2011.7.14

BEANSプロジェクトセミナー

メーター級マイクロシステム
集積プロセス技術
伊藤寿浩
BEANSプロジェクト・Macro BEANSセンター
産業技術総合研究所・集積マイクロシステム研究センター

Macro BEANSの全体像
大面積エネルギー
ハーベスティングデバイス

大面積通信デバイス

大面積映像デバイス

シート型健康管理デバイス

SwitchAntenna
信号伝送繊維画素に対応した導電性繊維を芯線に巻きつける（色は画素に対応）

超音波プローブシート

MEMS Reconfigurable Antenna

シート型ディスプレイ

光電効果・ピエゾ抵抗効果・熱電効果・ゼーベック効果
・ペルチェ効果を利用した大面積Siデバイス

シート型ディスプレイ

超音波プローブシート

超音波送受信用電極
可動接点

メーター級大面積デバイス

圧電薄膜
導電性繊維

マイクロ・ナノ構造を有する高品位機能膜をメーター級の基板に真空プロセス装置を用いずに形成する製造技術を開発する
大気圧プラズマ成膜
ナノ材料
均質塗布

ウェアラブル発電

フレキシブルシートデバイス
フレキシブルシートデバイスを基板の大面積化を伴うことなく実現する、製織技術などを活用した新たな製造技術を開発する

雰囲気制御

非真空高品位ナノ機能膜
大面積形成プロセス技術

安全安心ジャケット

繊維状基材連続微細加工・集積化プロセス技術

非真空と製織で拓く
大面積デバイスの連続製造(1) 脱・真空チャンバーで狙う
プロセス革新研究開発のねらい
真空CVD装置の大型化

大面積エネルギー
ハーベスティングデバイス

SwitchAntenna

イノベーション

製造コスト

大面積通信デバイス

真空プロセスEx.) GEN-4（17”×4up）⇒ GEN-8（46”×8up）
2160×2460

大気圧プラズマ成膜
ナノ材料
均質塗布
MEMS Reconfigurable Antenna

雰囲気制御

非真空プロセス
0

大面積映像デバイス

2005

2010

2015

2020

光電効果・ピエゾ抵抗効果・熱電効果・ゼーベック効果・ペルチェ効果を利用した大面積Siデバイス

年度

大型真空チャンバー・特殊ガス設備からの脱却⇒ 設備投資・ランニングコストの大幅低減
非真空製造プロセスの実現に向け開発する要素技術① 大気圧プラズマ技術
4② ナノ材料均質塗布技術③ 局所環境制御技術

大気圧下 高品位シリコン成膜技術の開発
研究概要
非真空・大面積に対応するために◆大気圧下で適用可能⇒ 大気圧プラズマ技術◆チャンバーレスに対応可能 ⇒ SiH４などを用いないプラズマ化学輸送法
制御した雰囲気条件下において大気圧プラズマ化学輸送法によるシリコン成膜を開発★課題
・大気圧プラズマ化学輸送法によるシリコン膜の膜特性把握
・ 成膜速度律速因子の解明〔プラズマ化学輸送法〕+ 〔雰囲気制御〕成膜寄与種生成開放型成膜①大気圧プラズマ成膜技術

大気圧下（700 Torr）でのシリコン成膜
成膜原理 プラズマ化学輸送法
H2、シリコンターゲット使用 （ SiH４フリー）

2μm

反応式
Si(solid) + xH(gas)SiHx(gas)

大気圧成膜Siの断面SEMと放電の様子

温度が低いほど右に反応が進む①大気圧プラズマ成膜技術

①大気圧プラズマ成膜技術

大気圧成膜シリコンの膜特性

Hall電子移動度

成膜速度の放電電力依存性

 シリコン膜の電子移動度は 2.9 cm2/V・sec
 成膜速度は放電電力(ﾗｼﾞｶﾙ密度)とともに増加し、飽和の傾向
放電用電源の高周波化（高電子密度化）により成膜速度向上を検討ミストジェットSi粒子塗布技術
特長１．超音波エネルギーの利用により平均粒径数μmのSi粒子群（ミスト）を連続的に吐出可能 → 機能膜の均質化
２．吐出径が小さいため、Si微粒子分散液の蒸発が早い
ねらい： Si粒子分散液の均質塗布、かつ高純度な塗布膜形成
集束超音波

