情報通信（BAWﾌｨﾙﾀ，MEMSﾌｨﾙﾀ発振器，RF MEMSｽｲｯﾁ）

田中秀治工学研究科ロボティクス専攻

マイクロシステム融合研究開発センター東北大学

S. Tanaka Lab’s Propriety

In cooperation with

1mems tohoku

情報通信関係のMEMS

2

BAW（bulk acoustic wave）フィルタ

MEMSクロック発振器

RF MEMSスイッチ

BAWフィルタ

3mems tohoku

In cooperation with

RF Front-End Filters in Smartphones

teardown.com

EE Times

SAW filter

RF frontend (Amplifiers + Filters)Avago, Skyworks and TriQuint

Power amplifierSwitch

Apple iPhone 6 Plus Apple iPhone X

Broadcom and Skyworks (partly RF360) are adopted in iPhone X.

4

RFフロントエンド（2G + 3G）

5

デュプレクサ（フィルタの組合せ）

フィルタ

フィルタだらけ最近のはもっと複雑

G. Hueber et al., IEEE Microwave Magazine, August 2015, 26-35

アンテナ

スイッチ

アンプ

弾性波共振子を用いたフィルターの仕組み

fs,series

fp,series

Routput

共振子

Input Output

周波数

信号の

通過

しや

すさ

共振子

共振子 共振子

Rinput

6

共振

反共振

圧電基板

櫛歯電極

共振：櫛歯電極が短絡

反共振：櫛歯電極がオープン

の状態で強い波（振動）が起こる。

弾性波共振子を用いたフィルターの仕組み

fs,series

fp,series

Routput

共振子

Input Output

周波数

信号の

通過

しや

すさ

共振子

共振子 共振子

Rinput

7

共振

反共振fp,shunt

fs,shunt

圧電基板

共振：櫛歯電極が短絡

反共振：櫛歯電極がオープン

の状態で強い波（振動）が起こる。

櫛歯電極

弾性波共振子を用いたフィルターの仕組み

fs,series

fp,series

Routput

共振子

Input Output

周波数

信号の

通過

しや

すさ

共振子

共振子 共振子

Rinput

8

fp,shunt

fs,shunt

通過帯域幅

挿入損失

圧電基板

櫛歯電極

共振：櫛歯電極が短絡

反共振：櫛歯電極がオープン

の状態で強い波（振動）が起こる。

Ladder Type Filter

fs,series

fp,series

Routput

Input OutputRinput

9

fp,shunt

fs,shunt

Bandwidth ∝ k2

Insertion loss∝ 1/k2Qr

Ulti

mat

e at

tenu

atio

n ∝

k2Q

a

Steepness ∝ Q

LT or LN

Resonance:→ IDT is short.

Antiresonance:→ IDT is open.

IDTResonator

Frequency

Tran

smis

sion

(S21

)

Resonator

Resonator Resonator

Coupling factor k2

and quality factor Qare important.

Impedance ratio∝ k2(Qr+Qa)

フロントエンドフィルタに求められる周波数特性

Passband ripple

Insertion loss

Passband width

Ulti

mat

e at

tenu

atio

n0 dB

Frequency

Tran

smis

sion

(dB) 3 dB

• 送信帯域：1.85～1.91 GHz• 同帯域幅：60 MHz（3.2 %）• 同挿入損失：< 3.5 dB• 受信帯域：1.93～1.96 GHz• 同帯域幅：60 MHz（3.2 %）• 同挿入損失：< 4 dB• ガードバンド：僅か20 MHz

PCS用デュプレクサ（Band 2）では；

図 出典：弾性波デバイス技術，オーム出版

10

ガードバンドが狭いBand 2とBand 3は，

当時，実用化されたばかりのFBARフィルタに最適で，FBARの躍進をもたらした。

BAW (Bulk Acoustic Wave) Resonator

• AlN膜厚 ±0.05 %の精度• カップリング keff

2 ～ 7 %（理論限界ぎりぎり）• Q値 1000～2000• 非平衡入力→平衡出力が困難（二重モードフィルタが組みにくい）

SMR (Solidly Mounted Resonator)

FBAR (Film Bulk Acoustic Resonator)

