1

２．マイクロマシニングの基礎 その2(堆積、接合、組合わせプロセス、その他)

堆積

PVD(Physical Vapor Deposition)

スパッタリング

蒸着

2

蒸着におけるパターン形成

リフトオフマスク蒸着

シリコンリンク能動カテーテル

3

シリコンリンクの製作

作り付けステンシルマスクによる垂直配線

（G.Lim et.al., Robotica, 14 (1996) pp.499-506）

能動カテーテル

4

スパッタリングによる堆積膜の応力(圧力、ガスの関係)

(中川茂樹、Ionics, 20, 9 (1994) p.147)

MEMSにおけるメタライゼーション

Al : 400℃で陽極接合も可、ヒロック(盛り上がり)を生じ狭ギャップ構造には不適。

Pt/Ti : 陽極接合の温度に耐え信頼性があるが、HFでTiがサイドエッチされ易い。

Pt/Cr : 陽極接合の温度に耐え、HFに浸す工程があるときに使用。

Au/Cr : 一般的だがAuとCrが反応し耐熱性が無いので注意が必要。

Au/Cu/Cu-Cr/Cr : 半田付け

Au/Ni : Au/Crより付着力は劣るが、耐熱性は少し良好。

多層膜のエッチングでは電池作用による電蝕で異常エッチングが生じやすい。

(例: Au/Crの場合、Auのエッチングの時にKI-I2ではアンダーカットを生じるので、フェリシアン化カリが適する。(Y.Nemirovsky et.al., J.Electrochem.Chem.Soc., 125 (1978) p.1977))

リフトオフを用いたり、マスク蒸着(特に凹凸でフォトリソグラフィしにくい時)する。

応力、オーミックコンタクト、エッチング性などを考慮。

エッチングの参考文献: K.R.Williams et.al., J.of Microelectromechanical Systems, 12 (2003) p.761, P.Walker et.al., Handbook of Metal Etchants (1991) CRC Press

5

CVD (Chemical Vapor Deposition)

タングステンの選択CVDを用いたマイクロマシニング

（MacDonald et.al. コーネル大学，MEMS’90）

6

タングステンの選択CVDで形成した電子銃

表面被覆性の良い金属膜のＣＶＤ

1,1,1,5,5,5,5-hexafluoroacetylacetonate Copper (I) viniltrimethylsilane

160-220ºC

(関口 敦(ANELVA)他、電子通信情報学会技報 SDM-2000-193 (2000) p.43)

7

SiCダイアフラム真空センサ(M.Hiratsuka et.al., APCOT-MNT, (2004) p.745)

Deep RIEで形成した溝をSiO2のCVD膜で埋めた例

(C.Chang, T.Abe et.al. 19th Sensor Symposoium (2002))

Source :TEOS+O3

8

Trench-refillによる厚い酸化シリコン膜(マイクロリアクタの熱絶縁用)

Silicon

Trench-refilledTEOS oxide

Silicon dioxide

TOP

Bottom

犠牲層エッチングによる電気泳動チップの製作

(C.Chang, 19th Sensor Symp.(2002))

9

微細加工したシリコンの鋳型にCVDした SiC微細構造体の製作

(T.Itoh, Transducers'03 (2003) p.254)

SiC製のガラスプレス用モールド (非球面レンズ)K.O.Min, S.Tanaka

10

選択的なCVD（VLS成長）によるシリコンワイヤーの形成

（M.Ishida et.al., Pacific Rim Workshop on Transducers and Micro/NanoTechnologies, (2002) 295-298）

先端にＣＮＴを成長させた電界放射電子源

11

シリコン先端にＣＮＴを成長させた電界放射電子源の製作法

カーボンナノチューブの気相堆積装置（ホットフィラメントCVD）

(H.Miyashita et.al. : Proc. of MEMS’'2001, (2001) 301-304)

12

シリコン間の狭ギャップに形成したカーボンナノチューブ

カーボンナノチューブの選択成長

(H.Miyashita et.al., MEMS’2001)

13

電鋳（Photo Electroplating）

レジストを鋳型にしためっきを用いて段差部に形成した銅配線

LIGAプロセスSORTEC

X線露光(LI)＋電鋳(G)＋型成型(A)

14

LIGAプロセスにおける電鋳と型成型による複製(W.Ehrfeld et.al., Proc.IEEE Micro Robot and Teleoperators Workshop,(1987) 1-11)