圧電素子（5MHz駆動）
放物面反射板

ノズル

不活性ガス
局所パージ

0.5mm
Si製放物面

ミスト流（平均粒径 2～10μm)
0.1mm

8Si製ノズル②ナノ材料均質塗布技術

ミスト粒径制御～ノズルエッジ加工と粒径分布
異方性エッチングによりノズルエッジを鋭角化することができ、粒径が安定
放物面機
械加工

910025

吐出口

ミストジェットヘッド

粒径分布

ノズルエッジ部

異方性エッ
チン
グ

204μm

0.1mm

累50 積
[%]

頻10度[%]

放物面のエッジは表面進行波の波長（約2.6µm）よりも大0110

粒径[μm]
252100頻0度 10[%]

0.1mm

4μm
ノズルエッジの鋭角化②ナノ材料均質塗布技術

01000累50 積[%]1100100

粒径[μm]

99

Si粒子塗布膜厚評価<塗布>10mm□にミストジェットによりSi粒子塗布<評価>
塗布端部を除く8mmを有効領域として塗布厚を触針式にて測定、評価
1μm
8mm

Si粒子塗布膜表面

2000

2000

1500

1500

膜厚 [nm]

膜厚 [nm]

2500

1000
500
0-50005000

10000

位置 [μm]

膜厚測定例

15000

1800 nm (58)1300 nm (42)550 nm (30)380 nm (20)

1000
500
0123 4 5
測定箇所

6

膜厚評価結果膜厚均一性の目標値±10％を達成②ナノ材料均質塗布技術

7※（ ）内数字は標準偏差エレクトロスプレーによるナノ粒子の形成
研究の背景
デバイスの高性能化には表面積を広げるためマイクロ・ナノ構造体の形成が必須。
有機太陽電池、光触媒等についてはナノワイヤー、ナノロッド
シリコン系薄膜ではマイクロテクスチャーの構造体形成
マイクロ・ナノ構造体をメーター級の大面積基板に短時間で形成する技術としてエレクトロスプレーに着目

エレクトロスプレー法
20-30kV

有機系太陽電池用

高効率シリコン太陽電池

特長 ・ガスが不要で電界のみで非常に細かいミストができる・大面積噴霧が可能
・課題はワイヤー以外でかつ高分子を使わないナノ構造形成法の確立

1

前駆体をSnCl2として加熱温度を下げた場合（溶媒：エタノール ４wt%、電圧27ｋV）
大気中200℃ 1時間加熱では均一なナノ粒子
Y. Matsushima et al.,J. Cera. Soc.Jpn 114(2006)1121

5μm

1μm

SnCl2を前駆体にした場合に構造制御が非常にしやすい（従来のSnO2薄膜作成時はSnCl4を前駆体）

大気中300℃ 1時間では均一なさらに微細なナノ粒子

より微細なナノ粒子の形成に成功
1μm
12局所環境 雰囲気制御技術の開発
開放系で擬似的な密閉清浄空間を形成◆反応ガスの外部への漏洩防止◆大気成分の内部への侵入防止
独自のガスカーテン構造
・カーテンガスを排気の外周に設ける
・ヘッド下面を陽圧にする流量制御

10090807060504030201001

適正ガス流量値

相対濃度 (vol.%)

相対濃度 (vol.%)①ガス流量設定への流体シミュレーション活用②実機による検証（ガス分析）

He
Ar
N2O2

234 5
測定点

67

ガス質量分析器（常圧対応Q-mass)

排気流量が適正値の1/2

10090807060504030201001He
Ar
N2O2
23

反応ガスの外部漏洩

4 5
測定点

67

ガスカーテン構造による擬似的な密閉清浄空間の形成を実証雰囲気制御下での大気圧放電

45° プ リ ズム

電源周波数：13.56MHz
投入電力：300 W
放電Gap：3.5mm

Heガス100%、及びH2混合Heガスにて反射波の無い安定放電を確認(a) 水素濃度3.8%混合Heガス(b) Heガス100%★課題・雰囲気制御下でのシリコン成膜に向けたプロセス条件把握14非真空高品位ナノ機能膜
大面積形成プロセス技術の開発～ まとめ ～
（１）大気圧プラズマ成膜
 シランフリーの700Torrプラズマ、300℃で多結晶シリコン膜を形成
 目標の電子移動度を超える 2.9 cm2/V・secを確認（２）ナノ材料均質塗布技術
 ミストジェット塗布；膜厚均一性の目標値±10％を達成
 エレクトロスプレー塗布； 各種酸化物の自己組織化形成（３）局所環境制御技術
 ガスカーテン構造による擬似的な密閉清浄空間の形成を実証 雰囲気制御下（760Torr）で水素混合Heガスによる安定放電を確認

