MEMSの基礎と応用 徹底解説

Electronic Journal 第98回 Technical Seminar
MEMSの基礎と応用★徹底解説
東北大学 大学院工学研究科 マイクロ･ナノセンター 江刺正喜
１．マイクロマシニングの基礎 その1
(パターニング、ウェットエッチング、ドライエッチング）
２．マイクロマシニングの基礎 その2
(成膜、接合・貼り合わせプロセス、パッケージング他)
３．MEMSの応用 その1 :自動車・家電分野
(圧力センサ、加速度センサ、ジャイロ、その他)
４．MEMSの応用 その2 :情報・通信の応用
(光、RF、印刷、記録、その他)
５．MEMSの応用 その3 :製造検査・科学機器
(赤外線センサ、その他)
医療・バイオ応用
(能動カテーテル、検体検査、その他)
６．MEMSの応用 その4 :マイクロアクチュエータ
(静電駆動・圧電駆動・熱駆動、その他)
マイクロエネルギ源
７．MEMSビジネスモデルと多品種少量生産
１．マイクロマシニングの基礎 その1
(パターニング、ウェットエッチング、ドライエッチング）
1
ＭＥＭＳ
(Micro Electro Mechanical Systems)
・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、各種センサなど高付加価
値基幹部品を供給。
フォトファブリケーションとマイクロマシーニング
機械加工
ﾏｲｸﾛﾏｼﾆﾝ
ｸﾞ(ﾌｫﾄﾌｧﾌﾞﾘ
ｹｰｼｮﾝ)
加工直列
組立直列
組立並列
加工並列
部品ﾚﾍﾞﾙ複製
ｼｽﾃﾑﾚﾍﾞﾙ
複製
機械加工とマイクロマシニング(フォトファブリケーション)
2
特長：
小形 （高感度、高速応答、低消費、高空間分解能）
集積化（低コスト、アレイ構造）
マイクロ構造体＋センサ＋回路＋アクチュエータ
応用：
情報・通信（通信用光スイッチ他）
自動車・家電（ジャイロ他）
医学・バイオ（カテーテル他）
製造検査・科学機器（LSIプローバ他）
環境・防災（赤外線センサ他）
特長・応用
表面マイクロマシニング
3
バルクマイクロマシニング
名 前
仕 様
メーカ
特徴
OFPR-800
ポジ
東京応化工業
一般フォトリソグラフィ用
OMR-83
ネガ
東京応化工業
一般フォトリソグラフィ用
SU-8 3000
ネガ,厚膜
化薬ﾏｲｸﾛｹﾑ
超厚塗り,垂直側壁,エポキシ系, i線
KMPR
ネガ,厚膜
化薬ﾏｲｸﾛｹﾑ
同上 + 剥離可
TMMR S2000
ネガ,厚膜
東京応化工業
超厚塗り,垂直側壁,エポキシ系,
THB-430N
ネガ,厚膜
JSR
超厚塗り,垂直側壁,アクリル系,
光重合型,ｱｾﾄﾝで剥離可
AZ4903
ポジ,厚膜,めっき Clairant
厚塗り,厚膜めっきに適
PMER-900
ポジ,めっき用
東京応化工業
厚塗り可(約10μm)
ｵｰﾃﾞｨﾙTR-440
ネガ,めっき他用
東京応化工業
ﾄﾞﾗｲﾌｨﾙﾑ(30μm厚)
ｵｰﾃﾞｨﾙBF-410
ネガ,ｻﾝﾄﾞﾌﾞﾗｽﾄ用 東京応化工業
ﾄﾞﾗｲﾌｨﾙﾑ(100μm厚)
CRC-8200
ポジ,ポリイミド
住友ﾍﾞｰｸﾗｲﾄ
中耐熱性,キュアによる収縮小
フォトニース
ネガ,ポリイミド
東レ
高耐熱性,キュア(350℃)時収縮大
AZ5214E
ｲﾒｰｼﾞﾘﾊﾞｰｻﾙ
Clairant
逆ﾃｰﾊﾟ断面になりﾘﾌﾄｵﾌに適，
露光→ﾍﾞｰｸ→全面露光→現像でﾈｶﾞ
江刺研究室で使用している感光性レジスト
4
SU-8 3000 溶剤現像型永久レジスト
耐クラック、高密着性
KMPR 1000
アルカリ現像型剥離レ
ジスト 「KMPR-1000 シリーズ」
剥離可能、めっき適性、エッチング適性
(ガラスRIEのマスクなど)
KMPR 1000の鋳型による
Niめっき構造
大気中放置後
レジストはがれの原因
高温処理直後でレジスト付
着良好
レジスト塗布は高温(400℃以
上)熱処理直後に行う。
接着助剤による酸化膜表面改質
できない時は接着助剤使用。
5
スキージ塗布(>70μm厚)
スピンナによる厚膜レジストコーティング
(古澤俊夫、第15回「センサの基礎と応用」シンポジウム 和文速報、(1997), 67)
スプレーによる非平面へのレジストの塗布
(Prof.Sasaki,V.K.Singh, Jpn. J. Appl.
