ＭＥＭＳ技術・デバイスの最近の動向
東北大学 原子分子材料科学高等研究機構

江刺 正喜

1. はじめに
2. 自動車・家電(圧力センサ、加速度センサ、ジャイロ)
3. 情報・通信(ディスプレイ、データストレージ 他)
4. 製造・検査(マスクレス露光、プローバ 他)
5. 医療・バイオ他(極細光ファイバ血圧センサ 他)
6. 集積化MEMSと産業化の問題点

手作りによる20mmウェハプロセス用の安上がりな半導体設備
危険なガスは使わない、壊れる部分が少ない単純な装置、利用者 400名(40研究室)、通算約100社 常駐

研究員を常駐で派遣した企業 他 (1990-2007) [人数] 100箇所[136名] (国外 青色) 12箇所
自動車・家電 15社
ダイムラークライスラー㈱[1]フォード自動車㈱[1]トヨタ自動車㈱[2]デンソー㈱[1]㈱日立製作所 日立研究所[1]自動車機器㈱[1]本田技研工業㈱[1]㈱ゼクセル[1]㈱日立製作所 中央研究所[1]曙ブレーキ工業㈱[1]北陸電気工業㈱[2]㈱神戸製鋼[2]松下電器産業㈱[1]㈱豊田中央研究所[1]日産自動車㈱[1]
情報・通信 32社
ボールセミコンダクター㈱[2]三星電子㈱[1]三星総合研究院[4]㈱村田製作所[2]㈱日立製作所 機械研究所[1]日本電波工業㈱[2]大宏電機㈱[2]アルプス電気㈱[1]㈱富士写真フィルム㈱[1]スタンレー電気㈱[1]㈱日本アレフ[1]リコー[2]
松下通信工業㈱[1]国際電気㈱[1]ペンタックス㈱[2]日本信号㈱[2]立山科学工業㈱[1]矢崎総業㈱[1]住友金属工業㈱[1]日立電線㈱[1]
ソニー㈱[2]㈱サムコン[1]秋田妙徳㈱[1]パイオニア㈱[1]ジャパンハイテックス㈱[1]シャープ㈱[1]スター精密㈱[1]松下電工㈱[1]宮城沖電気㈱[1]㈱日立超LSIシステムズ[1]㈱ＭＥＭＳコア[1] 北日本電線㈱[2]製造・検査・宇宙・計測・部品 36社
ダイムラー ベンツ㈱[1]icurie lab[1](韓国)
ハネウェル[1]㈱エステック[1]日本たばこ産業㈱[1]㈱島津製作所[1]㈱北川鉄工所[1]
豊田工機㈱[3]㈱長野計器製作所[2]セイコー電子工業㈱[2]㈱堀場製作所[1]旭化成工業㈱[1]石川島播磨重工業㈱[2]㈱リケン[1]
日本真空技術㈱[1]アネルバ㈱[2]㈱アドバンテスト研究所[1]㈱アドバンテスト[3]㈱トキメック[2]キャノン㈱[2]東京エレクトロン㈱[1]㈱サンギ[1]
日本化薬㈱[1]三菱重工業㈱[2]第一放射線研究所[2]㈱モリテックス[1]NECトーキン㈱[1]
しらかば農園[1]㈱オプトエレクトロニクス[1]住友精密工業㈱[1]
TDK㈱[2]
エンプラス㈱[1]㈱エムジー[1]㈱ユカインダストリーズ[1]サンケン電気㈱[1]ロールトロニクス[1]
医療・バイオ 6社
オリンパス光学工業㈱[2]日本光電工業㈱[1]
テルモ㈱[3]
シスメックス㈱[1]三菱電線工業㈱[2]井上アタッチメント[1]公立研究機関11社
韓国電子通信研究院[1]韓国科学技術研究院(KIST)[1]
台湾工業技術研究院(ITRI)[2]山形県工業技術ｾﾝﾀｰ[3] 工業技術院計量研究所[1]広島県西部工業技術ｾﾝﾀｰ[1] 日本放送協会[1]富山県工業技術ｾﾝﾀｰ[3]宮城県産業技術ｾﾝﾀｰ[1]産業技術総合研究所[1] 情報通信研究機構[1]A-A’断面A