繊維状基材連続微細加工と製織で拓く
大面積デバイスの連続製造(2) ウィービングMEMS

①機能薄膜連続被覆“Woven MEMS”(Weaving MEMS process)(1) Continuous coating processof high-quality functional films(2) High-speed continuous 3D
nano/micro-machining process－Multilayer Dye-coating Process－Reel-to-Reel Continuous Deposition &Patterning②連続微細加工(3) Weaving integration processof hetero functionalized fibers－ Movable-contact Structure－Woven Device Design & Aligned
Weaving Integration③製織集積化Insulator

WireArbitrary device

Functional cableContact structures繊維状基材連続微細加工・集積化プロセス技術開発
マイクロデバイス製造技術の課題

大面積フレキシブルデバイスへの期待

バッチ生産の限界
・半導体－Siウエハの限界（300mm？）
・液晶－ガラス板の限界（60インチ角）
ロール生産の限界
・ロール製造の困難性
・投資コストの高騰
基材球形化法の閉塞・ハンドリングの困難性
・加工の困難性

安心安全な生活・大面積情報表示（衣服、壁、窓）・ネットワーク通信機能環境、エネルギー・浄化、抗菌・発電（太陽電池、温度、振動）
医療、福祉
・身体センサ（健康、睡眠、疲労）・アクチュエータ（熱交換、インターフェイス）

製織（ウィービング）による繊維状基材大面積デバイス
・ 小型装置で加工、製織で大面積化
・ 高いフレキシブル性の実現
・ 異種機能の集積化

繊維状デバイスの高速連続製造工程【繊維状デバイスに求められる要素】
・高速かつ連続的な機能性薄膜形成・高速かつ連続的なパターン形成
・可動接点構造形成【基本プロセス】
・高速ダイコーティング技術
・連続インプリント技術
・連続露光プロセス・インクジェット
・中空基材内への構造形成

高速ダイコーティング技術
ダイコーティング
10Pressure in die [kPa]8

基材(W:5mm)とダイ乾燥

610m./min
20m/min450m/min210m/min (Calc)
20m/min (Calc)

050m/min (Calc)-201020304050

Gap between substrate and die [μm]

赤外線イメージ炉

溶液塗布解析モデル

塗布ヘッド内圧のギャップ依存性
→膜厚制御

表面改質

連続コーティング装置

プラズマヘッド概略

改質前後の濡れ性変化

高速ダイコーティング技術(2)
繊維状基材への被覆試作
PMMA絶縁膜：厚さ300nm

PEDOT被覆PET平線
PEDOT被覆ナイロン線（w:5mm×t:100μm）（φ165μm）

基材
形成薄膜の断面SEM画像

繊維状デバイスの試作
0.005

正孔注入層
(PEDOT：PSS)
基材(ITO被覆PET)|←5mm→|0.004
Current [A]有機半導体薄膜 電極(Al)(P3HT/PCBM)

0.003
0.002

Dark0.001

Light

0-0.5

-0.001 0-0.002

0.5
Voltrage [V]

試作した長尺有機太陽電池とI-V特性

ナノ機能薄膜の連続形成 長尺デバイスを実現

1

連続ナノインプリント技術

スライド式リールツー
リールインプリント装置

複合機（ローラーインプリント装置）

スライド式リールツーリールインプリント

Fibrous substrateLines / spaces

Plane molds

Dots

100μm

疑似MEMSパターン

100μm

１ & ２μｍ回折格子

Electrode pads

250 µm

繊維状基材用3次元露光プロセス
Continuous alignment process could beenabled by using the mode of steppingforwardly process.

Fig. Photograph of thecontinuousexposure
unit.