Phys., 43, No.4B (2004) 2387-2391)
6
レジストのスプレー塗布装置
(川北 (ウシオ電機㈱)、電子材料,2004年
11月号, p.53-54)(東北大 佐々木 助教授)
長焦点深度投影露光装置
焦点深度±50μm、解像力9μm
(ウシオ電機製 UX-2000S)
マスク合わせ露光の各種方法
7
ラージ露光ギャップ光学系(LEGO)
(Suss MicroTec.)
プロキシミティ露光
コリメーション角
D (通常のﾌﾟﾛｷｼﾐﾃｨ光源): 3° LEGO : 1.5°
ラージ露光ギャップ光学系(LEGO) (Suss MicroTec.)
8
431nm
位相反転
光束広がり ±0.7°
(通常のプロキシミティ光源 ±9.9°)
位相シフトマスクを利用した立体形状への微細パターン露光
(佐々木実、電気学会研究会資料 MSS-06-19)
露光装置: MA6 (SUSS MicroTec )
フォトレジスト : TSMR V90 (東京応化工業㈱)
with water-immersion
液浸コンタクト リソグラフィー
(K.S.Chang他、第20回「センサ・マイクロマシンと応用システム」シンポジウム、レート
ニュース、東京 (2003), p.52)
9
Mask
light
Air
n=1.5
n=1
n=1.6
Mask
light
Refracted
Light
n=1.5, glass
19
Incident
Light
n=1, air
30
o
o
Water
19
o
Refracted
Light
n=1.5, glass
n=1.5
n=1.34
n=1.6
21
Incident
Light
n=1.34, water
低反射
o
フレネル回折による解像度
∝√ギャップ材料の屈折率
水浸による反射・屈折の低減
低屈折
STM (走査型トンネル顕微鏡)描画によるナノファブリケーション
(H.Hamanaka et.al., MEMS’97)
10
直径1mmのシリコンボールに形成した微細パターン
マスクレス露光
（ボールセミコンダクター社）
複数の露光パターンの重畳に
よるグレースケール露光
DMDを用いたマスクレス露光装置
(ボールセミコンダクター㈱製)
16階調のグレースケール露光、現像後のレジスト断面形状
マイクロレンズアレイパターンの作成例
ﾏｽｸﾚｽ露光によるｸﾞﾚｰｽｹｰﾙﾘｿｸﾞﾗﾌｨ
(K.Totsu et.al.J.Vac.Sci.