Bragg reflectorFBARフィルタ（Avago）

FBAR（富士通）11

基本モードで共振，オーバートーンは帯域とは関係ない高周波側へ

The World’s First FBAR by Prof. Nakamura

12

FBARは，1980年に中村ら，Grudkowskiら，およびLakinらから独立に報告された

MEMS Company Ranking 2017

13

Million US$

http://www.yole.fr/iso_album/illus_status_mems_industry_top_mems_ranking_yole_may2018.jpg

1位 Broadcom（旧Avago Technologies）

5位 Qorvo（TriQuint Semiconductor + RF Micro Device）

FBAR (Film Bulk Acoustic Resonator)

FBARフィルタ（Avago，現 Broadcom）

FBAR（富士通，現 太陽誘電）14

実用化までの挑戦的な主要課題

• AlNの成膜において，理論限界ぎりぎりのk2を実現しつつ，応力を制御し，さらに膜厚をウェハ内で±0.05 %の精度で制御

• Q値を上げるためエネルギーを閉じ込め

つつ，スプリアス（不要振動）を抑制（両者は基本的には背反した要求）

成膜技術と膜厚トリミング技術の発展

設計の進化• エネルギー閉じ込め構造

• スプリアス抑制構造（フレーム構造，アポダイゼーションなど）

Sガン（スパッタガン）

15

細川直吉, 高速・低温スパッタリングとでその電子デバイスへの応用, 真空, 19 (1976)

AlNスパッタ成膜装置としては，Tegal系のSガンスパッタ装置とSPTSの回転カソードマグネトロンスパッタ装置が使われている。

AlNのスパッタ堆積（S-Gun Sputter）

16

V. V. Felmetsger and P. N. Laptev (Tegal), Chiba Symposium 2010

【膜厚分布の調整】

外側／内側ターゲットにかかるパワーを調整（SAU）

または，外側・内側ターゲット間にDCバイアスを印加

外側／内側のターゲットが交互にアノード／カソードとなる⇒アノード消失なし

基板をRFプラズマクリーニングしてからAlNを堆積

配向性には下地の表面平滑性が重要

ガス流量で膜応力を制御

40 kHz

分散曲線

17

SH2モード

横方向波数

電極なし部

薄い部分

電極部TE1モード

厚み縦共振周波数

厚みすべり共振周波数

エバネッセント波 板波

板を伝わるのは，特定の導波モード

波数と周波数との関係を分散関係と呼ぶ。

板波モードでの共振子周囲へのエネルギーの漏れ

18

Type I分散曲線TE1（Xtal，SMR，ZnO FBAR）

Type II分散曲線TE1（AlN FBAR）

ポアソン比>1/3でSH2 > TE1

SH2モード

TE1モード 電極部SH2モード

TE1モード

電極部

fs

電極のない部分（周囲）には伝搬モードが存在しない。電極の外でエバネッセントモード（減衰 ） → エ ネ ルギートラップ

電極のない部分（周囲）に板波モードでエネルギーが漏洩

横方向波数

電極なし部

電極なし部

薄い部分

板波

SMRのスプリアス

A. Link et al., IEEEUltrason. Symp. 2005

19

SMRではエネルギートラッ

プが働き，弾性波は電極下に閉じ込められる。

電極の境界によってn=0モードは，理想的なピストンモードではない。→横方向に伝搬する成分も存在→スプリアス

奇数次モードは，電極下で電荷がキャンセルするので，カップリングしない。

偶数次モードはカップリングし，スプリアスを生じる。

J. Kaitila (Infineon) et al., IEEE Ultrason. Symp. 2003

SMRにおけるTEモードによるスプリアス（fsより高周波側に発生）

SMRのスプリアスの抑制

20

J. Kaitila (Infineon) et al., IEEE Ultrason. Symp. 2003

電極周囲に厚い部分（フレーム構造）を設け，境界条件を変化させる。→ ピストンモードに近づく。→ スプリアス低減ただし，若干k2が下がる。

直径2Lの領域に，偶数次モードの一波長がほぼ収まること，また，W << Lであることから，奇数次モードだけではなく，偶数次モードもほとんどカップリングしない。→ スプリアス低減