Yi. Zhang et al., Transducers 2011, Beijing
25

中空基材内パターン形成技術
 特徴

液相セル状構造

 中空繊維内部に規則的パターンを形成
 各種流体を封入可能

500µm

 応用：シート型ディスプレイなど

 プロセス概要
 マイクロ流路中で複数流体材料のパターン形成
 樹脂材料硬化によりパターンを固定
パターン形成中空ファイバー 材質：PET
内径：100µm 外径：360µm

硬化

機能性流体材料

紫外線照射

単分散混相流

紫外線
硬化性樹脂

中空基材
T型マイクロミキサー

中空基材

中空基材内パターン形成技術 (2) マイクロ流路によるパターン形成の制御・解析
PDMS流路（疎水・親水性）

混合部ぬれ性の影響評価
PDMS (hydrophilic)gas: 5.9 mm/s
liquid: 9.5 mm/s
ASi/glassgas: 5.3 mm/s
liquid: 11.7 mm/s

B

gas

gas
liquidliquidDry surface

A’

親水性PDMS流路（接触角ヒステリシス小）Liquid film

パターン形成過程にはぬれ性（接触角）に加え接触角ヒステリシスの影響が大シリコン・ガラス流路（親水性）

B’

親水性シリコン・ガラス流路（接触角ヒステリシス大）

ぬれ性を考慮した
T型流路3次元計算

多相プロセスCFDへのMulti-Phase-Fieldモデルの導入

対応する実験で得られた画像
スラグ破断直前の速度分布（円形断面T型流路）

三相系における界面張力の影響による相の変形

接点構造・配線技術
PET ribbon:
200 µm-thick,3 mm-width

1 mm

製織型大面積デバイス
Weft

Warp

Conductive
organic polymer• 基材上に可動カンチレバー構造の電気接点を形成
Contact point

折り曲げ時，電気接点部に間隙が発生• カンチレバー長さ1mmとすることで300 µmの間隙に対応• RtoRプロセスによる連続成形

接点構造・配線技術 (2)繰り返し接触による摩耗

通常の薄膜構造と，カンチレバー構造の様々な機械・電気特性を比較

著しい摩耗発生

荷重負荷に対する接触抵抗変化

接点構造無し(摩耗深さ:1.2×10-5mm/N⋅m)

500

赤線:
PEDOT:PSS膜

抵抗値 (kΩ)
抵抗(kΩ)

400
300

青線:
カンチレバー構造

200

ほぼ摩耗無し接点構造有り基材折り曲げ時の接触の安定性
3×3接点構造の模擬シートデバイスを作製し，接点の安定性を確認

10000.00.1

0.30.2
荷重 (N)
荷重(N)

0.4

カンチレバー構造により，薄膜構造の1/3の荷重(0.05N)
で安定的に接触

0.5

接触不良
良好な接触
接点構造無し接点構造有り製織集積化技術によるメートル級
大面積センサシートの試作
大面積タッチセンサの構造

アプリケーション：
位置検出フロアセンサ
介護用ベッドセンサ

位置決め，摩擦低減自動織機

構造：有機導電膜と紫外線硬化樹脂をコーティングした糸による布

静電容量型検出原理
人体の導電性利用

iPhone などと同様に指と糸の間の静電容量変化

布構造，静電容量型タッチセンサを位置決め，摩擦低減機能付き自動織機を開発することで製織可能に

センサ布の製織とウェアラブルキーボード化
メートル級センサ布

布状キーボード

Wordに入力

センサ糸制御回路

5 cm

センサ布

USBでPCと接続し，VBでWordに入力

静電容量組み込み
マイコンと接続

応答検出
静電容量

キーボードシステム図

時間

センサ糸の長さ•指入力で2pF程度の容量変化•センサ糸が長いほど抵抗で感度低下

メートル級センサを製織し，組み込みマイコンと接続し，ウェアラブルキーボードを実現

今後の課題

大面積多機能センサシートの実現

多機能センサシート

メートル級センサシート

メートル級発電ファイバー
Insulator

Wire
Arbitrary device

フレキシブルディスプレイ

Functional cableContact structures

可動接点
圧電超音波シート非真空高品位ナノ機能膜
大面積形成プロセス技術の開発～ まとめ ～
（１）機能薄膜連続被覆
 前後処理プロセスの適正化、低粘度溶液の安定供給、ダイの構造変更⇒有機半導体、圧電体、導体、絶縁体についてそれぞれ10 m/minでの連続形成を実現（２）連続微細加工
 熱ローラーインプリント機構と光リソグラフィー機構を有する複合型リール
ツーリールプロセス装置を開発⇒送り速度5 m/minでの熱ローラーインプリントを実現（３）製織集積化
接点構造としての有機導電膜（PEDOT：PSS）カンチレバー構造⇒良好な摩耗特性
異種繊維状基材を製織する自動織機（ウィービング装置）を試作⇒横幅1.2m長さ3 mのシート型タッチセンサを試作