MEMSマテリアルの最新技術

Advanced Technology of MEMS Material

［コードNo.2007T588］

■監修／	江刺正喜（東北大学 教授）
■体裁／	Ｂ５判　３６８ページ
■発行／	２００７年　１１月　(株)シーエムシー出版
■定価／	７３,５００円（税込価格）

★	MEMSに使われる新たな材料（CNT、SiC、サファイア、ポリマー等）が注目！
★	MEMSに関わる材料から製作、デバイス、周辺技術、応用と各々の章を紹介！
★	これからMEMS技術を始めるのに、最高の技術書！

※　本書籍はご試読頂けません　※

刊行のねらい
MEMS（Micro Electro Mechanical Systems）は、集積回路の製造に用いられる半導体微細加工技術を発展させて、ある程度立体的な加工を行う「マイクロマシニング」技術で製作される。電子回路だけではなく、微細構造体や、感じるセンサ、機械的に動くアクチュエータなどの要素が、シリコンチップ上に一体で作られて高度な働きをし、システムの重要な部分に使われている。「マイクロマシニング」の研究は1970年頃に米国スタンフォードの電気工学科で始まり、圧力センサとして初めに実用化された。1987年頃からMEMSと呼ばれるようになった。電気、機械、光、材料など多様な技術の組み合わせで作られ、また自動車・家電、情報・通信、製造・検査、安全・環境、バイオ・医療など広い分野に使われる。本書「MEMSマテリアルの最新技術」では、それぞれの専門家にご執筆頂き、MEMS材料、MEMSの製作、MEMSデバイス、MEMS周辺と応用のそれぞれの章をご執筆頂いた。構造材料としてもまた機能材料としても、材料はMEMSにとって重要な要素であり、それを中心に据えて関連した最新技術の話題を提供する。 　MEMSは小さいことや多くの要素を集積化できることなどの利点を生かして大いに役立っているMEMSもあれば、論文だけで終わってしまい役に立っていないMEMSや、多くの知識の組み合わせであるために情報が伝わらず誤りが繰り返されているMEMSなどもある。役に立っているMEMSは加速度センサやミラーアレイのようにパッケージングされているもの、あるいはインクジェットプリンタヘッドのように内部からの液を扱うため、ごみなどが入らないもの、浮上したりして接触部を持たないものなどである。役に立たないMEMSや難しいMEMSとしては、露出したものや内部に汚れが入る恐れのあるもの、接触部を持つものなどであるが、特に静電アクチュエータや容量型センサなどの場合には、絶縁膜が電極間にあると帯電のため役に立たない。また血液の分析チップなどは、ベッドサイドでの診断などでは精度管理の点で使用が難しいが、家庭で健康管理するためにスクリーニングする場合なら、病院で再検査するために厳しい精度管理の必要が無い。このように、実際に現場で使われる状況を考えた開発が重要である。また絶縁ゲート型の電界効果トランジスタ（FET）を用いた化学センサなどの場合に、電解液中では蛋白などの大きな分子の吸着を検出しようと思っても、それによる電界は液中のイオンで遮蔽されるため、その検出は難しい。またPdをゲートに用いたFET型の水素ガスセンサなどでは酸素や水分も影響するため、それらが共存する雰囲気では使えない。しかし以前に行われた研究を知らずに誤りが繰り返されており、これも多様なこの分野での問題点と言える。過去から現在への流れの中で正しいMEMS開発の在り方を知らなければならない。そのような意味でも知識の集積・活用は特にこの分野では重要である。MEMSは応用で意味のある技術と考えられ、この書が産業に結びつく先行研究に役に立つことを願う次第である。
（「はじめに」より） 2007年11月　東北大学　江刺正喜

