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(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]

16:10-16:50 10. 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､ﾋﾞｼﾞﾈｽﾏｯﾁﾝｸﾞ室)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)

9:00-10:40 11. 製造検査(含むナノマシニング)と環境・安全 [小野]

10:50-12:00 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）)

13:30-14:30 13. 医療 [芳賀]

14:30-15:50 14. マイクロエネルギ源他 [桑野]

16:00-17:00 15. MEMSの新しい話題 [田中]

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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 16-25

ミラーアレイによるプロジェクタ (DMD) 26-35

共振子 (周波数源) 36-46

MEMS製品化における課題 47-49

2018/8/2 10:00-10:30

3

マイクロマシーニングで作られるマイクロシステム、ＭＥＭＳ

マイクロシステム、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、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)フォトファブリケーション

4機械加工とフォトファブリケーション

5

主要なMEMS製品化 (売上+13%/年)

2014 SEMI STS

seminar

6

7IoT(Internet of Things) 時代のマーケット予測 (フランス Yole Development社提供)

ITRS (International Technology Roadmap

for Semiconductors)

→ ITRSは2016.5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)

時流の変化

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 ﾍﾞﾝﾁｬﾋﾞｼﾞﾈｽﾗﾎﾞ(現在のﾏｲｸﾛﾅﾉｾﾝﾀ)整備

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)

松尾正之(1971年 スタンフォード大学)

9

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)

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))

「第10回でんきの礎」(技術遺産)として顕彰(2017/3/16)

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

11

カテーテル pH, PCO2 モニタ (㈱クラレ, 日本光電㈱ (担当 関口哲志)

(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)

12

(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))

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,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)

141980年代の集積回路試作実験室 中古イオン注入装置

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

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.,) B1

Direct bonding, Hybrid bonding (XPERI) B2

Metal bonding (Invensense) B3

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)) C1

D. Through Wafer Interconnection (貫通配線)

(TSMC, KTH, Silex, SINTEF, Micralyne, mCube, 青華大(中国)) D1

E. その他Episeal (Stanford Univ., SiTIME, 横河電機) E1

Wafer (selective) transfer (KTH, IBM, Tohoku Univ.) E2

SOI-MEMS (U.C.Berkeley, Analog devices) E3

Shell packaging (UCLA, iMEC, Fraunhofer ENAS), Plug-up (VTT) E4

Via-opening wire bond (Avago) E5

SOC, MCM, WL-FOP, SIP, SOP E6

Bulk micromachining E7

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16

17

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

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

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

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2015 2020

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)

表面マイクロマシニングによる加速度センサの違い(1990年代自動車のエアバック用の衝突検知)

厚さ1.5μm

A1

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

(M.W.July, Tech.Digest solid-State Sensor, Actuator and Microsystems

Workshop, Hilton Head (2004) 27) A1

21

変位分解能16fm

(1/6,000 A)

(12zFの容量変化)

(J.A.Green et.al.,IEEE J. of Solid State Circuits, 37 (2002) 1860)

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

22(J.A.Green et.al.,IEEE J. of Solid State Circuits, 37 (2002) 1860)

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

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)

23

振動ジャイロのエピタキシャルポリSi構造

ST Microelectronicsの加速度センサ厚いポリシリコンを用いた横方向に動く容量型センサ

① SiO2上にLPCVDで核形成(650℃) 125nm厚

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(0.4 – 0.7μm / min)

Siエピ層

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.181-187)

A2

243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)A2

(G. Langfelder et.al (ST Microelectronics), IEEE Sensors Journal, 11 (2011) 1069 に追加)

SiSiO2

Poly Si

SiO2

Epi-Poly Si

Glass

Glass frit

Metal

Polymer

1. Si熱酸化

2. poly Si CVD、パターニング

3. SiO2 CVD

4. SiO2 パターニング

5. Epi-Poly Si CVD、パターニング

6. SiO2 犠牲層エッチング

7. ガラス蓋

8. ガラス蓋封止

9. ワイヤボンド、端子形成

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

26

Epi Poly-Si 成長 (東北大)

Si

SiO2

Random

Small Poly-Si Grains

800℃

Columnar Epi Poly-Si

1000℃

SOIの場合と異なり基板へのアンカーや電気的接続も可

800℃ 2min→ 1000℃ 70min

SiH2CL2 (DCS) 200 sccm

PH3(1%) 50 sccm

H2 15 SLM

(Y.Suzuki et.al., The 29th Sensor Symposium on Sensors, Micromachines

and Applied Systems, Kitakyushu City (2012-Oct.22-24) SP2-7, 125)

応力 ~ 1 MPa/μm

(U.M.Gomez (Bosch), MEMS Engineer Forum 2018)

Dual layer process (Bosch)

A2 追加

SiO2

SiO2

1st poly Si (配線用)

2nd poly Si (10μm厚) (Epi-poly Si ? )

Si

SiO2

SiO2

3rd poly Si (10μm厚) (Epi-poly Si ? )

SiO2 CVD、パターニング、poly Si エッチ(SF6)

パターニング、3rd poly Si DRIE, SiO2 vapor etch (HF)

(J.Classen (Bosch) et.al, IEEE MEMS 2018, 314)

3層のpoly Siを用いたDual layer MEMSプロセス

A2 追加

(J.Classen (Bosch) et.al, IEEE MEMS 2018, 314)

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 追加

30スマートフォンに使われるMEMS

ミラーマトリックスチューブ (1975) 31

ディスプレイ例

(IEEE Trans. on Electron Devices,

ED-30, 5 (1983) p.122)

DMD (Digital Micromirror Device)(ﾃｷｻｽｲﾝｽﾂﾙﾒﾝﾂ社)によるﾋﾞﾃﾞｵﾌﾟﾛｼﾞｪｸﾀ DLP

(L.J.Hornbeck : Micromachining and Microfabrication'95(SPIE), Austin, 3 (1995)) A4

ＤＭＤの実装工程A4

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

36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)

トーションバー材料のクリープ

37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

曲がる梁上に金属 動かない基板上にだけ金属

→ クリープ有り → クリープ無し

38ビデオプロジェクタ用DMD (Digital Micromirror Device)(米TI社)

ディジタル映写機(1920×1080画素)

1999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

100万個程の可動ミラーのアレイをCMOS 回路上に形成

A4

トーションバー(1mm幅, 600nm厚)

アモルファス金属(TiAl3)

旧バージョン

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

39材料や構造の工夫による可動部の信頼性向上

1992年にHinge材料を変更(アモルファス金属 TiAl3 )Hinge 疲労を解決 (> 1×10 cycleでも壊れなくなった)12

Life (hours)

40

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))A4

42日経エレクトロニクス,

No.923, 2006年4月10日

振動モード

(SiTime (メガチップス))E1

43

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)E1

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)

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)

47

48

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

(2007) 199)

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)

50(A.Jaakkola (VTT) et.al, IEEE Trans. On Ultrasonics, Ferroelectrics and

Freq. control, 61 (2014) 1063)

51(A.Jaakkola (VTT) et.al, IEEE Trans. On Ultrasonics, Ferroelectrics and

Freq. control, 61 (2014) 1063)

共振周波数のパラメータ依存性

C11 : 縦弾性係数C12 : せん断弾性係数C44 : 体積弾性係数

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。

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会社

＜応用＞ ＜基礎＞

会社

以前大学

会社大学

現在

今後(欧州)

試作開発のための共用設備

公的研究機関

大学

公的研究機関

公的研究機関

国外ベンチャ企業

国内外ベンチャ企業

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]

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

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組織間の壁を低くし集団で力を発揮