A. Link et al., IEEE Ultrason. Symp. 2005

AlN FBARのスプリアスの抑制

21

Rich Ruby (当時Agilent Technologies) et al., IEEE Ultrason. Symp. 2005

AlN FBARでは，エネルギートラップが働か

ないので，フレーム構造によって横方向に伝搬するS1モードラム波を減衰させる。ブラグ反射の効果もある。エネルギーが電極下に閉じ込められると，fsより低周波側（fs～fd）にS1モードラム波によるスプリアスが強く発生する。→ アポダイゼーションなどで抑制する。 US Pat. 2006/010343492 A1 (Avago)

fsfd

Apodization of FBAR

22

A. Link et al.,IEEE Ultrason. Symp. 2005

FBAR filter(Avago-Broadcom)

FBAR(Fujitsu →Taiyo Yuden)

Lateral standing waves were avoided by apodization, i.e. resonator shapes (c) or (e)

Temperature Compensated FBAR (Avago)Rich Ruby et al., IEEE Trans. UFFC, 57, 3 (2010) pp. 552-561/59, 3 (2012) pp. 334-345

SiO2

Compensated FBAR

Q circle of 1.5 GHz TC-FBAR

Qs = 1573Qp = 742

23

ScAlN（産総研，デンソー）

24

Influence of growth temperature and scandium concentration on piezoelectric response of scandium aluminum nitride alloy thin films, 1M. Akiyama, 2K. Kano, 2A. Teshigahara, 1AIST, 2DENSO, Appl. Phys. Lett., 95 (2009) 162107

成膜温度 400 ºC

常誘電体（キュリー点なし）Sc 40%強で圧電性最大圧電定数d33 > 25：AlNの約5倍弾性定数：AlNの約半分誘電率ε ~ 2.7×10-10 F/m：AlNの約3倍400 ºCでスパッタ成膜可能（400 ºC以上でスパッ

タすると，Sc 35%付近で圧電定数にディップが生じる。）

“Standard” ScAlN Sputter Tool (Evatec)

25

• Sc concentration: ±1% across wafer• As depo. thickness uniformity: ±2% across wafer• Stress controllability: -50~-200 MPa ± 50 MPa across wafer• Rocking curve FWHM: 1~1.5º

Pulse DC sputtering in Ar/N2Single target sputtering orco-sputtering

Bernd Heinz (Evatec), PiezoMEMS 2018

300 mm single target> 50 nm/min 100 mm single target

~ 10 nm/min

Co-sputtering

ScAlN FBAR (Uppsala University)

26

Aluminum scandium nitride thin-film bulk acoustic resonators for wide band applications, M. Moreira, J. Bjurström, I. Katardjev, V. Yantchev, Vacuum, 86 (2011) pp. 23-26

クロック発振器

27mems tohoku

In cooperation with

シリコンクロック発振子（SiTime）

SiのRIE（0.18 µmルール）

SiO2犠牲層形成，Siによる埋め込み

HF蒸気による犠牲層エッチング

エピ・ポリSiによる真空封止

配線等

エピ・ポリSi（Bosch特許）による埋め込み高温（1000℃）かつ清浄真空環境での封止による高安定性

Si発振子のTCFは–30.8 ppm/K，ただし線形→ 電子回路で補正容易

Siの優れた安定性エピ・ポリSiによる真空封止

高い長期安定性

櫻井, 金属, 77 (2007)28

Si発振器のデジタルTCF補正

W.-T. Hsu (Discera), 40th Annual Precise Time and Time Interval Meeting

TTV

VTf

fTCF

∂∂

−∂

∂=

∂∂

=λ

λ111 p

p

αρρ

−∂∂

−∂∂

=TT

E'E' 2

121

MEMS共振子は，水晶共振子に比べてTCFが大きい。ただし，T-ΔFの関係には-180°C~150°Cの広い温度域で直線性がある。

→ PLL回路による周波数補正 System diagram of a digitally compensated MEMS oscillator29

Si発振器と水晶発振器の周波数安定性の比較

Robert Henry, David Kenny (Pletronics Inc.)