X線露光現像後

Niめっき後(最大ｱｽﾍﾟｸﾄ比 数百)

ポリマー型成型後(最大ｱｽﾍﾟｸﾄ比 ~10)

Niめっき後

LIGAプロセスによるウラン濃縮フィルタの構想 (1)

15

LIGAプロセスによるウラン濃縮フィルタの構想 (2)

LIGAプロセス

による分光器

16

Deep proton lithography

13 MeV

プロトンとX線の侵入深さ

(M.Kufner, et.al.: Microsystem Technologies, 3 (1996))

Deep proton lithographyによる 36μm厚SU-8層の加工例

17

(X.Li et.al., MEMS’2001)

パイレックスガラスのDeep RIEと電鋳によるガラス貫通配

線

ガラス貫通配線

200μm

Through-hole (φ～50μm)

The a spect ratio is 3

200μm

Electroplated Nickel

200μm

Electroplated Nickel

Deep RIE後

Ni めっき後

研磨ではみ出したNiを除去

した後

ガラスウェハに形成した1935個の貫通配線

18

研磨を必要としないガラス貫通配線の形成法(X.Li et.al., Sensor symposium, (May 2002))

高密度ガラス貫通配線の応用

一体化すると複雑過ぎて作りにくい。

→ MEMS部と集積回路部を別々に作り高密度貫通配線で接

続する技術。

SOC (System On Chip) よりも SIP (System In Package)

マルチプローブデータストレージへの応用

19

共析めっきによる多孔質テフロンによる超疎水性表面

（T.Abe et.al. Transducers’01）

内部応力による歪

単結晶ｼﾘｺﾝのｴｯﾁﾝｸﾞによる歪無し片持ち梁

熱酸化SiO2における圧縮

応力の開放による歪（座屈）

20

内部応力の制御

カソード結合型応力制御SiO2 CVD装置 (サムコインターナショナル㈱)

(6th SEMI Microsystem/MEMS Seminar, Makuhari (2002) p.117)

21

低応力GeO2-SiO2 CVD

(6th SEMI Microsystem/MEMS Seminar, Makuhari (2002) p.117)

反りによる応力評価

22

表面ﾏｲｸﾛﾏｼｰﾆﾝｸﾞ構造の応力評価ﾊﾟﾀｰﾝ

厚さ方向に応力が分布した膜の変形

23

接合

接合

24

シリコンとガラスの陽極接合

陽極接合で製作した加速度センサ

25

陽極接合による反り

（旭ﾃｸﾉｶﾞﾗｽ㈱）

26

（旭ﾃｸﾉｶﾞﾗｽ㈱）

陽極接合における回路損傷

(電気学会 研究会資料 ST-92-7，(1992) 9-17)

27

回路損傷の評価に使ったTEG（テストデバイス）

陽極接合によるｐｎ接合ダイオードのリーク電流の増大

28

ｼﾘｺﾝ・ﾊﾞｲレックスｶﾞﾗｽ・ｺﾊﾞｰﾙ・Fe-Ni合金の熱膨張

ベーカブル（空気圧駆動）マイクロバルブ

29

ベーカブルマイクロバルブの特性

ﾏｲｸﾛﾏｼﾆﾝｸﾞに用いられる各種の接合法

30

直接接合による容量型圧力センサ

(Nisase et.al. Transducers’87)

直接接合の原理

31

洗浄効果(EVグループ: マイクロマシン/MEMS技術大全(電子ジャーナル) 2003、p.330)

プラズマ活性化低温接合

バルクSi

(T.Suni (VTT Electronics), J.Electrochem.Soc.,(2002) p.G.348)

32

プラズマ活性化接合の応用例

33

MEMS用ウェハ(1) (OKMETIC)

Si イントリンシックゲッタリング処理無

RFMEMS用高抵抗ウェハ(kΩ-cm)

Si

Si

Poly-Si (5-20μm) Epi-poly

SiO2

厚いPoly-Si付ウェハ

p++Si (+ Ge)

エッチストップ層付エピウェハ

Si

原子半径の関係

格子補償 (西沢)

34

B濃度増加に

よる転位密度の増大(左)、Ge濃度の増

大による転位密度の減少(右)(H.-J.Herzoget.al., J. of the Electrochemical Soc., 131 (1984) pp.2969-2974)

MEMS用ウェハ(2)(OKMETIC, KST World)

Si

Si

Si

Si

Si

SiO2 (5-20μm)