Technol. B23, 1487 (2005))
11
レンズ形状の加工
(ネガレジスト)
光ファイバ先端コアへのセルフアライメントによるレンズ形成
(P.N.Minh : Optical Review, 10, 3 (2003) pp.150-154)
12
マイクロコンタクトプリンティング
太さ135μｍのガラス管表面
マイクロコンタクトプリンティングで形成した金属パターン
（J.A.Rogers et.al.: J. Microelectromechanical Systems,.6 (1997) p.184）
13
紫外線透過マスクを用いた紫外硬化樹脂へのパターン転写
(K.Sawa et.al., The 18th Sensor Symposium, (2001), 229-232)
ウェットエッチング
14
ウェットエッチング
ドライエッチング
ウェットエッチングでは濡れ
を良くするため、エッチング
液に界面活性剤やアルコー
ルなどを添加することもある。
エッチング
ｳｪｯﾄｴｯﾁﾝｸﾞとﾄﾞﾗｲｴｯﾁﾝｸﾞ、等方性ｴｯﾁﾝｸﾞと異方性ｴｯﾁﾝｸﾞ
15
HNO3よりホール（ h+ ）が生成
HNO2 ＋ HNO3 ＋ H2O → 2 HNO2 ＋ 2 OH- ＋ 2h+
ホールで酸化したシリコンは、HFと反応しH2SiF6として溶解
Si ＋ 2 H2O ＋ 4 h+ → SiO2 ＋ 4 H+
SiO2 ＋ 6HF → H2SiF6 ＋ 2 H2O
シリコンの等方性エッチング
ｳｪｯﾄｴｯﾁﾝｸﾞとﾄﾞﾗｲｴｯﾁﾝｸﾞ、等方性ｴｯﾁﾝｸﾞと異方性ｴｯﾁﾝｸﾞ
16
シリコンの結晶構造
結晶面の関係
17
シリコンの結晶異方性エッチング（(100)面(a)(b)(c), (110)面
(d)(e)(f)）
マスク形状
エッチング後に現われ
た結晶面による形状
結晶異方性ｴｯﾁﾝｸﾞで作られたV型穴を用いた個別細胞
融合セル （日立製作所 製）
(100)面ウェハの結晶異方性ｴｯﾁﾝｸﾞによるV型の凹形状
18
コーナ補償パターンでエッチ
ングした後
(100)面の結晶異方性エッ
チングで作られた凸形状に
おけるコーナエッチング
コーナ補償パターン
KOHシリコンエッチングにおけるピラミッド状表面荒れの液中酸素飽和による解決
(小藪国夫(NTT), 昭和46年精密工学会秋季大会講演論文集 (1988) p.573)
(S.A.Campbell, J. Micromech. Microeng, 5 (1995) pp.209-218)
19
(100)面
(110)面
32 wt% KOH (110℃)
シリコン結晶異方性エッチングの表面粗さに影響する微量
不純物(Cu)の影響
(考えられる機構: Cuの酸化還元電位が水素に近いため、エッチング中に発生
した水素でCuが析出してマスクとなる)
(田中浩(デンソー), 表面技術, 51-8 (2000) pp.780-784)
方向合わせ用ﾊﾟﾀｰﾝ
(110)面ｳｪﾊを用いた結晶異方性ｴｯﾁﾝｸﾞの例
20
110面ウェハに垂直な溝を均一な深さにエッチングする工夫
３周波超音波を用いた均一深さエッチング（下）
21
シリコンの結晶異方性エッチング液
{110}
100面と110面のエッチング速度の違いを利用した加工
22
45度
結晶面の関係
シリコンの不純物濃度依存性選択エッチング
23
圧力センサとダイアフラム形成用シリコン電解エッチング
(M.Esashi et.al.: IEEE Trans. on Electron Devices, ED29, (1982))
シリコンの不純物濃度依存性選択エッチング
24
結晶異方性エッチングにおける高濃度ホロンﾄﾞｰﾌﾟ層（p++層）
によるエッチング停止
(S.D.Collins, J.Electrochem. Soc., 144 (1997) 2242-2262)
p++層によるエッチング停止法でガラス
穴の蓋を形成した容量型圧力センサ
(江刺正喜 他, 電子情報通信学会論文誌CII,J73-C-II (1990),461-467)
25
シリコンの不純物濃度依存性選択エッチング
10 μm
ｐｎエッチストップによる薄いシリコンダイアフラムの製作
（豊田工機㈱）
26
n型とp型のSiにおける電解電流特性
4電極法
27
ガルバニックｐｎエッチストップ
(P.J.French et.al., Sensors and
Actuators A,56 (1996))
P型層を残したpnエッチストップ
28
(Y.Tao and M.Esashi: Local formation of
macroporous silicon through a mask,