水晶発振器（Pletronics）2.048 MHz

Si発振器（SiTime）2.048 MHz

30

Si発振器（SiTime）2.048 MHz水晶発振器（Pletronics）2.048 MHz

温度センサを有するSi発振器（SiTime）

Si共振子と同一チップ上にBJTの温度センサ（分解能0.1 K，5 Hz）を搭載。温度センサも真空封止。以前はASICに搭載。

中央で支持して，実装時の歪等による周波数ずれを抑制。

寄生容量によるフィードスルー信号の影響を避けるため差動検出。

R. Melamud et al., Hilton Head Island WS 2012

31

温度センサを有するSi発振器（SiTime）R. Melamud et al., Hilton Head Island WS 2012

< 500 fs jitter integrated from 12 kHz to 20 MHzf0 = 48 MHz（従来より高い）Q = 144000

200 mmウェハ内での周波数ばらつき±100 ppm以内

−40～80℃での周波数安定性±200 ppb以内（非常に良い）

32

Si/SiO2コンポジットによる周波数の温度安定性向上

TCESi = –60 ppm/KTCESiO2 = +196 ppm/KSi/SiO2コンポジットで温度特性を補正

このアイデア自体はSliker and Roberts, J. Appl. Phys., 38 (1967）に既に見られる。

バイアス電圧で酸化膜がチャージアップし，周波数ドリフトが起こることも報告されている（Bahl et al., IEEE MEMS 2010）。

Melamud et al., MEMS 2007

33

高濃度ドープSiを用いた周波数温度補正

J. S. Wang … K. M. Lakin (Iowa State Univ.), Low Temperature Coefficient Shear Wave Thin Films for Composite Resonators and Filters IEEE International Ultrasonics Symposium 1983 491–494

34

FBARの発明者の1人として有名な故Lakin教授（他は東北大学・中村教授ら，UTC研究所・Grudkowski氏ら）は，高濃度Si（p型）を用いることで，厚みすべり圧電／Si共振子のTCFがほぼ0になることを発表 (1983)

厚みすべり振動のためc軸傾斜

高濃度ドープ

Siの剪断弾性率のドーピング依存性から求めた計算値

実測値（AlN/Siでも同様の結果）

高濃度ドープSiを用いた周波数温度補正

Ashwin K. Samarao (Robert Bosch Research and Technology Center), Farrokh Ayazi (Georgia Tech), IEEE Trans. Electron Devices, 59, 1 (2012) pp. 87-94

35

スピンオンBドーパントによるドーピングを6回繰り返し，0.0001Ωcm 以 下を実現

弾性波によってSiの格子に歪が生じ，縮退していた価電子帯が重い正孔（HH）と軽い正孔（LH）の２つのバンドに分かれる。

温度が上がると，HHからよりエネルギーの高いLHに正孔が移動する。

その結果，エネルギー保存によって弾性エネルギー，つまり弾性率が下がるので，マイナスのTCFを示す。

高濃度ドープによってSiにあらかじめ歪を

入れておけば，弾性波がなくとも，価電子帯がHHとLHに大きく分離し，大多数の正孔がLHに入る。

その結果，温度変化によるHHとHLとの間の正孔の移動が減り，TCFが下がる。

高濃度ドープSiを用いた周波数温度補正

Tuomas Pensala et al. (VTT), IEEE Int. Ultrason. Symp. 2011, Antti Jaakkola et al. (VTT), IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Contr., 61, 7 (2012) pp. 1063-1074

36

右のMEMS共振子では，square extensionalモードでターンオーバーが室温付近に現れる。(a) ターンオーバー温度の分布，(b) 1次の温度係数の分布，(b) 2次の温度係数の分布（分布はドーピング濃度のばらつきが原因か）

温度特性は共振子の構造と振動モードによる。→ 設計が必要

Pドープ 5×1019 cm-3

IEEE Trans. UFFCに最も詳しい研究結果が報告されている。

温度補償MEMSオシレータ（Georgia Tech）

37

A 27 MHZ TEMPERATURE COMPENSATED MEMS OSCILLATOR WITH SUB-PPM INSTABILITYRoozbeh Tabrizian, Mauricio Pardo and Farrokh Ayazi (Georgia Tech), MEMS 2012, pp. 23-26

弾性率変化

温度

温度補償MEMSオシレータ（Georgia Tech）

38

A 27 MHZ TEMPERATURE COMPENSATED MEMS OSCILLATOR WITH SUB-PPM INSTABILITYRoozbeh Tabrizian, Mauricio Pardo and Farrokh Ayazi (Georgia Tech), MEMS 2012, pp. 23-26

←発振回路の構成オンチップアクティブインダクタでC0をキャンセルして，見た目のk2を上げ，発振周波数の可変範囲を拡大（ただし，Q値は下がる）。オンチップキャパシタバンクを切り替えて，発振周波数を補正。

