2011.7.14

ナノからマイクロまでをつなぐ
異機能集積プロセス技術- ライフ＆グリーンイノベーションを目指して-

東京大学生産技術研究所
マイクロナノメカトロニクス国際研究センター
藤田博之

現在MEMSは日常の様々ところに浸透
将来はさらに広範囲に利用される• In your car• In your camera• In your cellular phone• In your TV game controller• In your video projector• In your printer• In your computer• In your (?) robot
Apple
ipod touch

2011.7.14

Nitendo WiiTM controller

Digital Light ProcessingTM
Texas Instrument

Generations of Technology Development

MEMS技術の発展過程と市場拡大

More than Moore approach

US$10.0B (‘10)

2nd Generation:

Integrated MEMS system

Multifunction devices-Miniaturization-High performance-High reliability

US$4.0B (‘05)

1st Generation:

Individual MEMS devices

Single-function MEMS devices:
Pressure Sensor, Accelerometer,
Scanner, Inkjet Head
Bulk-micro machining, Surface micromachining

２００５２０１０Integrated MEMS
-Multi-Functional System-on-Chip-System-in Package(SIP) MEMS
- Combination with Nano Function

２０１５

MEMS devices being developedby utilizing micromachining
and semiconductor process

２０２０２０２５

2011.7.14

2011.7.14

では、この次は何?

MEMS と ナノ・バイオ技術の融合トップダウンとボトムアップの技術融合

2011.7.14

ナノからマクロまでの異スケール融合
110100nm 110100μm 1

ナノ粒子、ナノチューブ
トップダウンアプローチ

有機分子、超分子ボトムアップアプローチバイオ分子、細胞紡績技術

ナノインプリンティング

印刷技術

MEMS技術10 mm

2011.7.14

トップダウン手法とボトムアップ手法の融合（第１ステップ）• マイクロマシン技術でナノ世界を解明する。ナノバイオ技術、ひいては環境、医療、安心・安全の進歩に貢献する。

トップダウン技術

MEMS
VLSI

観測ツール

ボトムアップ技術

バイオ・ナノ技術

2011.7.14

トップダウン手法とボトムアップ手法の融合（第２ステップ）• ナノ技術が提供する機能（素子）をMEMSや集積回路に取り込む。

トップダウン技術

MEMS
VLSI

観測ツール

ボトムアップ技術

バイオ・ナノ技術

機能ナノやバイオの機能エレメント

2011.7.14

CNT

Bio molecular motor
Quantum dot
DNA origami

2011.7.14

MEMS ピンセットによる微小管・キネシン
生体分子モータ系の再構成

2010/11/26

2011.7.14

生体分子モータによる分子輸送• 細胞内の物質輸送システムをまねナノ粒子に捕獲した標的分子を直接運ぶ

神経細胞
神経軸索 神+ 経－
末微小管端

微小管・キネシン系分子モータ利用

キネシン•レールを一方向にそろえて敷く
微小管には＋端とー端があり、キネシンは＋端に向かって動く•特定の荷物（標的とする分子）だ
けを選択的に運ぶ•止めたり、動かしたり制御する

MEMS
キネシン(モータ)

ー＋微小管 (レール)2011.7.14

ナノ機能融合システム
マイクロマシン
ナノシステム

目標分子を捕獲して望みの場所に搬送する操作
バイオ・ナノ技術

機能生体分子モータの抽出
ナノピンセットでMEMSへ組込ナノ物体を水中で搬送するデバイス

2011.7.14

微小管の捕獲・配置によるナノレール構築(1) 単一微小管の分離と捕獲
Nano tweezers①②
MT solution

microstructure
microtubule

PLL solution
Coating tweezers tips with PLL

A single MT bridging over a gap wascaptured by tweezers

M.C. Tarhan, et al. Micro TAS-09

12

2011.7.14微小管の捕獲・配置によるナノレール構築(2) 微小管ネットワークの組み立て
Nano tweezers③④Kinesin coated bead

PLL coated surface

Relocate MT’s on docking zone

Conveyance of beads by kinesin on MT
M.C. Tarhan, et al. Micro TAS-09

単一微小管をMEMSピンセットで捕獲
先端

2011.7.14

橋掛かりした微小管をMEMSピンセットで捕獲（先端にポリLリジンをつけて接着）架橋した
微小管

捕獲した
微小管
先端

M.C. Tarhan, et al. Micro TAS-09

2011.7.14

微小管ネットワークの組み立て捕獲した微小管をチップ上に配置（緑色はポリLリジン膜）• Poly-L-Lysine coating of the docking zone
• Assembling a network by repeating picking & placing of microtubules

