,F.G.Mihm and

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