位相ノイズ→発振周波数27 MHz負荷Q値は30M/100K/2 = 150程度？

圧電MEMS（pMEMS）発振器（IDT）COMMERCIALIZATION OF WORLD’S FIRST PIEZOMEMS RESONATORS FOR HIGH PERFORMANCE TIMING APPLICATIONSH. Bhugra, S. Lee, W. Pan, M. Pai, D. Lei, Integrated Device Technology, Inc. (IDT), pp. 204-205

39薄膜ウェハレベル・パッケージングチップサイズ 550×450×200 μm3

Siへの高濃度ドーピング，酸化膜利用な

どによって周波数温度安定性は共振子単体で±200 ppm程度（-40℃～90℃）に改善

AlN

圧電MEMS（pMEMS）発振器（IDT）COMMERCIALIZATION OF WORLD’S FIRST PIEZOMEMS RESONATORS FOR HIGH PERFORMANCE TIMING APPLICATIONSH. Bhugra, S. Lee, W. Pan, M. Pai, D. Lei, Integrated Device Technology, Inc. (IDT), pp. 204-205

40

熱と機械的ショックに強い（70000G OK）

2年間（25℃）のエージングで，周波数変化±2 ppm程度

-100→

-120→

-140→

-160→

-80→

-60→

-40→

dBc/Hz

↑1 kHz

↑10 kHz

↑100 kHz

↑1 MHz

↑10 MHz

Carrier 156.25 MHz

Q = 156M/20k/2= 3900?

発振器の位相ノイズ

41

Leesonの式

オープンループの共振子の位相変動のパワー密度

傾き-11/fノイズ

ノイズフロア

クローズドループ：バンド幅B=ω0/2Q内のΔωでは，PLLによって位相一定制御がされ，ノイズによる入力側の位相揺らぎEθが出力側の周波数揺らぎEωとして現れる。

位相ノイズ密度Lと周波数ノイズ密度Sの関係は，L = S/Δω 2

バンド幅B=ω0/2Qの外ではそのまま。

ω0 公称周波数Δω オフセット周波数F アンプのノイズファクタ×ゲインPsig アンプのパワー

位相ノイズを減らすには，高いQが必要。

共振子のインピーダンスが小さいことも必要（小さなFのため）。

バンド幅内バンド幅外D. B. Leeson,Proc. IEEE (1966) 329

中央がキャリアω0

(dBc)

電気機械共振子の性能指数

mms

121

CLf

π=

)/(11

21

20

m

mmp Γ

+=C

CCL

fπ

m

ms2R

LfQ π=

RmCm

Lm

1 : Γ

C0 ZL

Mechanical part Electrical part

{ } 0

m2

m2

02

o

2s

2o2

)(11

CC

CCfffk Γ

≈Γ+

=−

=

0

m2

0bias

2

CC

zCVk

∂∂

≈

εsdk

22 =

静電ﾄﾗﾝｽﾃﾞｭｰｻ

圧電ﾄﾗﾝｽﾃﾞｭｰｻ

電気機械結合係数if k2 is small

42機械系

※クロック応用ではk2よりQ重視

電気機械共振子の性能指数k2∙Q ~ Zp/Zs

k2∙Q向上↓

挿入損失減少位相ノイズ減少（Q）共振ｲﾝﾋﾟｰﾀﾞﾝｽ（1/(k2∙Qs)）周波数調整幅増大（k2）

インピーダンス比

高周波MEMS共振子

43mems tohoku

In cooperation with

静電MEMS共振子

Sheng-Shian Li, … Clark T.-C. Nguyen, IEEE MEMS 2004

44

↓寄生成分を差し引いた結果

45 dB

7 dB

S11スミスチャート（Qサークル）

45

AvagoのFBAR（800 MHz）Qs ~ 2000Qp ~ 3000

Z0 = 50 Ω

東北大学で初期に試作したワイングラスモード静電共振子（88.5 MHz）Q ~ 4000

Rich Ruby et al. , IEEE Int. Ultrason. Symp. 2008, pp. 1815-1818

Z0 = 6−2.3j MΩ

Z0 = 50 Ωのとき

には，矢印の先に小さな共振円

k2Qが大きいほど，Qサークルが外に貼り付く。

IEEE Sensors 2016

AlN圧電MEMS共振子

Gianluca Piazza, Philip J. Stephanou, Albert P. Pisano, J. Microelectromech. Syst., 15 (2006)