執筆者一覧
江刺正喜	東北大学 大学院工学研究科付属 マイクロ・ナノマシニング研究教育センター センター長、教授
小林健	(独)産業技術総合研究所 先進製造プログラム研究部門 研究員
前田龍太郎	(独)産業技術総合研究所 先進製造プログラム研究部門 主幹研究員
小野崇人	東北大学 大学院工学研究科 ナノメカニクス専攻 准教授
田中秀治	東北大学 大学院工学研究科 ナノメカニクス専攻 准教授
木村重夫	(株)山武 マイクロデバイス生産開発部 研究開発グループ 課長
植田敏嗣	早稲田大学 情報生産システム研究科 教授
小野禎之	日本化薬(株) 機能化学品研究所 技術開発グループ 研究員
毛利護	ニッコー(株) 技術部 研究課 主席研究員
佐々木実	豊田工業大学 大学院工学研究科 教授
平井聖児	ものつくり大学 技能工芸学部 製造技能工芸学科 准教授
田中雅彦	住友精密工業(株) 産業システム事業部 マイクロテクノロジー・プロセス部 部長
水口武	サムコ(株) 開発部 機器開発課 係長
平本道広	サムコ(株) 開発部 プロセス開発課 課長
辻理	サムコ(株) 代表取締役 社長
近藤和夫	大阪府立大学 大学院工学研究科 物質・化学系化学工学分野 教授
Shari Farrens	SUSS MicroTec Inc.,Chief Scientist
Hiroyuki Ishida	SUSS Micro Tec KK.,Application Manager
内山直己	浜松ホトニクス(株) 電子管営業部 営業技術 専任部員
澤田廉士	九州大学大学院 工学研究院 システム生命科学府専攻
日暮栄治	東京大学大学院 工学系研究科 精密機械工学専攻
前中一介	兵庫県立大学 大学院工学研究科 教授
櫻井俊二	サイタイム(株) カントリー・マネージャ
鈴木健一郎	立命館大学 理工学部 マイクロ機械システム工学科 教授
添田富男	ノウルズ・エレクトロニクス・ジャパン(株) 営業 セールスディレクタ
上田譲	日本信号(株) ビジョナリービジネスセンター MEMS事業推進部 係長
吉田和司	松下電工(株) 新規商品創出技術開発部 EMITデバイス開発部
石川智弘	広島大学 半導体・バイオ融合集積化技術の構築プロジェクト 特任准教授
高橋宏和	パイオニア(株) 総合研究所 高機能デバイス研究部 主任研究員
小田直樹	日本電気(株) 誘導光電事業部 エグゼクティブ エキスパート
戸津健太郎	東北大学 産官学連携推進本部 事業化推進部 助教
阿部宏	(株)エーシーティー・エルエスアイ 代表取締役
高田忠司	大日本スクリーン製造(株) メディアテクノロジーカンパニー 製造統轄部 第一技術部 技術一課 課長
竹田宣生	INDEXテクノロジーズ(株) 執行委員 技術開発担当
Tom Newman	Micronic Laser Systems, Inc., Strategic Programs,Director
芳賀洋一	東北大学 先進医工学研究機構(TUBERO) 准教授

