ナノの合わせ技がもたらすMEMSプロセスの新地平Au

CNT bridge
AlSｉ

Al
Sｉ substrate

3D BEANS センター
東京大学大学院工学系研究科

杉山 正和

3D BEANSの研究員たち

企業

大学

アドミニストレーション・研究補助
2

3D BEANSが可能にする集積MEMS
集積センサーノード
バイオ分析チップ
高容量3Dキャパシタ
ガスセンサ

発電素子

RF送信機
低消費電力RFフィルタ3低消費電力RFフィルタ
新デバイス

トレンチ側壁に電子チャネルを形成
ダメージフリーの側壁エッチングが必須

MEMS振動子の側壁にMOSFETを形成

中性粒子ビームエッチング
新プロセス

4

中性粒子ビームエッチング

 表面へのイオン・紫外線の入射をカット

 ダメージフリー5深掘り・高アスペクト比への挑戦
寸法が異なるパターンをノッチフリーで加工可能

SOI基板

6

長寿命ナノプローブリソグラフィー
マルチプローブリソ

耐摩耗プローブ
2 m描画（陽極酸化）10 nm精度の描画高スループット低コスト

市販プローブ
2 cm描画（陽極酸化）

7バイオアッセイチップ
サブμm寸法の埋め込みチャネル

フェムト秒レーザアシストエッチング
8フェムト秒レーザアシストエッチング
露光 （レーザ照射）

現像（ウエットエッチ）

9高アスペクト比3Dキャパシタ
発電

蓄電センサデバイス
RF送受信機深掘り3次元トレンチを用いた高容量キャパシタ

平面状キャパシタに比べて70倍の容量増大（比表面積の増大効果）

超臨界流体製膜
10高感度ガスセンサ
CNTバンドルガスセンサ

ナノポーラスガスセンサ

electrode

CNT bridgeAl

Nanoporous
metal oxide

トレンチ内へのナノ粒子自己組織化配列

Si

Sｉ

Al
Sｉ substrate

CNTの誘電泳動
ペプチドによるナノ粒子の修飾

11超低損傷エッチングシミュレーション3次元形状予測●中性粒子ビームエッチング実用化に向けた統合的シミュレーション
TD-DFTシミュレーション

TD-DFTシミュレーション
アパーチャ内イオン軌道シミュレーション□中性化過程マッチング

RFアンテナ～

誘電体窓

13.56MHz

中性化率
アパーチャ内中性粒子ビーム装置
イオン軌道シミュレーション
ガス導入□ フラックスのエネルギー・角度分布

プラズマ室
アパーチャ
マッチング

エネルギー角度分布
３次元形状シミュレーション～ステージ

400kHz

真空排気プロセス室□ 高アスペクト比エッチング形状予測

深掘エッチングのための設計・加工指針

３次元形状シミュレーション
表面反応シミュレーション

12graphite

中性化過程のTD‐DFTシミュレーション

Cl+Cl213中性化過程のTD‐DFTシミュレーション●時間依存Kohn-Sham方程式で波動関数の時間発展を数値計算
照射イオン： 塩素の4種類のイオン状態

アパーチャ基板：
炭素24原子のグラファイト

Cl-Cl

Cl2+ Cl2

TD-DFTシミュレーションにおけるイオンと基板の初期位置●中性化過程を解析し、正イオンと負イオンの中性化確率の違いを解明
12eV

価電子数
衝突前

遷移反応の確率方程式
イオン化率

衝突後

中性化率

Cl‐

8.00

7.13 Cl‐→

13% Cl‐+87% ClCl

7.00

7.05 Cl→

5% Cl‐+

95% Cl

Cl2+

13.00

13.78 Cl2+→

22% Cl2++78% Cl2Cl214.00

13.98 Cl2→

2% Cl2++98% Cl2

アパーチャ基板衝突による電子状態の遷移

14アパーチャ内イオン軌道シミュレーション●アパーチャを通過する粒子のエネルギー・角度分布を予測■アパーチャARとビーム角度分布の関係を解明
エネルギー分布角度分布

アパーチャ通過後の粒子軌道※残留イオンにおける実測値との比較●８インチ口径装置のためのアパーチャ設計指針を提供■アパーチャ開口率 ⇔ウェハ照射分布均一性■開口率１０％以上でウェハ上照射分布が均一