46

200×50 µmプレート共振子

幅伸縮モードf0 = 85 MHzQ = 2100（空気中）R1 = 125 Ω

長さ伸縮モードf0 = 20 MHzQ = 2700（空気中）R1 = 700 Ω

長さ伸縮モード

幅伸縮モード

~35 dB

~40 dB

880 MHz LN板波共振子（CMU）

S. Gong1, G. Piazza2, 1University of Illinois at Urbana Champaign, 2Carnegie Mellon University, IEEE MEMS 2014, pp. 1241-1244

47

Orientation X30ºYA0

S0

~85 dBスプリアスが多い。

RF MEMSスイッチ

48mems tohoku

In cooperation with

高周波MEMSスイッチ

特長• 低インサーションロス• 高アイソレーション• 広帯域（DC～120 GHz）

課題• 信頼性（寿命，貼り付き）• 小形化• 高速化• 低電圧化（静電，圧電）• 耐電力（< 500 mW）

駆動方式• 静電方式• 圧電方式• 熱方式

スイッチング方式• オーミック方式• 可変容量方式

スイッチの位置• 直列配置• シャント配置

半導体スイッチと比較して

S

G

S

G

• 電磁方式

49

半導体スイッチとMEMSスイッチとの比較

PIN diode FET MEMS switch*Device voltage use (V) ±3 ~ 5 3 ~ 5 2 ~ 80Device current use (mA) 5 ~ 100 ~ 0 ~ 0Device power use (mW) 5 ~ 100 0.05 ~ 0.1 0.05 ~ 0.1Switching time 1 ~ 100 ns 1 ~ 100 ns 1 ~ 300 µsIsolation (dB)

1 ~ 10 GHz High Medium Very high10 ~ 40 GHz Medium Low Very high60 ~ 100 GHz Medium None High

Insertion loss (dB) 0.2 ~ 0.3 0.4 ~ 2.5 0.05 ~ 0.2

10 GHz以上の高周波では，半導体スイッチの特性が低下→ RF MEMSスイッチの必要性例）自動車用レーダ（24，60，77 GHz），衛星通信（12～35 GHz）

移動体通信の帯域は0.8～6 GHzなので，上記用途と比べると，RF MEMSスイッチの必要性は低い。

* 静電駆動直列SW

50

オーミックスイッチの接触抵抗

1 2

4f

C

HHRF F

σρ ρ π+= +

ρ1, ρ2: Electrical conductivityH: Hardnessσf: Tunnel resistvity of thin filmF: Contact force

Constriction resistance

Thin film resistance

接触抵抗

↑図出典 J. DeNatale (Rockwell Scientific)

51

高周波MEMSスイッチの課題

52

接触抵抗を下げるには，接触力が必要貴金属（典型的にはAu）同士の接触が必要→ 貼り付きやすい

貼り付きを防ぐには，100 μN程度以上の接点分離力が必要

一般的なスイッチでは，接点分離力＝ばねの反発力接触力＝アクチュエータ発生力－ばねの反発力

アイソレーションを高くするには，OFF時の接点ギャップを大きくする必要ばねの反発力も大きくなる。

しかし，ばねの反発力を大きくすると， 接触力が下がる。また，MEMSアクチュエータの発生力・変位には限界がある。

【解決策】非線形ばね，圧電駆動＋静電ホールド，双方向アクチュエータなど

静電駆動オーミックスイッチ（オムロン）

積 他, 電学論E, 126, 65-71 (2006)駆動電圧：17～20 V消費電力： < 0.05 mWスイッチング時間：0.3 msオン抵抗：0.4～0.6 Ω絶縁破壊電圧：> 200 Vインサーションロス：0.5 dB（2 GHz）アイソレーション：40 dB（2 GHz）寿命：> 108回フリットガラスでパッケージング

53

静電駆動オーミックスイッチ（オムロン）

非線形ばねによる低電圧駆動と復元力増大との両立

坂田 他, 信学論, J84-C, 1, 11-16 (2001)積 他, 電学論E, 126, 65-71 (2006)

54

静電駆動オーミックスイッチ（Intel）T.-K. A. Chou et al., Solid-State Sensors Actuators and Microsystems, Workshop, Hilton Head (2006) 78