2. 自動車・家電(圧力センサ、加速度センサ、ジャイロ)

A’

最初のMEMS加速度センサ(L.M.Roylance et.al.,IEEE Trans. on ElectronDevices, ED-26 (1979)
p.1911)

ガラス貫通配線パッケージング (体内用酸素飽和度モニター(In-Vivo Oximetry))

ピエゾ抵抗型絶対圧センサ(J.M.Schmitt,F.G.Mihm and J.D.Meindl, Annals of Biomedical Eng., 14 (1986) 35-52,
Frontiers of Engineering and computing in health care-1984, Sixth Annual Conf. (1984) 703-707)(電気学会論文誌, 110 (1990) 255-261)

MEMSの問題点 ：ハイテク多品種少量でコスト高、製品化し難い。
・コストの80％はパッケージングとテスト。
→ ウェハレベルパッケージング
によるMEMSデバイス開発。

組立工程の設備が不要
MEMS部が分割時に保護される。
チップサイズに小形化できる。
テストの時に不良品を容器ごと捨てなくてもよくなる。
補助人工心臓のカニューレに用いたピエゾ抵抗型絶対圧センサ (仁田 他)

集積化容量型圧力センサ(Y.Matsumoto et.al.11th Biotelemetry, 1990)

ウェハレベルパッケージング

容量検出回路および圧力と出力周波数の関係

製品化された容量型真空センサ(アネルバ技報、11 (2005) p.37)

衝突センサとして加速度センサを用いたエアバッグシステム

静電サーボ加速度センサ（日立）(S.Suzuki et.al: Sensors and Actuators,A21-23,(1990) 316-319)

静電サーボ３軸加速度センサ(K.Jono et.al.: Measurement Science and Technology,6,1 (1995) 11-15)

静電浮上ボール3軸加速度センサ

静電浮上の原理

DMD
チップ(R.Toda (Ball Semiconductor Inc.) et.al., MEMS’02 (2002))(ボール)(Y.Matsumoto, Sensors andActuators A,39 (1993) p.209)
直径1mmのシリコンボールに形成した微細パターン

マスクレス露光（INDEXﾃｸﾉﾛｼﾞｰｽﾞ社）(M.Esashi, Transducers'93 p.260)

ウェハレベルパッケージングによる(集積化)容量型加速度センサ

シャーシ制御用低G加速度センサ(VTI (フィンランド)、曙ブレーキ)

集積化加速度センサ（アナログデバイス社）

FC = 2mvΩ

駆動検出方式の違い
セルフテスト
機能Wii

アナログデバイス社
ADXL202/210

ゲーム機のコントローラ、ノートパソコンの落下検知によるハードディスク保護など

集積化2軸加速度センサ

電磁駆動

誘導起電力による電磁的検出

静電駆動

静電容量検出その他 圧電材料(薄膜)による駆動・検出など
振動体形状・振動形態の違い
音片、音叉、円板、円環

シリコン振動ジャイロ

VSC (Vehicle Stability Control)
自動車の走行安定性を向上させるヨーレートセンサ（ジャイロ）
M.Nagao et.al.,SAE World Congress,
Detroit, (2004)

角速度・加速度センサ (トヨタ自動車)(静電駆動容量検出)(川橋 憲 他： 計測と制御 40 (2001) p.848)

加速度センサ内蔵半導体式ヨーレートセンサの回路(野々村裕、日経エレクトロニクス 2004年9月号、p.75)（M.Nagao et.al: 2004 SAE World Congress, Detroit, 2004-01-1113 (2004)）(M.Nagao et.al.,SAE World Congress, Detroit, (2004))

ESP (Electric Stability Program)
横滑り防止システム
Boschの第三世代ジャイロ)(静電駆動容量検出)(R.Neul et.al., 2005 IEEE Sensor, p.527 (2005))

静電駆動容量検出
円板ねじれ振動ジャイロ(J.-J.Choi et.al.,電気学会論文誌Ｅ,118-E (1998), 641-646)

Boschの第二世代ジャイロ 2001年~(静電駆動容量検出円板ねじれ振動ジャイロ)(R.Neul et.al., IEEE Sensors Journal, 7, p.302 (2007))

