ポストシリコン世代のＭＥＭＳ製造技術中性粒子ビーム無損傷3次元加工

超臨界高均一製膜ナノ構造自己組織化

がもたらすＭＥＭＳのパラダイム

杉山正和3D BEANS センター東京大学大学院工学系研究科

3D BEANSがもたらすMEMSプロセスの新次元

無損傷深３次元構造

深３次元構造内部表面への

–機能性薄膜の超均一製膜

–機能性ナノ構造の自己組織化配列

2

新次元を拓くMEMSプロセス

無損傷深３次元構造を実現する

–中性粒子ビームエッチング

–フェムト秒レーザ誘起エッチング

深３次元構造内部表面への超均一製膜のために

–超臨界流体製膜

３次元構造内部表面への機能性ナノ構造の自己組織化配列のために

– ３次元表面へのナノ粒子自己組織化配列

–ペプチドを用いた材料選択的配列

3

4

中性粒子ビームエッチング

従来のプラズマエッチング

5

中性粒子ビームエッチング

6

中性粒子ビームの生成

7

高速・垂直エッチングへの挑戦

8

10 min21.2nm/miny/x=0Si/SiO2 = 21.2?

122 min15.7nm/miny/x=0Si/SiO2 = 6.5?

F2+Cl2=8+72(F2 10%, Cl2 90%)2kWPulse 50us/50us

1µm

カンチレバーの振動特性によるエッチング損傷の評価

9

エッチング前後の振動特性の変化

中性粒子ビームエッチングの前後でQ/Fの変化なしエッチングによる損傷なし

10

0.24

0.06 0.02

1.08

1.01

0.74

1.14 1.13

1.22

1.16 1.21

1.00

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

1.40

346nm 545nm 907nm 273nm 295nm 267nm 495nm 488nm 506nm 696nm 694nm 715nm

NLD 東大NBE

Q/F

（Rat

io=af

t/be

f）

Conventional

plasma Neutral-beam etching

11

フェムト秒レーザ誘起エッチング

12

石英へのフェムト秒レーザ照射とウエットエッチング

石英基板内部の真３次元エッチング

A

200nm

Laser beam

Initiated trajectry

B

A

E

蛍光観察写真 （top view)

BHF wet etching

14

超臨界流体製膜

超臨界流体とは

Phase transition

G/L equilibrium SCFpressurize

31.1℃

7.4MPa

Gas SCF Liquid

Density(kg/m3)

1 100~1000 1000

Diffusivity(m2/s)

10-5 10-7~10-8 10-10

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各種製膜法による微細孔埋め込み

CVDPVD

Poor coverage(reactive)

Bad nucleation(low conc.)

Rapid diffusionlow concentration

Reactive Less reactive

Vapor phase Liquid phase

Slow diffusionHigh concentration

Electroplating

Poor coverage(Slow diffusion)

Supercritical

Rapid diffusionHigh concentration

Excellent coverage

SCFD

16

Cuの超臨界流体製膜

scCO2

heating

Cu precursor

H2

Cu

Cu(tmhd)2 + H2 Cu + 2H(tmhd)

Typical reaction conditions:

CO2 (14 MPa) + H2 (1 MPa), 200oC

Cuの高均一製膜

Selective deposition on a metal underlayer

高アスペクト比トレンチへのSIO2製膜

Conformal deposition on trenches with A.R.=23 19

13

.2u

m

620nm

560nm

130nm

270nm

130nm

0

2

4

6

8

10

12

14

0 100 200 300

Thickness (nm)D

ep

th (

nm

)

20

3次元トレンチへの粒子配列

21

トレンチ内部表面へのナノ粒子自己組織化配列

Cross-sectional SEM image

トレンチ側壁に配列したナノ粒子

23

ペプチドを用いた材料選択的配列

ペプチドを用いたナノ粒子配列

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ZnOパターン上に配列したCdSeナノ粒子

シリコン基板上にZnOをパターニング

CdSeナノ粒子とペプチドを含む溶液に浸潤

ZnOパターン表面にのみナノ粒子が配列赤い蛍光

25

UV irradiation

26

新規デバイス作製の試み

センサノードのオンチップ集積

27

On-chip Integration with power supply

High efficiency

solar cell

Power

Storage

Si

CuTiO2

Super-capacitor made by

Supercritical Fluid Deposition

Acceleration

sensor

Gas

sensor

+Power

supply

Conventional device

Sensor

element

Needs: Conformal deposition on a high-aspect-ratio structure (metal + dielectric multilayer)

Power

GeneratorSensors

深トレンチへの酸化膜・金属積層構造の高均一製膜

Highly-doped-SiSiO2

CuMnOxCu

酸化膜上に金属製膜を可能にする密着層

超臨界流体製膜

Cu1mm

500nm

Cu

SiO2

CuMnOx

Cu

SiO2

CuMnOx

長寿命プローブ

29

長寿命プローブの試作例

30

Enlarged

Enlarged

Base（Si）

Trench electrode (W）

3D BEANSの研究テーマと展開

超臨界流体流動解析

中性粒子ビーム挙動解析

ナノトライボロジ評価・解析

超低損傷エッチング（含 光アシスト）

超臨界製膜

ナノ構造修飾

アプリケーション

耐摩耗プローブリソ

超高エネルギー効率低コストLED

新MEMSプロセス

超低損傷3D表面

MOSFET集積3次元MEMS

トゥルー3Dナノ孔金属埋め込み

超高密度ナノ3D配線

ナノ構造への高均一製膜

ハイブリッド素材太陽電池

ペプチド結合によるCNT修飾

CNT修飾による表面超潤滑

超高分解能CNTプローブ

機能性ナノ粒子配列on 3D構造

半導体ナノドット成長on Si

高密度エネルギー貯蔵

高感度センサ

基盤技術 新プロセス 評価・解析技術

マイクロ光学センサ

振動子発電

31

32

3D BEANSでは，今後も新世代を拓くMEMSプロセスを創造します．皆様のご支援，よろしくお願いします．

嶋田東大

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百瀬東大

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