厚いSiO2を持つSOIウェハ

(熱酸化膜、火炎加水分解膜)

SiO2

Doulble SOIウェハ

35

Siと熱酸化膜の熱膨張差による内部応力の開放で生じる変形

SOIウェハのDeep RIE

ﾏｲｸﾛﾏｼﾆﾝｸﾞに用いられる各種の接合法

36

Au-Siを用いた共晶接合

Auｽﾊﾟｯﾀ直前に自然酸化膜をｽﾊﾟｯﾀｴｯﾁﾝｸﾞ

(D.Y.Sim et.al., 電気学会論文誌Ｅ, 115-E,(1996),56-61)

Au-Si共晶接合を用いた空気圧駆動ﾊﾞﾙ

ﾌﾞ

37

ﾏｲｸﾛﾏｼﾆﾝｸﾞに用いられる各種の接合法

ポリイミドフィルムを用いた接合

38

ﾏｲｸﾛﾏｼﾆﾝｸﾞに用いられる各種の接合法

マイクロエアータービン

(S.Tanaka et.al.,Sensors and Actuators A,96 (2002), 215-222)

39

マイクロエアータービンの写真40,000 rpm

ﾏｲｸﾛﾏｼﾆﾝｸﾞに用いられる各種の接合法

40

ﾊﾟｲﾚｯｸｽ薄膜を用いた陽極接合(庄司康則 他, 次世代ｾﾝｻ協議会 第4回ﾏｲｸﾛﾏｼｰﾆﾝｸﾞ研究会（1994）)

ﾏｲｸﾛﾏｼﾆﾝｸﾞに用いられる各種の接合法

41

局所通電加熱接合

常温界面接合 （山田高幸 他： 精密工学会誌 66 （2000） p.1265）

42

組み合わせプロセス (表面マイクロマシニング 他)

表面マイクロマシニング

43

表面ﾏｲｸﾛﾏｼﾆﾝｸﾞで製作した一方向弁

(庄子習一 他,電子情報通信学会論文誌Ｃ,J71-C (1988),1705-1711)

44

超臨界乾燥の原理 (乾燥時の貼り付き対策)(2002 マイクロマシン/MEMS技術大全（電子ジャーナル別冊）)

45

超臨界乾燥の手順

表面間力による付着の対策

46

立ち上げる構造

立ち上げる機構

47

(M.W.July: Tech.Digest solid-State Sensor, Actuator and Microsystems Workshop, Hilton Head (2004) 27-32)

(A.E.Franke, J.M.Heck, T.-J.King and R.T.Howe: J.ofMicroelectromechanical Systems, 12 (2003) 160-171)

iMEMS(アナログデバイス): 3μm BiCMOSinterleaved with 2-4μm poly Si

polySi-GeによるポストAl 表面マイクロマシニング

ポリシリコンの応力制御に1100℃での熱処理

犠牲層: PSG

エッチング: HF

犠牲層: Ge

エッチング: H2O2

低温(400℃程)熱処理で可

(R.H.Fan, L.Fan, M.C.Wu and C.J.Kim: Porous polysilicon shell formed by electrochemical etching for on-chip vacuum encapsulation, Tech.Digest solid-State Sensor, Actuator and Microsystems Workshop, Hilton Head (2004) 332-335)

犠牲層エッチングを用いたウェハレベル一括封止

48

LPCVDによるポーラスpoly-Si CVDによる犠牲層(LTO(低温CVDSiO2))エッチング

(G.M.Dougherty et.al., J.ofMicroelectrochemical Systems, 12 (2003) pp.418-423)49%HFによるエッチング後

LPCVD(600℃,550mTorr)によるポーラスPoly-Si

ポリシリコンの陽極多孔質化膜を通しての犠牲層エッチングによる封止

(R.He et.al., MEMS 2005, p.544)

49

感光性熱分解ポリマーの熱分解特性(J.P.Jayachandran et.al., J.of Microelectromechanical Systems, 12 (2003) pp.147-158)

(Polypropylene carbonate) PAG(Photoacid Generator)の例

感光性熱分解ポリマーを用いた表面マイクロマシニング(J.P.Jayachandran et.al.(GeorgiaInst. of Technology), J.ofMicroelectromechanical Systems, 12 (2003) pp.147-158)

PECVDによるSiO2,SiN

またはスピンコートポリマー

50

熱分解犠牲層を用いたトレンチリフィルプロセス(C.G.Courcimault et.al.(Georgea Inst. Of Tech.), Solid-S)tate Sensors, Actuators and Microsystems Workshop, Hilcon-Head Island, June 6-10 (2004) pp.200-203)