インベンセンス社の2軸角速度センサ
IDG-1000(三宅常之, 日経マイクロデバイス 2006年2月号, pp.25-45)

Boschの第一世代ジャイロ (電磁駆動容量検出）1998-

Deep RIEで加工した電磁駆動容量検出シリコン振動ジャイロ

電磁駆動容量検出シリコン振動ジャイロ(J.Choiet.al.: Microsystem Technologies, 2 (1996) 186-199)

電磁駆動誘導起電力検出型シリコン振動ジャイロ(例2)

Si deep RIE システム
(M.Takinami, 11th Sensor Symposium, (1992) p.15)(J.-J.Choi et.al.:電気学会論文誌Ｅ,118-E, (1998) 641-646)

30mm

円環振動
住友精密工業㈱SegwayシリコンVSG (Vibrating Structure Gyroscope)

シリコンVSG (Vibrating Structure Gyroscope)
住友精密工業㈱断面構造

水晶振動式ヨーレートセンサ

25mm

トヨタ自動車(Y.Nonomura et.al. The 16th European Conf. on
Solid-State Transducers (2002) p.816

水晶圧電ジャイロ(セイコーエプソン、日本ガイシ)(小林祥宏、日経エレクトロニクス、2004.11.8, p.119)

原潜慣性航法
手振防止

航空機慣性航法

ビデオカメラカーナビ

宇宙ロケット(慣性航法)
I

無人機械

自動車ヨーレート検出(姿勢・方位制御)
I(運動制御)

I

I

I

I

I

I

I

0.00001 0.0001 0.001

0.01

0.1

1

10100

1000

ドリフト安定度
静電浮上ジャイロ

(deg/h)光ジャイロ・回転ジャイロ

振動ジャイロ

圧電薄膜型MEMS角速度センサ(野村幸治、8th SEMI Microsystem/MEMS Seminar, (2004) p.25)

iBOT

3. 情報・通信(ディスプレイ、インクジェットプリンタ、マルチプ
ローブデータ記録､スイッチ､RF共振子フィルタ､マイクロホン､光スキャナ)

ディスプレイ例(IEEE Trans. on Electron Devices,
ED-30, 5 (1983) p.122)

携帯型ビデオプロジェクタ

DMD (Digital Micromirror Device)(ﾃｷｻｽｲﾝｽﾂﾙﾒﾝﾂ社)によるﾋﾞﾃﾞｵﾌﾟﾛｼﾞｪｸﾀ DLP(L.J.Hornbeck : Micromachining and Microfabrication'95(SPIE), Austin, 3 (1995))

ディジタル映写機
ディジタルシネマAl

0.5μm Al10nm Ti
DMD (Digital MicromirrorDevice)のミラーと駆動回路(テキサスインスツルメンツ社)
ミラーの下のねじりバネ

Al (Ti)

熱処理後、粒界のAl3Tiが粒界でのずれを防ぐ(H.-J.Lee et.al.(Stanford Univ.), Applied Physics Letters, 76, p.3415 (2000))

米Texas Instruments Inc., Larry J.Hornbeck(日経エレクトロニクス, 2005年、2/28, 3/14, 3/28, 4/11, 4/25, 5/9)

時分割による階調のある画像の表示(DLP : Digital Light Processing)1920 / sec

GLV (Grating Light Valve)(R.B.Apte, D.M.Bloom et.al.,Solid-State Sensor andActuator Workshop, Hilton Head (1994) p.1)

GLV(Grating Light Valve) による1080×1920 HDTVプロジェクタ(MEMS開発&活用スタートアップ(CQ出版社)p.189 大石克己、冨田昭)

50m

10m

A4 60枚/分

Suspended
Heaterによる
サーマルインク
ジェットヘッド

チップ組立

GLVを用いた2005インチ超ワイドディスプレイ (6百万画素)(ソニー レーザードリームシアター)(愛 地球博) 朝日新聞2005/5/2

Silverbrook Research社(オーストラリア)による高集積MEMSヘッドによる高速ラインプリンタ ( A4の幅に11×6400のノズル)(http://silverbrookresearch.com/silverbrook_research.aspx)