J.Micromech. Microeng. 14 (2004) 1411-1415)
マクロポーラスシリコンを
用いたウェットプロセスに
よる高アスペクト比構造
(製作工程と写真)
マクロポーラスシリコンの形成
29
Pre-defined pits
N-type Silicon
Boron-diffused P+ layer
Cr/Au
pn接合からのホール注入を
用いたマクロポーラスシリコン
(X.Badel, Electrochemical and SolidState Letters, 6 (2003) C79-C81)
kΩオーダの高抵抗シリコンを
用い、1000℃以上の熱処理を
しない
熱酸化 → ポーラスSiO2
燃料電池への応用
HF液中のｐ型シリコン陽極酸化による
マイクロポーラス（多孔質）シリコン
（K.B. Min et.al. Electrochemistry(電気化学および工業物理化学), 70 p.924 (2002))
30
ポーラスシリコンを用いた真空空洞の作成
(S.Armbruster (Bosch), Transducers’03, p.246)
ELTRAN (Epitaxial Layer TRANsfer)によるSOIウェハ (Canon)
(T.Yonehara & K.Sakaguchi, JSAP Intnl. No.4 (2001) p.10
31
条件の違いによる２種類の多
孔質膜
水素中熱処理
ELTRAN (Canon)
(T.Yonehara & K.Sakaguchi, JSAP Intnl. No.4 (2001) p.10
Water Jetによる分離
ELTRAN (Canon)
(T.Yonehara & K.Sakaguchi, JSAP
Intnl. No.4 (2001) p.10
32
ドライエッチング
ｳｪｯﾄｴｯﾁﾝｸﾞとﾄﾞﾗｲｴｯﾁﾝｸﾞ、等方性ｴｯﾁﾝｸﾞと異方性ｴｯﾁﾝｸﾞ
33
プラズマエッチング
XeF2→Xe+2F Si+4F →SiF4 ↑
XeF2ガスを用いたドライエッチング装
置
(R.Toda et.al., Sensors and Actuators, A66
(1998))
34
XeF2ガスドライエッチングにおける赤外吸収によるエッチング中ガスモニタ
静電駆動容量検出振動ジャイロにおけるシリコンばねの加工
35
直径1mmのシリコンボールに形成した微
細パターン
（ｲﾝｸｼﾞｪｯﾄﾌﾟﾘﾝﾀによるﾚｼﾞｽ
ﾄ塗布、DMDによる露光）
静電浮上ボール3軸加速度センサにおける、犠牲層
エッチングによるギャップ形成
(R.Toda (Ball Semiconductor Inc.) et.al., MEMS’02 (2002))
XeF2によるSiエッチングにおける選択性
SiO2, フォトレジスト, Al, Cr, TiN, SiC : >1000
Si3N4 : 少しエッチング
Ti : 85
Nb : 20
Mo : 6
W, Ir, Au, Ag,Ta などはエッチングされる。
(P.B.Chu, Transducers’97, (1997) p.665)
その他、Siのガスエッチングに使えるガス :
ClF3 (植田, 精密工学会誌, 66 (2000) p.871)
BrF3 (U.Kohler, Sensors & Actuators A53 (1996) p.361) 平坦
F2 遅い、SiNはエッチングされにくい
36
HFガスによるSiO2のドライエッチング
(J.P.Stadler (BOSCH), SEMICON Europe 2001)
HFによるドライエッチングを用いたシリコン振動ジャイロの作製
（BOSCH）
37
電磁駆動容量検出型シリコン振動ジャイロ （ボッシュ(独)）
38
2HF(ads) + CH3OH(ads) → HF2 －(ads) + CH3OHH+
SiO2(s) + 2 HF2－(ads)+2CH3OHH+(ads) → SiF4(ads) + 2H2O(ads) + 2CH3OH
6HF(ads) + SiO2(s) → H2SiF6(ads) + 2H2O(ads)
H2SiF6(ads) → 2HF(g) + SiF4(ads)
H2SiF6(ads) + 3H2O(ads) → H2SiO3(ads) + 6HF(ads)
↑
残留物として堆積
水分を少なくして、HFを濃くすることで残留物堆積を防ぐ
SiO2のHFドライエッチングメカニズム
(J.H.Lee, Sensors & Actuators, A 64 (1998) 27-32)
犠牲層ドライエッチング装置 (XeF2によるSiエッチング、
HF+CH3OHによるSiO2エッチング、撥水性ドライコーティング)
39
