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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）

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フォトファブリケーションとマイクロマシーニング

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。

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)

機械加工

組立直列

加工並列

部品ﾚﾍﾞﾙ複製

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

組立並列

ｼｽﾃﾑﾚﾍﾞﾙ複製

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特長・応用

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）

表面マイクロマシニング

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バルクマイクロマシニング

江刺研究室で使用している感光性レジスト

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

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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

接着助剤による酸化膜表面改質

高温処理直後でレジスト付着良好

レジストはがれの原因

大気中放置後

レジスト塗布は高温(400℃以上)熱処理直後に行う。

できない時は接着助剤使用。

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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)

スキージ塗布(>70μm厚)

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)

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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)

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)

マスク合わせ露光の各種方法

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ラージ露光ギャップ光学系(LEGO)

(Suss MicroTec.)

プロキシミティ露光

ラージ露光ギャップ光学系(LEGO) (Suss MicroTec.)

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°

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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)

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°)

液浸コンタクト リソグラフィー

with water-immersion露光装置: MA6 (SUSS MicroTec )フォトレジスト : TSMR V90 (東京応化工業㈱)

(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)

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水浸による反射・屈折の低減

Mask Airlight

Incident Light

n=1, air

Refracted Light

n=1.5, glass

30o

19o

Incident Light

n=1.34, water

Refracted Light

n=1.5, glass

21o

19oMask Waterlight

n=1.5n=1n=1.6

n=1.5n=1.34n=1.6

低反射

低屈折

フレネル回折による解像度

∝√ギャップ材料の屈折率

(H.Hamanaka et.al., MEMS’97)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

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マスクレス露光（ボールセミコンダクター社）

直径1mmのシリコンボールに形成した微細パターン

複数の露光パターンの重畳によるグレースケール露光 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

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) マイクロレンズアレイパターンの作成例

(K.Totsu et.al.J.Vac.Sci. Technol. B23, 1487 (2005))

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

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レンズ形状の加工

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)

(ネガレジスト)

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マイクロコンタクトプリンティング

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）

太さ135μｍのガラス管表面

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(K.Sawa et.al., The 18th Sensor Symposium, (2001), 229-232)

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

ウェットエッチング

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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。

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

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シリコンの等方性エッチング

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

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

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シリコンの結晶構造

結晶面の関係

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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)）

(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

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）

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(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

コーナ補償パターンでエッチングした後

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)

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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)

(100)面 (110)面

32 wt% KOH (110℃)

(110)面ｳｪﾊを用いた結晶異方性ｴｯﾁﾝｸﾞの例

方向合わせ用ﾊﾟﾀｰﾝ

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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）

22

シリコンの結晶異方性エッチング液

100面と110面のエッチング速度の違いを利用した加工

{110}

23

結晶面の関係

45度

シリコンの不純物濃度依存性選択エッチング

24

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

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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C-II,J73-C-II (1990),461-467)

26

シリコンの不純物濃度依存性選択エッチング

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

10 μm

（豊田工機㈱）

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n型とp型のSiにおける電解電流特性

4電極法

28

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

29

(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

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N-type Silicon

Pre-defined pits

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 Solid-State 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

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

熱酸化 → ポーラスSiO2

燃料電池への応用

（K.B. Min et.al. Electrochemistry(電気化学および工業物理化学), 70 p.924 (2002))

31

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

32

(T.Yonehara & K.Sakaguchi, JSAP Intnl. No.4 (2001) p.10

条件の違いによる２種類の多孔質膜

水素中熱処理

ELTRAN (Canon)

ELTRAN (Canon)

(T.Yonehara & K.Sakaguchi, JSAP Intnl. No.4 (2001) p.10

Water Jetによる分離

33

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

34

プラズマエッチング

XeF2ガスを用いたドライエッチング装

置

XeF2→Xe+2F Si+4F →SiF4 ↑

(R.Toda et.al., Sensors and Actuators, A66 (1998))

35

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

36

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))

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）

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

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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）

38

電磁駆動容量検出型シリコン振動ジャイロ （ボッシュ(独)）

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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)

40

犠牲層ドライエッチング装置の構成

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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)

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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)

Deep RIE（Reactive Ion Etching）

低温ＲＩＥ (田地新一、精密工学会誌 60 (1994) 1559-1564)

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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

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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

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段々形状(Scallops) 低Scallops(側面粗さ)プロセス

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

側壁堆積膜の除去

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

水素アニールによるScallopsの低減 (M.-C.M.Lee et.al.(UCLA), MEMS’05 (2005) p.596)

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損失の少ないSi光導波路

水素アニール特性

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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)

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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)

アスペクト比 60

(田中雅彦 (住友精密工業) MEMSソリューション2006)

48

(Y.Mita et.al.,MEMS 2006 p.114)

高アスペクト比の孔でのScallopsの低減

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)

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RIEでのチャージアップの影響

ノッチング ボーイング レンズ効果

絶縁膜

Deep RIEにおけるノッチング対策 (㈱トキメック)

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高速原子線エッチング(FAB)

原理 レジストをWマスクでFAB加工した例（幅0.1μm深さ1μm）

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))

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ICP Deep RIE装置

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

(X.Li et.al., Sensors and Actuators, A87, 3 (2001), 139-145)

石英とパイレックスガラスのDeep RIE

(X.Li et.al., MEMS’2000)

水晶のRIE例

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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)

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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)

(若林 他、第17回強誘電体応用会議(fma-17), 京都(2000) p.189)

SiCのDeep RIE (Niマスク, ガスSF6+O2)

(S.Tanaka et.al., J.Vac.Sci.Tech., B19 (2001) p.2173)

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ポリイミドのDeep RIE(K.Murakami et.al., MEMS'93, 65-70)