マイクロマシニングによるオンチップのメカニカルフィルター（最初の表面マイクロマシニング）(IEEE Trans.on Electron Devices,ED-14,3(1967))

コグニティブ無線

周辺の電波環境を認識、これに応じて周波数や方式を選択し、周波数利用効率を高める。大量のデータを通信したり、ダウンロードして周波数帯が込み合っても、どこでも確実につながる本格的なユビキタスを実現。

(鈴木健一郎 : RF-MEMSの設計と製作技術 (Realize, 2006))

振動モード(K.Ikeda, Tech.Digest of the 7th

日経エレクトロニクス,No.923, 2006年4月10日

振動型圧力センサの製作工程(横河電機) Sensors Symposium (1988) p.55)

水晶発振子
MEMS発振器(MEMS共振子+回路)
SiT0100 発振子(チップ供給)

SiT8002 プログラマブル発振器

SiT8002UT 極薄(厚さ0.38mm) → カードなど

周波数 : 1-125MHz
小形 : 2.0mm×2.5mm×0.85mm
量産性 : 5万個/8インチウェハ
耐衝撃性: 6軸 3万G
Q値 : 約8万
経年変化 : ダイ 0.05ppm、樹脂封止±0.15ppm/年
電源電圧 : 1.8V, 2.5V, 3.3V

回路チップ (温度補償発振回路+プログラマブルPLL)上に共振子チップ (0.3mm角)を重ねた基準信号発生器

SiT8102 低ジッター(5pS rms)プログラマブ
ル発振器(1-200MHz) クロックの安定性(従来 発振子で5-10pS rms、プログラマブ
ル発振器で15-25pS rms)
→ 高速シリアル通信、高速メモリーなど

4μm

空気リーク
(1μm厚 poly Si)

外部からの応力の影響を受けにくいフローティングダイアフラム構造

高温のはんだリフローに通す(エレクトレットは止め容量型に)、小形・薄型化

現状 : MEMSチップと回路チップのスタック(SiP)

今後 : MEMSと回路のモノリシック化

Knowels Acostics社のMEMSマイク→ 低コスト→ さらなる低ジッターの高性能化(日経マイクロデバイス,248 (2006,2) p.38)

高性能MEMSマイクロフォン (NHK,松下電器)
看板番組”ダーウィンが来た”でハチドリの羽音の録音など

２軸電磁駆動光スキャナ

マイクロマシニングによる容量型マイクロフォン(T.Tajima (NHK 技 術 研 究 所 ), M.Esashi et.al., Micro andNanoengineering 2002 Internal. Conf., Lugano Switzerland (2002))(N.Asada et.al., IEEE Trans.
on Magnetics 30 (1994))
上田譲 氏

駆動電力

<160mW (6V駆動)

on抵抗<0.3Ω（初期）

動作速度

<3ms

接点寿命

8000万回（3V-15mAドライ）(Y.Liu et.al., MEMS’01)

20GHz以上の帯域を確認

最新の高速LSIテスターに300個ずつ使用

三次元カメラとレーザプロジェクタ

LSIテスタ用MEMSスイッチ(日経マイクロデバイス
2007年2月号 p.24)(中村陽登 他、Advantest Technical Report, 22 (2004), 9-16)

Metal Pads
Vertical spring pin connection

Ti

Metal Stiffner

Au-SnSiAu
レジスト

Print Circuit Board

LTCC
Ceramic Space
transformerNi

めっきによるプローブカード(S.H.Choe et.al., Transducers 2005, 1259)

貫通配線付低熱膨張ＬＴＣＣ基板を用いたウェハレベルバーン
イン用プローブカード(S.H.Choe,IEEE Interi. Test Conf. 2007, Santa Clara, CA, Oct.21-26, 2007 )Ag

陽極接合可能Ag

4 チャネル同時検出例

貫通配線付低熱膨張ＬＴＣＣ(毛利 護 (ニッコー㈱)SEMICON Japan STSセミナー, 2007/12/5)

SAWパッシブワイヤレスセンサ(J.Kuypers, APCOT2006 p.293)