犠牲層ドライエッチング装置の構成
40
ｳｪｯﾄｴｯﾁﾝｸﾞとﾄﾞﾗｲｴｯﾁﾝｸﾞ、等方性ｴｯﾁﾝｸﾞと異方性ｴｯﾁﾝｸﾞ
電磁駆動容量検出シリコン振
動ジャイロ
(J.Choi et.al.: Microsystem Technologies, 2 (1996) 186-199)
41
Deep RIE
（Reactive Ion Etching）
深い反応性イオンエッチング
(M.Takinami et.al., Technical Digest of the
11th Sensor Symposium,(1992),15-18)
低温ＲＩＥ
(田地新一、精密工学会誌 60 (1994) 1559-1564)
42
アルカテル社の低温ＲＩＥ
基板温度の低温化による過剰堆積膜の影響
43
BOSHE法によるDeep
RIE
Deep RIEによる高ｱｽﾍﾟ
ｸﾄ比でのｼﾘｺﾝｴｯﾁﾝｸﾞ
44
ガスの切り替えをしない
ガス切り替えを高速化する(エッチレート小)
初期はエッチングレートが早いので切り替えを早くする
(パラメータランピング) → 側壁粗さ 10-20nm
水素アニール(1100℃ 10torr 10分) 表面Si原子移動
その他
段々形状(Scallops)
低Scallops(側面粗さ)プロセス
酸素プラズマ(アッシング)では、シリコンなどを含む側壁堆積膜を除去できない
専用薬液(例えば HFE-7200 (住友3M㈱))の使用
超臨界に近い(300℃、3000psi)でCO2(+TMAH +メタノール・水)
(S.Mineri et.al., J.of Electrochemical Soc., 150 (2003) pp.G744-750)
など
側壁堆積膜の除去
水素アニール前
水素アニール(1100度10分10torr)後
水素アニールによるScallopsの低減
水素アニール特性
水素アニールによる損失の少ないSi光導波路
(M.-C.M.Lee et.al.(UCLA), MEMS’05 (2005) p.596)
45
水素ガス中熱処理に
よる平坦化
(ELTRAN (Canon))
(T.Yonehara &
K.Sakaguchi,
JSAP Intnl. No.4
(2001) p.10
側壁垂直度のパターン幅依存性
(T.Ikeda, MicroSyst. Tecgnol. 12 (2005) 98-103)
46
アスペクト比 60
酸素プラズマ酸化組み合わせた高アスペクト比エッチング用Deep RIE
(J.Ohara et.al.(Denso), Tech. Digests of MEMS 2001, pp.76-79)
(田中雅彦 (住友精密工業) MEMSソリューション2006)
47
高アスペクト比の孔での
Scallopsの低減
(Y.Mita et.al.,MEMS 2006 p.114)
厚い酸化膜を持つSOIウェハ(SODICウェハ)を
RIEで加工して製作した容量型加速度センサ
(ﾀﾞｲﾑﾗｰｸﾗｲｽﾗｰ社・東北大学)
48
絶縁膜
ノッチング
ボーイング
レンズ効果
RIEでのチャージアップの影響
Deep RIEにおけるノッチング対策 (㈱トキメック)
49
原理
レジストをWマスクでFAB加工した例
（幅0.1μm深さ1μm）
高速原子線エッチング(FAB)
中性粒子ビームエッチング装置 (東北大 寒川)
(S.Samukawa, 26th Internl. Symp. on Dry Process (2004/12/1))
50
パイレックスガラスのエッチ
ング例
エッチング速度 0.5μm/min
ICP Deep RIE装置
(X.Li et.al., Sensors and Actuators,
A87, 3 (2001), 139-145)
水晶のRIE例
石英とパイレックスガラ
スのDeep RIE
(X.Li et.al.,
MEMS’2000)
51
大口径ウェハ対応ガラス貫通配線コンタクター
Bi-convex QCM
(L.Li, T.Abe and M.Esashi,
Sensors & Actuators A, 114
(2004) 496-500)
52
水晶RIEの例(QCM,カンチレバー)
狭開口幅マスクを用いたPZT
のRIE (ガスSF6)
SiCのDeep RIE (Niマスク, ガス
SF6+O2)
(若林 他、第17回強誘電体
応用会議(fma-17), 京都
(2000) p.189)
(S.Tanaka et.al.,
J.Vac.Sci.Tech., B19 (2001)
p.2173)
53
ポリイミドのDeep RIE
(K.Murakami et.al., MEMS'93, 65-70)
54