熱分解前(上)と後(下) 応用例

51

HEXSIL (HEXagonal SILicon)ﾌﾟﾛｾ

ｽ

HEXSILﾌﾟﾛｾｽで作られ

た磁気ﾍｯﾄﾞ用ｱｸﾁｭｴｰﾀ

(D.A.Horsley, MEMS’97)

(C.Keller et.al., Solid-State Sensor and Actuator Workshop (1994) 132-137)

Why Micro Self-Assembly? C2W

• Very large numbers of very small components

• Independent parallel fabrication of components

• Fabrication at high density, assembly at lower density

• Hybrid systems built from standard components

Enabling technology for complex integrated microsystems(Karl F. Böhringer, University of Washington, Seattle)

52

Driving force for assembly: Minimization of surface energy with hydrophobic-hydrophilic interfaces:– Alkanethiol self-assembled monolayer (SAM)

on Au forms hydrophobic surface– Organic lubricant provides capillary action

Surface Tension Driven Micro Self-AssemblyAlso see [Srinivasan et al.’ 99, Whitesides et al.’ 90s]

LubricantHydrophobic area

Second Assembly Result[Transducers’01, JMEMS’03]

53

Fabrication of the Substrate for LED Assembly

Cr/Au

Passivation layer (silicon nitride)

Cr/Ni

Si substrateSiO2

Electrical contact Binding site

Electrical Connectivity

Top view of a fabricated substrate for LED assembly

Lubricant wets Au binding site

Ni electroplating seed is free from lubricant

54

レーザ支援エッチング(K.Minami et.al., J.of Micromechanics and Microengineering,3(1993))

低温凝縮CW紫外ﾚｰｻﾞ支援CVD装置

(杉原正久 他,電気学会論文誌Ｅ,117-E (1997) pp.3-9))

（堆積速度10μm/min）

55

低温凝縮CW紫外ﾚｰｻﾞ支援CVDによるﾏｲｸﾛｱｾﾝﾌﾞﾘ

能動ｶﾃｰﾃﾙのﾘﾝｸへの形状記憶合金ｺｲﾙの取り付け

フェムト秒レーザによるガラスの穴あけ

In air In vacuum

Debris

No Debris

56

レーザ照射時間と孔の深さ

1 10 100 1000 104 105

Laser irradiation time (ms)

Dep

th o

f abl

atio

n (µ

m)

Laser pulse : 150fs Wavelength : 775nm Repetition Rate : 1KHz

0

400

800

1200

1600

2000Laser fluence : 210J/cm2 105J/cm2

500μm

100ms 500ms 1s500μm

10s 50s

Siの選択研磨

57

イオンビームのエネルギと利用するプロセス

(吉田善一：マイクロ加工の物理と応用、(1998) 裳華房)

58

集束イオンビーム FIB (Focused Ion Beam)

(吉田善一：マイクロ加工の物理と応用、(1998) 裳華房)

液体金属イオン源

Ga

Ga+

Ｗの集束イオンビーム支援ＣＶＤ

59

結晶異方性エッチングシミュレーションの例

(K.Sato et.al., MEMS’91)

サーマルマスフローセンサ

(江刺 他,電子情報通信学会論文誌C-II, J75-C-II (1992), 738-742)

60

焦点合わせによる深さ測定

光干渉による変形測定

(M.Esashi, Sensors and Actuators, A21-A23 (1990), 161-167)

61

顕微FTIRを用いた赤外線干渉ｽﾍﾟｸﾄﾙによるSiの膜厚測定（西口 他、第18回「ｾﾝｻの基礎と応用ｼﾝﾎﾟｼﾟｳﾑ」和文速報 (2001) 60)

エッチング中厚さモニタシステム

(K.Minami et.al., J.of Micromechanics and Microengineering,5,1(1995))

62

エッチング中厚さモニタシステムの写真

干渉スペクトルによる厚さモニタ

63

縦横振動の同時測定

各種材料の機械物性

64

単結晶ｼﾘｺﾝの変形と歪ー応力曲線

(ｽｳｪｰﾃﾞﾝ ｳﾌﾟｻﾗ大 ｼュﾊﾞｲﾂ教授)

単結晶シリコンの破壊強度（室温）のデータ

65

単結晶ｼﾘｺﾝの応力腐食割れ