構成および内容
序章	MEMSの基礎と応用（江刺正喜）
第1章	MEMS材料
1	圧電薄膜（ZnO、AlN、PZT）（小林健、前田龍太郎）
1.1	概要
1.2	ZnO、AIN薄膜を用いたFBAR
1.2.1	緒言
1.2.2	AIN薄膜の比較
1.2.3	c軸配向性AIN薄膜の作製
1.2.4	AIN薄膜を用いたチューナブルキャパシタ
1.3	PZT薄膜を用いた圧電マイクロ光スキャナの開発
1.3.1	緒言
1.3.2	PZT薄膜、PZTカンチレバーの基本特性
1.3.3	圧電マイクロ光スキャナの開発
1.4	結言
2	カーボンナノチューブ（小野崇人）
2.1	カーボンナノチューブ（CNT）とは
2.2	カーボンナノチューブの合成方法
2.3	カーボンナノチューブの応用
3	SiC（田中秀治）
3.1	はじめに
3.2	堆積技術
3.3	エッチング技術
3.4	表面マイクロマシニング
3.5	ロストモールディング
3.6	デバイス応用例：圧力センサ・真空センサ
3.7	おわりに
4	サファイア（真空圧力センサ）（木村重夫）
4.1	概要
4.2	はじめに
4.3	サファイアの材料特性
4.4	サファイア圧力センサ素子
4.4.1	センサ素子構造
4.4.2	圧力検出原理
4.4.3	センサ素子製作技術
4.5	サファイアセンサ用パッケージング
4.6	サファイア高温隔膜真空計
4.7	おわりに
5	水晶（植田敏嗣）
5.1	α水晶の結晶構造とエッチング異方性
5.2	α水晶のエッチング異方性
5.3	α水晶の機械的性質
5.3.1	機械強度
5.4	むすび
6	ポリマー（含むレジスト材料、貼付材、保護材）（小野禎之）
6.1	はじめに
6.2	永久膜レジスト「SU-8 3000シリーズ」
6.3	SU-8 3000シリーズの関連製品
6.3.1	永久膜レジストフィルム「XP FILM TRIALシリーズ」
6.3.2	アンチモンフリー永久膜レジスト「XP SU-8 3000AFシリーズ」
6.3.3	ナノインプリントレジスト「XP SU-8 3000NIL」
6.4	アルカリ現像型剥離レジスト「KMPR-1000シリーズ」
6.4.1	リソグラフィー特性
6.4.2	ドライエッチング特性
6.4.3	めっき特性
6.4.4	狭ピッチ対応剥離液
6.5	リフトオフ用下層レジスト「LOR」,「PMGI」
6.6	おわりに
7	LTCC基板（毛利護）
7.1	はじめに
7.2	LTCC
7.2.1	LTCCとは
7.2.2	LTCCの採用例
7.2.3	LTCC材料
7.2.4	製造プロセス
7.2.5	設計ルール
7.3	ウエハレベルパッケージ用インターポーザにおけるLTCCの可能性
7.3.1	シリコンとの熱膨張整合
7.3.2	貫通配線ならびに多層配線
7.3.3	ハーメチックシール
7.3.4	無収縮プロセス
7.4	応用事例
7.5	おわりに
第2章	MEMSの製作
1	レジスト塗布・露光技術（佐々木実）
1.1	はじめに
1.2	光学的な原理
1.3	化学増幅型レジスト
1.4	厚膜レジストによる立体構造製作
1.5	立体サンプル上へのレジストプロセス
1.6	おわりに
2	エッチング技術（平井聖児）
2.1	異方性エッチング
2.2	反応メカニズムに関する提案
2.3	MEMS設計支援のための形状シミュレーション
2.4	おわりに
3	ドライエッチング（田中雅彦）
3.1	シリコン・プラズマエッチング技術の歴史
3.2	MEMSにおけるシリコン・プラズマエッチング
3.3	高速・高選択比プロセス
3.4	高アスペクト比対応技術
3.5	SOIノッチフリープロセス
3.6	低側壁荒さプロセス
3.7	テーパーエッチング
3.8	その他の材料のプラズマエッチング
3.9	酸化膜犠牲層のドライエッチング
3.10	MEMSドライエッチングの課題
4	SiO2、SiNプラズマCVD技術（水口武、平本道広、辻理）
4.1	はじめに
4.2	プラズマCVDシステム
4.3	CモードによるTEOS-SiO2膜のMEMS応用
4.3.1	TEOS-SiO2膜成膜速度
4.3.2	TEOS-SiO2によるステップカバレッジ
4.3.3	TEOS-SiO2の膜応力制御
4.4	AモードによるSiH4-SiN膜によるMEMS応用
4.4.1	SiH4-SiN膜の成膜速度／屈折率と均一性
4.4.2	SiH4-SiN膜の応力制御
4.4.3	SiH4-SiN膜のステップカバレッジ
4.4.4	成膜速度、屈折率、膜応力の再現性
4.5	おわりに
5	微小めっき技術（近藤和夫）