圧力以外に温度や加速度のセンサもTPMS (Tire Pressure Monitoring System) → 安全、燃費向上
2000年 米国 Ford社のExplorerに装着したBridgestone/Firestone社のタイヤ剥離事故→ TREAD法 (Transportation Recall Enhancement Accountability and Document Act)でTPMSの装着が義務付け2005年10月 20%、2006年9月 70%、2007年9月以降100% 米国で販売される車両

タイア圧モニタ用
SAWワイヤレスパッシブセンサ(S.Hashimoto (Nissan motor),,Proceedings of the 24th Sensor
Symposium, Tokyo, (2007),267-271)

超小形ガスタービン発電機(エンジンサイクル成立)(S.Tanaka, K.Isomura (IHI), PowerMEMS 2007, Freiburg, pp.359-362)

小形大容量高出力電源の必要性

87万rpm (周速度470m/s)
圧縮比2

複数の露光パターンの重畳によるグレースケール露光

超小形ガスタービン発電 試験機(S.Tanaka, K.Isomura(IHI), Power MEMS
2007, Freiburg, pp.359362)

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)

Si上でのレンズ形状の作製(K.Totsu et.al.J.Vac.Sci.
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 Technol. B23, 1487 (2005))

Tempeature(℃)

1.4Pressure(MPa)

1.2
1600

0.8
400

0.6
0.4

200

0.20

Pyrex glass

00:00

0:28

5 m

0:57

1:26

1:55

2:24

Time(h:m)

プレス中の温度と圧力

50 m

SiCmold

Step 1(T.Itoh, Transducers'03 (2003) p.254)

Step 2

Step 3

Step 1：ガラスの軟化点（Sp 800℃ ）まで加熱
Step 2：プレス後、ガラス転移点（Tg 528℃）まで冷却し、再度プレス
Step 3：ガラスをモールドから分離終了

ガラスプレスモールディング

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(K.-O.Min, MEMS'2005, 475)

5. 医療・バイオ他(極細光ファイバ血圧センサ、前方視超音波内視鏡 他)

高温での材料の強度(A.H.Epstein, J.of Eng.for Gas Turbines and Power, 126, (2004) 205-226)

Pressure(MPa)Temperature(℃)

800使い捨てには低コストが必要
ベッドサイドでは精度管理が困難

クラレ、日本光電で製品化した血管内pH,CO2モニタ

血管内でキャリブレーションができない

集積化血液分析システム

装着し易く工夫したISFET(S.Shoji and M.Esashi., Sensors andActuators, 14 (1988) pp.101-107)(Supplement to the J.J.AP.,44 (1975),339-343)

使い捨てのヘルスケアチップだと、再検査するので精度管理上の問題が少ない

ワイヤレスイムノセンサ(でんぐ熱、HIV 他)(T.Ishikawa, B.E.Boser et.al., Complex
Medical Eng.2005, p.943)
CMOSホールセンサアレイ

ワイヤレスイムノセンサ

極細光ファイバ圧力センサ

PC(Cr)

410万チップ / 4インチウェハ

極細光ファイバー血圧センサ(T.Katsumata et.al., Optical MEMS’97) (K. Totsu et.al., Transducers’03 (2003) )極細光ファイバ圧力センサの製作法

流体吸引駆動能動カテーテル

改良型前方視超音波内視鏡の構造と製作工程(六鎗雄太 他、第42回日本エム・イー学会大会論文集,札幌 (2003) p.246)(J.-J.Chen, IEEE Sensors 2005, 920)

3 mm

改良型前方視超音波内視鏡と金属棒のイメージング例

従来の超音波断層像三次元超音波画像(J.-J.Chen, IEEE Sensors 2005, 920)

7. 産業化の問題点
1mm

スキャナ式内視鏡によるレーザ治療(N.Kikuchi, Transducers'03)
圧電ユニモルフアクチュエータによる鏡の駆動

容量型センサ 1次元アレイ

集積化加速度センサ

ゲーム機現状
日経マイクロデバイス 2001年9月号

加速度センサ(アナログデバイス)
3μm BiCMOS

無線チップ

ラインプリンタヘッド

光空間変調器

ワイヤレス免疫センサ高速インクジェッ
トプリンタ

マスクレス露光機

使い捨て診断チップ

将来 (高性能MEMS + 微細LSI → 高速･高機能)
多様で高付加価値LSI → 競争力の高いシステム

集積化MEMSの進化 (例)