低駆動電圧（1.5～3 V）

350 µm

応力制御されたポリシリコン薄膜（1.5～2.5 µm厚）350 µmに渡って反り50±22 nm55

静電駆動オーミックスイッチ（Intel）

長寿命（109回）

高速応答 On：50 µsOff：25 µs（3.2 V駆動）

T.-K. A. Chou et al., Solid-State Sensors Actuators and Microsystems, Workshop, Hilton Head (2006) 78

56

OFFアクチュエータ付きMEMSリレー（KAIST）

57

HIGH-PERFORMANCE MEMS RELAY USING A STACKED-ELECTRODE STRUCTURE AND A LEVERING AND TORSIONAL SPRING FOR POWER APPLICATIONSYong-Ha Song, … Jun-Bo Yoon (KAIST), MEMS 2012, pp. 84-87

Cu (1.1 μm) 下に樹脂を敷いて弾性を持たせる：それ自体はよいが…

静電マイクロバルブの異常ヒステリシス曲線

T. Ohnstein et al. (Honeywell), MEMS 1990

Abnormal hysteresis observedin an electrostatic microvalve,whose electrodes are coveredwith dielectric

Stiction by Charge-up (Analog Devices)Sammoura et al., IEEE MEMS 2009, pp. 88-91

（常識） 絶縁層で静電アクチュエータを覆うと，チャージアップで貼り付く。絶縁層で静電容量型センサを覆うと，チャージアップで再現性が出ない。

プルイン前

プルイン後

パッケージ中

の湿度（%）

貼り付きなし 貼り付きあり（プルイン後復帰せず）

0 %

5 %

• コーティングなしの方が貼り付きにくい。• パッケージなしの方が貼り付きにくい。

phenyl-silicone anti-stiction coating

59

Stiction by Charge-up (Analog Devices)Sammoura et al., IEEE MEMS 2009, pp. 88-91

（常識） 絶縁層で静電アクチュエータを覆うと，チャージアップで貼り付く。絶縁層で静電容量型センサを覆うと，チャージアップで再現性が出ない。

時間（s）

表面電

位（V）

0.4

0.47

0 360プルアウト電圧（V）

1.4

0

回数0 50

8×10-6 C/cm2付与

人為的に電荷を与え，室内環境で放電時間を計測。表面電位上昇にして0.05 Vの電荷の放電に約6分かかる。

プルイン－プルアウトを繰り返すと，電荷が蓄積され，プルアウト電圧が降下。

60

チャージアップ問題の回避法

Poly-Si low-voltage electrostatic RF MEMS switchTsung-Kuan A. Chou et al. (Intel), Hilton Head Workshop 2006

Intelligent bipolar actuation柴田, 下岡（東芝）, センサシンポジウム2009

Insulator

Voltage application (plus or minus)

Charge detection

Polarization inversion

Trapped chargeCharge-up limit

静電駆動 対 圧電駆動

G. Klaasse, R. Puers (KU Leuven), H. A. C. Tilmans (IMEC), SeSens Proc. (2002)

62

Pull-in voltage Touch-down voltage (δ = d0)

Al cantilever:E = 70 GPa, h = 1 μm, l = 100 μm, d0 = 3 μm→ VPI = 25 V

Al/AlN/Al cantilever:AlN E = 320 GPa, d31 = 3.125 pC/N, h= 0.1/0.8/0.1 μm, l = 100 μm, d0 = 3 μm→ Vp = 18.5 VCu/Pt/PZT/Pt cantilever:PZT E = 70 GPa, d31 = 90 pC/N→ Vp = 2.4 V

圧電ON駆動，静電ジッパーOFF駆動のMEMSリレー

T. Lisec et al. (Fraunhofer ISIT), Transducers 2017, T3P.097, pp. 2043-2046

作製状態で膜応力によってON状態（上反り）PZT/AlN圧電ONアクチュエータによって接触力を確保（駆動電圧10～15 V）静電ジッパーアクチュエータによってOFF駆動（最大120 V，ホールド時80 V）