M.C. Tarhan, et al. Micro TAS-09

15

2011.7.14

微小管上でのマイクロビーズの動き
M.C. Tarhan, et al. Micro TAS-09

ATPを導入すると配置した微小管上で、キネシンを付けたビーズ（径 0.3 mm）が動く。
「交差点」での動きに注意！

ピック＆プレース操作で微小管をマイクロ流路に組み込める

2011.7.14

2011.7.14

ビーズ表面には選択的に分子を付加可能
M. C. Tarhan, et al. IEEE MEMS-2006

2011.7.14

将来の夢-生体分子輸送を利用した一分子バイオアッセイ

microchannel

kinesin coatedbead capturing
target enzyme

fL chamber w/
substrate solution

oriented MT innano channel

2011.7.14

MEMSとバイオ・ナノ材料の融合
BEANS異分野
融合システムトップダウン技術で全体を一括集積加工
駆動・検出素子、反応容器
配線、エネルギー供給
抗体、酵素、レセプター
量子構造、ナノ粒子

化学合成、バイオ反応、気層・液層成長半導体技術、印刷技術

配置、結合、構造化

機能性分子・ナノ構造（例えば、たんぱく質、有機分子、CNT）

MEMSの中で自己組織化

2011.7.14

自己組織化の利用• ナノパターン形成に自己組織化を利用（数十ナノメートルの規則的なナノパターン）– 陽極酸化時にできるナノ多孔質– 蒸着によるポリマーのナノドット– ブロックコポリマーの結晶構造

孔径： 60nm• 自己組織化手法とマイクロ加工とを融合する– ナノ粒子の自己組織化配列を用い、ミクロの深溝の側面に規則的かつ稠密な単層ナノ粒子膜を得た。
M.Abasaki, M.Sugiyama, et al: IEEE MEMS-2011

径： 40nm2011.7.14

DNA分子束上に量子ドットを整列して自己組織化

2010/11/26

DNA上の量子ドット整列のTEM観察++++++ZnO+++++－ +－+++ +++++++ +－++++++++++++ +++++++ －－－－

2011.7.14

Hydrophobic
repulsion+++++－+Electrostatic
attraction+－－

100nm
Mono disperse QD are well aligned on a DNA bundle
23T.Yatsui, H.Fujita, et al: APL 2010

DNA分子に付加した量子ドットの蛍光観察
λ DNA and ZnO-QD mixture@50℃, 2hCover slip

2011.7.14

Fluorescent viewx100 objective lens

16.4μm

Combing ofDNA bundles

APS glass
DNA-QD solution

DNA bundles
are alignedDNA bundles are extended
in the same direction
24T.Yatsui, H.Fujita, et al: APL 2010

フォトルミネッセンスの偏光角依存性

Eex =90=0EexZnO
QDs

2011.7.14

Eex



PL intensity (a.u.)

@RT

=0

=90Intensity (a.u.)

1601208040Cos@350nm0-600335 340 345 350 355 360 365 370

Wavelength (nm) T.Yatsui, H.Fujita, et al: APL 2010

60120Angle 18024025

2011.7.14

DNA分子束状へのパラジウムナノ粒子の付加
DNA bundle

10 μｍ

Nano dots
attached

４級ｱﾝﾑﾆｳﾑ基+ + + +++++++－ ++Pd Particle

蛍光色素やナノ粒子－+ ++++++++ +－+ + ++ +－－+++++++++ +++ + +－+－ +－－+++++－

Electrostatic attachment of
dots on DNA molecular bundle

3nm

2011.7.14

ハードディスク用メディアのパターン化に用いるブロックコポリマーの自己組織化

2010/11/26© 2008 Hitachi Global Storage Technologies

パターン化メディアでは、磁気記録用ビットの形が予め決めてあり高密度記録ができる

2011.7.14

ブロックコポリマーの自己組織化による円筒形ナノパターン形成

A) SEM micrograph of a Polystyrene-b-methyl methacrilate(PS-b-PMMA) block copolymer. B) Cartoon representation of
the block copolymer fi lm with PMMA
© 2008 Hitachi Global Storage Technologies

2011.7.14

2011.7.14

予めフォトリソで形成した化学パターンを手掛かりに自己組織化を誘導(A) Electron beam lithography
patterns at Ls=Lo (left) and
Ls=2Lo (right). (B) Chemical
contrast on the substrate afterO2 plasma exposure on the ebeam defi ned spots above.
(C) Block copolymer thin fi lm.
(D) Guided self-assembly inregistration with the underlying
chemical pattern.