ばねとして優れた構造のMEMSにするため、ポリシリコンの応力制御に1100℃、3hの熱処理が必要。このため、微細回路の上には形成できない。

Al合金製のMEMSなため、低温で微細回路上にでも形成できる。
しかしMEMSはバネとしての性能が良くない。
ビデオプロジェクタ用DMD(テキサスインスツルメンツ)

現在の集積化MEMS

2次元アレイ

樹脂封止のための厚いカバー→ 低コスト化

高性能CMOS回路上に形成したPoly-SiGe MEMS 振動ジャイロ(W.A.Mehta(IMEC),ISSC 2005, p.88)

高性能CMOS回路上に高性能なばね構造を、低温プロセス(< 400℃)で形成
IMECのSiGeミラーアレイ(MEMS2007)

連携体制

ステッパの露光面積に各プロジェクトのチップが入るシャトルサービ
スウェハ。

コア企業
応援：産業競争力懇談会㈱リコー㈱MEMSコア
基盤企業（MEMS製造）

東北大学
マイクロナノセンター㈱ﾄｯﾊﾟﾝ･ﾃｸﾆｶﾙ･ﾃﾞｻﾞｲﾝｾﾝﾀｰ
基盤企業（LSI設計）そのウェハに追工程(堆積、接合など低温プロセス)でMEMSを形成。

メンバー企業

応用展開企業

トヨタ自動車㈱パイオニア㈱住友精密工業㈱㈱北川鉄工所
日本信号㈱日本電産コパル電子㈱日本電波工業㈱メムザス㈱

他社の分が同一ウェハに入っていてもグループ内で問題ない。

AC

乗り合いウエハ

宮城県産業技術総合センター

B
D

MEMSパークコンソーシアム

NICT次世代ﾜｲﾔﾚｽ研究ｾﾝﾀｰ
宮城県

9シャトルサービスウェハ
仙台市

乗り合いウェハの仕方

東北大 江刺研究室分室(一般公開利用)

MEMSコア㈱ 泉工場
社長 : 本間孝治(ケミトロニクス会長)
役割 ： ニーズに応え試作品や少量生産品を供給、ファンダリへ発注する前のエンジニアリングサンプルの試作

MEMSコア
4インチ製造ライン

MEMSコア㈱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)(開発: フォード自動車からの研究員 → 製品化: 豊田中央研究所 → 製造: MEMSコア )アナログデバイス社
２軸加速度センサ

加速度センサTV ゲーム (任天堂 (Wii))

高校生のための教育(スーパーナノメカニクスプログラム(東北大学 – 早稲田予備校)

MEMS市場の下方修正(和賀三和子,日本のMEMS研究には何がかけているか, 日経マイクロデバイス, 2006 Sept.)

3軸加速度センサやマイクロフォンへの殺到
アナログデバイス(加速度センサ)やKnowles(マイクロフォン)などで、すでに勝負かあってから多数の国内メーカが参入している。
原因
将来の産業に役立つ研究が不足 → 生き延びるだけだとジリ貧
大学や公的研究機関が論文のための出口の無い研究が中心で、将来の産業に役立たない。(米国では大学が、欧州では公的研究機関が貢献)
研究者を食わせるだけでなく、試作開発など総合力の必要な研究や、リスクをかけた先行研究で実際に役立つことが必要。異種技術による多様化でLSIの高付加価値化へ。
「ハードルは高いが、必要性と付加価値の高いMEMSの開発へ」

我が国でのMEMS開発の問題点

今後の方向：
研究開発の効率化・低コスト化（オープンコラボレーション）
大学からの豊富な知識サービスの提供(MEMSﾊﾟｰｸｺﾝｿｰｼｱﾑ http://www.memspc.jp)
MEMSセミナー
参加費、資料(印刷物、CD)代無料、参加申込不要
昨年 8/23-25 東京、参加者 280名
今年 8/22-24 仙台、参加者 80名
ハイテク多品種少量生産 → 産業競争力大,ハイテクベンチャ

設備の共用・有効活用（スピンイン）

委託生産、雇用創出

ハイテク多品種少量生産