63

圧電ONアクチュエータ利用によって接触抵抗が安定

圧電ON駆動，静電ジッパーOFF駆動のMEMSリレー

T. Lisec et al. (Fraunhofer ISIT), Transducers 2017, T3P.097, pp. 2043-2046

【不良モードと寿命】

PZT （ 厚 さ 1μm）のブレー

クダウン（数百万サイクル後）15 Vで発生，10 Vでは発生せず。

1億サイクル程度後（4 kHz，10 mA，10VDC），コンタクトのAuが貼り付き・引きはがし（OFFアクチュエータの力が強いので）その結果，ON抵抗が高くなる。

64

1億サイクル程度後（4 kHz，10 mA，10 VDC），ON抵抗にスパイクが発生コンタクトの汚れが原因か？

WLPされた圧電駆動オーミックSW（MINATEC）

Cueff et al. (MINATEC and Freescale Semiconductor), IEEE MEMS 2010, 212

180

μm

ContactPZ

T

PZT

AuSn

80 μ

m

• 8インチウェハに作製• TSVを用いてウェハレベルパッケージング，めっきAuSnでキャップウェハを接合

• ゾルゲル法による0.12 μm厚PZT（e31 = –5 C/m2）

• 静電ホールド（5 V）• TiNを用いて温度変化によるカンチレバーの反りを±0.1 μmに抑制

PZT

TiN

65

熱駆動オーミックスイッチ（東北大学）

Y. Liu et al., MEMS ’01

80 mWで3 kHzまで駆動0.2～0.5 Ωのオン抵抗107サイクル（< 0.3 Ωオン抵抗）

66

熱駆動オーミックスイッチの応用（アドバンテスト）

駆動電力 < 160 mW（6 V駆動）

on抵抗 < 0.3 Ω（初期）

動作速度 < 3 ms

接点寿命 8000万回（3V-15mAドライ）

20 GHz以上の帯域67

高周波MEMSのウェハレベルパッケージング

68

Cap wafer

RF signal line(GND/Signal/GND)

Seal ring

Isolationlayer

10～12 μm厚SiO2

1 μm厚Au ALDアルミナ密着層（Au/Al2O3/SiO2）

Auのフライカットによる平坦化

10 μm厚，20 μm幅Au

森山他, 電気学会論文誌E, APCOT 2018, 第8回集積化MEMSシンポジウム2016

Au-Au熱圧着

高周波MEMSのウェハレベルパッケージング

69

森山他, 電気学会論文誌E, APCOT 2018, 第8回集積化MEMSシンポジウム2016

-45

-40

-35

-30

-25

5 6 7 8 9 10

Isol

atio

n [d

B]

Frequency [GHz]

2 kΩcm, SiOx 12 µm (After WLP)5 kΩcm, SiOx 12 µm (After WLP)2 kΩcm, SiOx 12 µm (Before WLP)5 kΩcm, SiOx 12 µm (Before WLP)2 kΩcm, Reference5 kΩcm, Reference

After WLP

Before bondingReference

29 dBat 10 GHz

ウェハ接合温度300℃2年間以上にわたる気密封止性を確認

情報通信関係のMEMS

70

弾性波フィルタ（FBARと新しいSAWデバイス）

MEMSクロック発振器

RF MEMSスイッチ

マイクロデバイスの研究開発，お手伝いします。

71

研究室クリーンルーム

マイクロ・ナノセンター（MNC）

マイクロシステム融合研究開発センター

小片ウェハ

4インチウェハ

6インチウェハ

田中(秀)研究室が一貫してお世話

基礎研究から製品開発まで小片ウェハから6インチウェハまで

企業単独での開発より短時間・低コストで成果が得られるように支援します。本学で試作したデバイスの商用利用も可能です。

MEMSに関するコンサルティングも行っています。企業からのオーダーに応じてプライベートセミナーを開催します。

Assoc. Prof.Takashiro Tsukamoto

Michio KadotaAssoc. Prof.Masanori Muroyama

Assoc. Prof.Jörg Frömel

Assoc. Prof.Shinya Yoshida

ProfessorShuji Tanaka

Assoc. Prof.Hideki Hirano

Sr Res Fellow

S. Tanaka LaboratoryDepartment of Robotics & Microsystem Integration CenterTohoku University

Research menu in 2017-2018• Sensor systems for human-friendly robots• Frequency control devices (SAW and BAW devices)• Advanced inertial sensors• Acoustic sensors• Integrated biosensors• Piezoelectric thin films and devices• Heterointegration and wafer-level packaging technology• MEMS process tools (ALD, wafer bonder etc.)

In cooperation with

mems tohoku