5.1	バンプめっき
5.2	三次元実装の貫通電極形成
5.3	微小めっき技術の将来展望
5.3.1	Cu配線、Ag配線
5.3.2	半導体デバイス、貫通電極
5.3.3	MEMSへの展開
6	Wafer Bonding Technologies and Strategies for MEMS（Shari Farrens、Hiroyuki Ishida）
6.1	Introduction
6.2	Alignment Strategies
6.3	Die Bonding Technology
6.4	Wafer Bonding Technologies
6.4.1	Anodic Bonding
6.4.2	Metal Diffusion Bonding
6.4.3	Glass Frit Bonding
6.4.4	Eutectic Metal Bonding
6.4.5	Silicon Fusion or Silicon Direct Bonding
6.4.6	Polymer Bonding
6.4.7	Temporary Bonding
6.5	Bond Analysis
6.6	Summary
7	ステルスダイシング（内山直己）
7.1	はじめに
7.2	MEMS製造工程に必要なダイシング技術
7.2.1	砥石切削型ブレードダイシング
7.2.2	ダイシング工程の完全ドライプロセス化
7.3	ステルスダイシング技術
7.3.1	ステルスダイシング基本原理
7.3.2	内部加工型レーザダイシング技術と表面加工型レーザ加工技術
7.3.3	内部レーザ加工プロセスにおけるMEMSデバイスへの熱影響範囲
7.3.4	デバイス特性への熱影響確認
7.3.5	ステルスダイシング適用時の制約条件
7.4	Si以外の材料への適用の可能性
7.4.1	ガラスウェーハ
7.4.2	GaAsウェーハ
7.4.3	今後のステルスダイシング技術の開発ロードマップ
7.5	おわりに
8	ウェハレベルパッケージング（江刺正喜）
9	微小組立（澤田廉士、日暮栄治）
9.1	プローブで微小物体（マイクロ部品）を吸着する方法
9.2	光放射圧、偏光を用いたアライメント
9.3	セルフアライメント法
9.4	微小組み立て例
9.4.1	光マイクロマシニング技術で作製可能な積層タイプのマイクロ走査型顕微鏡
9.4.2	マイクロエンコーダ
9.4.3	マイクロ変位センサー
9.5	理想のウエハーレベルパッケージング
第3章	MEMSデバイス
1	MEMSジャイロ（前中一介）
1.1	ジャイロの歴史、慣性航法用から民生用へ
1.2	角速度の検出法
1.3	振動型ジャイロの動作理論
1.4	クオドラチャエラー
1.5	加速度に対する応答の低減
1.6	参照振動の駆動と微小変位の検出
1.7	パッケージング
1.8	まとめ
2	時間・周波数源用MEMS共振子（櫻井俊二）
2.1	はじめに
2.2	信頼性と量産性
2.3	耐久性
2.4	発振子と発振器
2.5	周波数温度特性とフェイズノイズ
2.6	発振子量産工程
2.7	まとめ
3	高周波メカニカルフィルタ（田中秀治）
3.1	コグニティブ無線とマルチバンド無線システム
3.2	高周波メカニカルフィルタ
3.3	MEMS技術を用いた高周波共振子
3.3.1	静電方式
3.3.2	圧電方式
3.4	MEMS技術を用いた高周波メカニカルフィルタ
3.5	まとめ
4	MEMSスイッチとMEMS可変キャパシタ（鈴木健一郎）
4.1	MEMS静電駆動デバイスの原理
4.1.1	静電気力
4.1.2	ばねの復元力
4.1.3	静的釣り合い
4.1.4	MEMSスイッチとMEMS可変キャパシタの関係
4.2	MEMSスイッチ高速化
4.2.1	動的解析の理論
4.2.2	非線形ばねをもつMEMSスイッチ
4.3	MEMS可変キャパシタ
4.3.1	静電容量可変率増大の試み
4.3.2	静電容量可変率1000%超の試み
4.4	まとめ
5	MEMSマイクロフォン（添田富男）
5.1	動作原理
5.2	MEMS構造と製造工程
5.3	均一性能とフリーフローティング構造
5.4	MEMSマイクロフォン構造と生産方法
5.5	MEMSマイクロフォンの性能
5.6	MEMSマイクロフォンのメリット
5.6.1	リフロー対応のSMD部品
5.6.2	基板裏面組込（ゼロ高）による携帯の薄型化
5.6.3	GSMでのRFバーストノイズ対策
5.6.4	電源ラインのノイズ影響小
5.6.5	フローティングダイアグラムによる均一感度と高耐振特性