© 2008 Hitachi Global Storage Technologies

2011.7.14© 2008 Hitachi Global Storage Technologies

2011.7.14

MEMSでバイオの自己組織化を誘導• 細胞の増殖と自己組織化能力を、トップダウン手法で制御して秩序ある三次元組織を作る研究に注力• ゲルのビーズやファイバーに閉じ込めた異なる種類の細胞を、立体的に配置した後に培養– 肝臓では多数の肝臓細胞の中に胆管が走る。これを模擬した組織を構築– 培養組織内での毛細血管の形成にトライ
肝組織構造

薬物代謝物

肝細胞
コラーゲンゲルコラーゲンゲル

胆管酸素透過膜2011.7.14

MEMS構造で肝細胞の胆管形成を助長– 肝臓では多数の肝臓細胞の中に胆管が走る。これを模擬した組織を構築

胆細胞の塊の中央に大きな胆管ができた

マイクロ容器を形成したゲル
100μm
H. Matsui, S. Takeuchi, Y. Sakai , et al. microTAS 2010

2011.7.14

トップダウン手法とボトムアップ手法の融合（最終ステップ）• スケールや材料を超えたボトムアップ技術とトップダウン技術の融合で真のナノシステムを創製する。
MEMS
VLSI

観測ツール
バイオ・ナノ技術

機能ナノシステム2011.7.14

異機能集積化プロセスプラットフォーム

METI/NEDOの支援によるBEANSプロジェクト

2010/11/26

MEMS技術の発展過程と市場拡大

ＢＥＡＮＳ研究所
36

2011.7.14

2011.7.14

ＢＥＡＮＳプロジェクトの概要
http://www.beanspj.org/

マイクロマシン
MEMS技術ライフイノベーション

ナノ加工グリーンイノベーション

製糸・紡績
印刷技術

バイオ材料
有機材料

プロセス融合スケール融合材料融合

産業の再生

社会問題の解決2011.7.14

ライフ・イノベーション• ハイスループットスクリーニングによる創薬• 再生医療、組織工学• マイクロ流体チップを用いた人工授精• 分子診断• 生体埋め込みセンサ• 4D BEANSプロセスによるバイオ融合チップ

埋め込み可能血糖値センサ
Takeuchi Labs at IIS, U-Tokyo and Terumo Co.

2011.7.14

黒毛和牛の人工授精を目指すマイクロ流体チップ 2011.7.14
Sakai-Fujii-Takeuchi Labs at IIS, U-Tokyo, DNP and National Livestock Breeding Center

Embryo culture in the channel
0 hrs
24 hrsEmbryo culture device

1 cell stage

2 cell stage

72 hrs96 hrs

Mouseembryo

50 mm
MorulaEmbryo collection by electrolysis
0 msec Bubbling
100 msec
Chamber

Electrodes

200 msec

Blastocyst

300 msec
Go to outlet
100 mm2011.7.14

普通の牛が神戸牛を生む
Embryo of Kobe-Beef cattle

2011.7.14

脳マシンインタフェース用脳神経培養チップ（構想）
素子の時間発展を含む４次元加工

Cultured neurons
connecting tothe brain
Detection
chip
100 umCultured neuron cells elongate axons
along micro patterns on a chip

Prospected BMI

2011.7.14

グリーンイノベーション• 大面積に薄膜を形成する省エネルギープロセス技術• ナノスケールの摩擦解明• 織物MEMSによる環境発電• 有機分子の自己組織化ナノ構造で太陽電池や有機EL発光素子の効率向上• 極低電力エレクトロニクスへのMEMSの応用

マイクロマシンの摩耗は大問題

2011.7.14

K. Gabriel, et al. Sensors and Actuators (1990)

(b)