アパーチャプレート
プレート～ウェハ間距離
ウェハ

８インチ口径装置実現へ向けた知見を提供

15

３次元形状シミュレーション●実加工形状キャリブレーションによる表面反応の解明■形状シミュレーション
表面デポジションが高アスペクト比加工を阻害？？

実加工形状

シミュレーション結果

アパーチャ由来の炭素のデポジションを発見アパーチャのDLC被覆●アパーチャの高AR化による プロセス改善

エッチレートのアパーチャAR依存性■予測：アパーチャのアスペクト比大エッチング形状のアスペクト比増大

アパーチャのアスペクト比を変更（1020）
垂直性に優れたエッチングが可能に！！
16

MEMS振動子によるエッチング損傷評価

17ナノポーラス金属酸化膜を用いたガスセンサ
C2H5OHIl-Doo Kim et al. Sensors and Actuators B

SnO2 inverseopal structure

Adsorbed
surface area

C2H5OH
CH3CHO + H2O

O2

Oe-

Not
adsorbed
area

Oe-

平面型
表面のみがガスに反応

ナノポーラス型
全体積で反応
高感度18

作製プロセス (1)
懸濁液の調整Polystyrene
suspension

ディップコート

100µm
100µm

SnO2
suspension
10µm

=100nm=1µm
0 – 0.1 vol% 0.45- 0.5vol%

Capillary force

=30nm
0.045 – 0.05vol%trenchMixElectrode

ナノ粒子懸濁液
溶媒：水
Temperature : 23 deg. C
Relative humidity :60 %RH

19

作製プロセス (2)ディップコート
Polystyrene particles
SnO2 particles

ポリスチレンの除去
焼結
Temperature :600 degree CCapillaryforce
trenchSmall pore
Large pore20

トレンチ内に作製したナノポーラスSnO2
上面

断面21

ナノポーラス構造は混合比により調整可能
Top view

0 vol.%Top view

Cross section
view

Cross section
view

Small pore

No Small pore
Top view

0.04 vol.%Top view

Cross section
view

Small pore0.01 vol.%0.1 vol.%
Cross section
view

Fractal22ガスセンサ感度特性
ナノフラクタル（複数径粒子）

500

Ethanolin inambient
Ethanolgas
gasambient
Working
temperature285
285deg.C
deg.C
Workingtemperature
Trench with large pore

450

Sensor sensitivity Ra/Rg [-]Cross sectional view

Trench with large and small pore

400
350

Planer without pore300

逆オパール（単一径粒子）

250

Cross sectional view

200
150
100

平面型

50

Top view

Cross sectional view

00

5000

10000

15000

20000

C2H5OH gas concentration [ppm]

エタノール検出感度： 平面型<<逆オパール<<ナノフラクタル

23ナノチューブ架橋構造を用いたガスセンサ
CNT bridge
AlSｉAlSｉ substrate

The CNT bundle bridge

Adsorbed gas molecules
24

作製手法
溶液法で精製したCNT

オシロスコープ
電圧のモニタ

AC電源<10MHz ,<100Vpp
FDEP  0
FDEP  0

電極パターン25CNT架橋構造
 尖頭間にCNT架橋構造を形成

30Vpp,5MHz,15min 多数のCNTから形成される
 架橋の形状は尖頭の構造と電圧印加条件により制御可能~200 nm

100nm
100nm

30Vpp,1MHz,15min

30Vpp,1MHz,6min~1um~100nm26

CNT架橋構造の電圧特性
0.4Semiconductor parameter analyzer

4.0

半導体性CNT
metallic
金属性CNT
semiconducting

0.3

2.00.11.0

0.0

0.0-0.1-1.0-0.2-2.0-0.3-3.0-0.4-4.0-515Vpp,5MHz,15min

上面顕微鏡写真1m

Current (uA)

Current (uA)

0.2

3.0-4-3-2-101
Voltage (V)2345 単層CNTを選択的に修飾– 半導体性非線形– 金属製 線形 半導体性・金属性CNTによる電気伝導特性の違いを観察
27

CNT表面へのナノ粒子修飾

 CdSeナノ粒子にCNT特異吸着性ペプチドを修飾

CdSeナノ粒子がCNT表面のみに吸着28

CNT表面への選択的CdSeナノ粒子修飾
蛍光像

明視野像
SWCNT bridge

AlAl
Si substrate

2 µm

surfaceCNT
Al (oxide)
Si (oxide)

CdSeナノ粒子をCNT表面のみに修飾
2 µm
CdSe nanoparticle
attached
unattachedunattached29まとめに代えて
想いは通じる，そして，実る．
日本を元気にする産業の豆を提供すべく，BEANSメンバーは歩み続けます．

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