5.6.6	プリアンプ内蔵、デジタル出力等の付加機能品
5.6.7	耐X線被爆
5.7	今後のMEMSマイクロフォン
5.7.1	小型・薄型化
5.7.2	デジタル化・高機能化
6	MEMS光スキャナ（上田譲）
6.1	はじめに
6.2	DMD（Digital Micromirror Device）
6.2.1	動作原理
6.2.2	応用例
6.3	GLV（Grating Light Valve）
6.3.1	動作原理
6.3.2	応用例
6.4	エコスキャン
6.4.1	動作原理
6.4.2	応用例
6.5	おわりに
7	燃料改質器（吉田和司）
7.1	携帯型機器のパワー源としての燃料電池
7.2	固体高分子型燃料電池（PEFC）と燃料改質器
7.3	マイクロリアクタの利点と燃料改質器
7.4	MEMS技術を用いた燃料改質器
7.5	まとめ
8	無線機能集積化イムノセンサ（石川智弘）
8.1	概論
8.2	背景
8.3	現在の手法―ELISA法
8.4	磁気による手法
8.5	CMOSによる免疫センサ
8.6	無線チップ化
8.7	今後の展望
9	マルチプローブデータ記録再生装置（高橋宏和）
9.1	はじめに
9.2	プローブを用いたデータ記録再生
9.3	マルチプローブ記録再生装置
9.3.1	ポリマーを記録媒体とした、熱機械的プローブ記録再生
9.3.2	強誘電体を記録媒体とした、記録再生
9.4	MEMSプローブと強誘電体への記録再生の実例
9.4.1	ダイヤモンドおよび金属探針プローブ
9.4.2	画像の記録再生
9.5	おわりに
10	ボロメータ熱型赤外線イメージャ（小田直樹）
10.1	はじめに
10.2	要素技術
10.2.1	熱分離構造
10.2.2	ボロメータ材料（酸化バナジウム）
10.2.3	真空パッケージ
10.2.4	読出回路
10.3	おわりに
第4章	MEMS周辺と応用
1	身の回りの機械に使われているMEMS（東北大学-早稲田塾のスーパーナノメカニクスプログラム）（戸津健太郎）
1.1	スーパーナノメカニクスプログラムの概要
1.2	開会式、東北大学見学
1.3	MEMSを用いた製品の分解実習
1.3.1	テレビゲーム機コントローラー
1.3.2	インクジェットプリンター
1.3.3	パソコン
1.3.4	テレビゲーム機
1.3.5	プロジェクター
1.3.6	医療用MEMS
1.4	組立実習
1.5	薄膜パターニング実習
1.6	MEMS関連企業の見学
1.7	台湾研修
1.8	まとめ
2	静電容量型MEMSセンサ用LSI（阿部宏）
2.1	MEMSセンサ用センスアンプLSIの一般的要件
2.2	静電容量型MEMSセンサの特性
2.3	静電容量型MEMSセンサ用センスアンプLSIの要件
2.4	高利得、低雑音増幅
2.5	低消費電力化
3	GLV利用製版機（高田忠司）
3.1	はじめに
3.2	印刷・製版技術の概要とオフセット印刷の製版技術の変化
3.3	GLVの特長と構造
3.4	GLVの変調特性
3.5	GLVを用いた光学ヘッドの概要
3.6	GLVの露光補正と画像品質
3.7	ビームプロファイルと画像品質
3.8	CTPの高生産性
3.9	大サイズCTPへの応用
3.10	まとめと今後の展開
4	DMDを用いたマスクレス露光機（竹田宣生）
4.1	概論
4.2	デジタル・マイクロミラー・デバイス（DMD）
4.3	ポイント・オブ・アレイ方式
4.4	露光速度
4.5	データエンジン
4.6	光学エンジン
4.7	マスクレス露光による露光例
4.8	マスクレス露光機の今後
5	MEMS技術による空間光変調器を使用したフォトマスク用描画装置（Tom Newman）
5.1	はじめに
5.2	SLM（空間光変調器）を使用したイメージング
5.2.1	プロトタイプ
5.2.2	Sigma7500フォトマスク描画装置
5.3	空間光変調器（Spatial Light Modulator,SLM）
5.3.1	SLMのデザインと機能
5.3.2	SLMを利用したイメージング
5.3.3	キャリブレーションと安定性
5.4	Sigma7500の用途
5.5	将来的課題
6	低侵襲医療へのMEMS応用（芳賀洋一）
6.1	能動カテーテル
6.2	極細径光ファイバ圧力センサ
6.3	血管内前方視超音波イメージャ
6.4	精密レーザー治療用マイクロ2次元光スキャナー
6.5	高機能・多機能医療ツールのための円筒面MEMSプロセス

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