(a)
(c)
SEM photographs showing (a) the worn out micro turbine after operation (b)the under side of a turbine before operation and (c) after spinning at 2500 rps
for 5 min. Each white horizontal dash is 10 μm wide2011.7.14

摩擦の原因は、多数の真実接触点のせん断破壊
個々のナノ接触点で生じる現象を知る必要がある
Normal force
Drivingforce

Real contact point

MEMS-in-TEM 実験系

2011.7.14

Vactuator
A
50 nm

IbridgeVbridge10-8 Pa

MEMS opposing
tip device
500mm
46

銀のナノ接合のせん断破壊

2011.7.14

For Ag nano junction, the maximum shearing force was 10 nN. Shearing
force at the fracture was 7 nN with the displacement of 5 nm.

loading speed:
0.5 nm s-1

T. Sato, et al: Jour. Phys. (2011)繊維状基材への薄膜コーティング
Controlling film thickness
PDie

Fiber-type
substrate

Thin film

Control the film thickness withfeedback of the pressure in the die

Roll-to-Roll process

Al
P3HT/PCBMPEDOTFilm (t: 300nm)

ITO/PET
Substrate

Fiber Organic Solar Cell
N. Shibayama, T. Itoh, et al: ICEP2011

2011.7.14

縦糸横糸の交点に電気接点を形成
Weft2011.7.14

WarpSpring contact structureusing conductive polymer

Conductiveorganic polymer

Contact pointPET ribbon:
200µm-thick,
3 mm-width

Gap generation whilebending the woven textile

S.Khumpuang, T.Itoh, et al: IEEE MEMS-2011

1 mm

MEMSシートを織り上げた

1.2 m

Linear actuator for wefts
reduces destructive friction
between wefts and warps

S.Takamatsu, T. Itoh, et al: DTIP-20112011.7.14

異機能集積化プロセス

2011.7.14

異機能集積システム

異機能集積化BEANS技術

印刷
紡績

機能分子
合成化学

柔軟デバイス

バイオ化学
機能素子
マイクロ
流体技術

ナノ機能素子

ナノ技術

光学機能素子電子機能素子運動機能素子シリコン技術マイクロ
マシーニング

化合物半導体技術
光集積技術

2011.7.14

Grand Question
BEANSとは何か？

それは何を意味するか？

（全体像、将来目標）（応用、デバイスイメージ）

具体例

位置づけ方向性

実用例

応用分野の特定

新規機能、構造個別テーマ
プロセス開発原理追求

応用デバイス
要求性能

まとめ

2011.7.14• MEMS 技術は成熟し、実用化段階に入った• MEMSをナノテク、バイオ技術、印刷、紡績などと組み合わせ異機能集積プロセスにする– トップダウン技術とボトムアップ技術の融合– 自己組織化の活用– スケール、材料、プロセスを超える異分野融合• BEANSプロジェクトはこの端緒となる試み• ライフ、グリーンイノベーションに向け成果が得られている

2011.7.14

謝辞• 文部科学省• 経済産業省• JST• NEDO• JSPS• マイクロマシンセンター• GCOEプログラム• BEANS研究組合• フランス科学研究センター• 産業競争力懇談会（COCN）

In collaboration with2011.7.14• Professors affiliated with CIRMM– Hideki Kawakatsu, Hiroshi Toshiyoshi, Dominique Collard, Teruo Fujii, B. J.
Kim, Shoji Takeuchi, Yasuhiko Arakawa, Alan Bossebeouf, Yasuyuki Sakai,
A.-M. Tixier, Y. Rondelez• Prof. Teruyasu Mizoguchi, Prof. Masao Washizu , Prof. T. Yatsui• Students, post-Docs and visiting scientists– Dr. Momoko Kumemura, Dr. M.C. Tarhan, Dr. H. Sakaki, Dr. C. Yamahata,
Dr. C. Bottier– Dr. T. Ishida, Dr. L. Jalabert, Mr. T. Sato, Mr. S. Nabeya, Ms. M. Sato

• Japanese partners– Prof. Yonezawa (Hokkaido Univ.) and his group– Prof. Naruo Sasaki (Seikei Univ.) and his group– Prof. Gen Hashiguchi (Shizuoka Univ.) and his group– Prof. Ryuji Yokokawa (Kyoto Univ.) and his group• Global partner– Prof. Fabrizio Cleri (CNRS), Prof. Karl Boehringer (U. Washington)• And many others…