ケミカル エンジニアリング(化学工業社) 25 年 9 月号 pp.731-735. シリコンマイクロマシニングと集積化技術 佐々木実*1 金森義明*2 羽根一博*3 Minoru Sasaki, Yoshiaki Kanamori, Kazuhiro Hane 東北大学大学院工学研究科 *1 助教授 工学博士 *2 助手 工学博士 *3 教授 工学博士 １ はじめに LSI に代表される半導体産業の黎明期にフォト リソグラフィ加工技術が開発された 生産性良く 一括してデバイスが製作できる長所を最大限に活 かすことで集積度が高く付加価値の高い電子デバ イスが製作可能になった この微細加工技術を応 用して 微小な機械構造をも製作できる マイク ロマシニングも フォトリソグラフィの長所を踏 襲することを暗黙の了解としている 但し応用分 野ごとに要求されるものは LSI のそれとは異なる ため 評価基準に照らし合わせた多様な加工技術 となる 例えば LSI では ほぼ平面を対象とする 図1 微小共振器の製作プロセス 図2 製作した Si 鋳型壁面の表面粗さ のに対して センサ アクチュエータ 化学反応 分析ツールでは機能と密接に関係して深い凹凸を 持つ立体構造が求められる 私たちの手がけてい る光応用関係の研究を以下紹介する ２ 鏡面加工と微小共振器 微小光学素子において反射ミラーは鏡面であ ることが求められる 但し 基板に対して 45 や 9 をなす微小な平面になるため 表面研磨を施 すことは不可能である このため表面粗さはエッ チング技術に直接依存する (111)面は KOHなど を利用した結晶異方性エッチングで容易に得られ るが 45 や 9 の面にはならないため不向きで ある 対して(11)面は(111)や(1)基板に垂直にで き 六角形や四角形からなる光学系を構成できる 1, 2) 内部からの発光を各壁面で反射させて閉じ込 める共振器となる 固体色素微小共振器レーザを シリコン鋳型から転写して製作した 図 1に製作プロセスを示す 酸化した Si(111) ウ ェハに六角柱状キャビティアレイを 垂直ドライ エッチングによって用意する 壁面は{11}面にな るよう位置合わせしておく ドライエッチングの 図 3 微小共振器からの発光スペクトル
1nmRa ( 3)115 ethylenediamine pyrocatechol and water hinge (EDP) ( 4) {11} {11} {11} {11} (111) 12 4 Si {111} 6G PMMA jig ( 5) ( 7 ) 2EDP 2 nmra >4 <2nm Ra 5 2.5 (OF) 1 ch2 2 5nm Ra EDP {111}.1 3) (111) 5µm <11> 3 Nd:YAG 2 (532nm) Photocurrent (µa) 4 OF Q 16 {111} {11} (1) 25-45 1 45 9 3mJ/cm 2 4) (1) 1 (11) 1 1.5 1.5 LD guide pit lens PSD mirror PSD ch1 ch2 ch1 wafer -1 15 2 25 3 35 4 Sensor-to-sample distance (mm) 1.5 -.5 6 sample imaging lens P (ch2-ch1)/(ch1+ch2)
5) 4 Si V mm 7 PSD (Position Sensitive Detector) 4 2 5 6) LD 3 6 18-4mm 9 Photocurrent (na) pyrex glass hande Si device Si cantilever 8 4.15.5 φ3µm 2µm.1 code ball lens photodiodes 1 2 Displacement (µm)
4.8µm 1µm(a) 8) 9) 1, 11) 1 (a) 12) OMR83 (b) AZ5218E 13) 24 11 d<λ 1(a) (SubWavelength Grating: SWG) 1µm 1(b) 83µm SWG 3.µm SWG 3.µm 2.3µm 14) 11 SWG 4.8µm 5.2µm 6nm 3.5µm SWG 715nm 12(b) SWG Si d λ 3 (b)
12 12(a) 12(b) 13 TE 6 715nm 65nm75nm Reflectivity (%) 1) M. Sasaki, Y. Li, Y. Akatu, T. Fujii, K. Hane, Jpn. J. Appl. Phys. Part 1, Vol. 39, 7145 (2). 2) Y. Li, M. Sasaki, K. Hane, J. Micromechanics & Microengineering, Vol. 11, 234 (21). 3) H. Seidel, L. Csepregi, A. Heuberger and H. Baumgartel : J. Electrochem. Soc. Vol. 137, 3612 (199). 4) M. Sasaki, T. Fujii, K. Hane, Sensors & Materials, Vol. 15, 11 SWG No. 2, 83 (23). 5) M. Ishimori, J. H. Song, M. Sasaki, K. Hane, Jpn. J. Appl. 6 4 2 actuator 6µm SWG SWG 12 SWG 8 Grating pitch 6nm 715nm Red color region 5 55 6 65 7 75 8 Wavelength (nm) 13 SWG (TE ) 5mm (a) : 6nm (b) : 715nm 6nm Phys. Part 1, No. 6B, Vol.42, 463 (23). 6) S. Endou, M. Ishimori, M. Sasaki, K. Hane, Jpn. J. Appl. Phys. Part 1, Vol.44, 4B, 2874 (25). 7) F. Nakai, M. Sasaki, K. Hane, K. Yokomizo, K. Hori, Proc. Int. Conf. Optical MEMS, P-26, 116 (24). 8) M. Sasaki, T. Yamaguchi, J.H. Song, K. Hane, M. Hara, K. Hori, J. Lightwave Technol. Vol. 21, No. 3 62 (23). 9), E, 122-E, No.5, 235 (22). 1) V. K. Singh, M. Sasaki, J. H. Song, K. Hane, Jpn. J. Appl. Phys. Part 1, No. 6B, Vol.42, 427 (23). 11) V. K. Singh, M. Sasaki, J. H. Song, K. Hane, Jpn. J. Appl. Phys. Part 1, Vol. 44, No. 4A, 216 (25). 12) V. K. Singh, M. Sasaki, K. Hane, M. Esashi, Jpn. J. Appl. Phys. Part 1, Vol.43, No. 4B, 2387 (24). 13) http://www.ushio.co.jp/cgi-bin/press/prog/news.cgi?view + 79 14),,, 74 (25), No.7.