2012.7.13

BEANS：加工寸法や材料を超えた異機能集積プロセス技術

BEANSプロジェクト サブリーダー
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

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MEMS は身の回りに広く応用されているマイクロマシンプロジェクト(1990)から• 車の中20年余、ようやく広く商品化• カメラ• 携帯電話、スマートフォン• TV ゲームのコントローラ• ビデオプロジェクター
Nitendo WiiTM controller• プリンター• 光通信ネットワーク• PC• ロボットApplei-Phone

Honda Asimo

Digital Light ProcessingTM
Texas Instrument

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実用化段階での重要課題• 早く容易な設計・解析• 集積化：電子回路• 産業レベルでの生産• 標準化• 検査法試験法• 異分野企業協力

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実用化段階での重要課題• 早く容易な設計・解析  MemsONE設計ソフト• 集積化：電子回路
 ファインMEMS• 産業レベルでの生産  MEMSファンドリー
• 標準化
 各種標準化活動• 検査法試験法
 （検査法・試験法標準化）• 異分野企業協力

 グリーンセンサネットワーク

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NEDO MEMSプロジェクト• MEMSファンドリーPJ (FY15-FY17)– 光MEMS、センサMEMS、RF MEMS

• MemsONE（設計解析ソフト）PJ (FY16-FY18)– プロセスシミュレータ、電気・機械解析ソフト、知識データベース• 集積化MEMS PJ (FY18-FY20)– MEMS回路集積、MEMSナノ材料集積、MEMSMEMS集積• グリンセンサ・ネットワーク PJ (FY23-26)– 無線通信、自立電源、ユーザー企業と実証2012.7.13

NEDO MEMSプロジェクト• MEMSファンドリーPJ (FY15-FY17)– 光MEMS、センサMEMS、RF MEMS

• MemsONE（設計解析ソフト）PJ (FY16-FY18)– プロセスシミュレータ、電気・機械解析ソフト、知識データベース
MEMS産業のインフラ整備• 集積化MEMS PJ (FY18-FY20)– MEMS回路集積、MEMSナノ材料集積、MEMSMEMS集積• グリンセンサ・ネットワーク PJ (FY23-26)– 無線通信、自立電源、ユーザー企業と実証2012.7.13

NEDO MEMSプロジェクト• MEMSファンドリーPJ (FY15-FY17)– 光MEMS、センサMEMS、RF MEMS

• MemsONE（設計解析ソフト）PJ (FY16-FY18)– プロセスシミュレータ、電気・機械解析ソフト、知識データベース
MEMS技術の高度化• 集積化MEMS PJ (FY18-FY20)– MEMS回路集積、MEMSナノ材料集積、MEMSMEMS集積• グリンセンサ・ネットワーク PJ (FY23-26)– 無線通信、自立電源、ユーザー企業と実証2012.7.13

MEMS産業の発展を支える技術開発プロジェクトの展開

MEMSフロンティア

次世代MEMS産業（高度化MEMS産業）
展

M

SM
E

MEMS産業
・精密機器メーカー
・センサーメーカー
・装置メーカー、etc

基盤技術の開発
マイクロマシン技術プロジェクト（１９９１－２０００）

産業の発・既存MEMS メーカー
・半導体メーカー・ベンチャー企業

次世代MEMSへの飛躍：第１ステップ

高集積複合MEMS製造技術プロジェクト（２００６－２００８）

MEMS
ファンドリービジネス・ファンドリー企業
・MEMSファンドリ
サービスネットワーク

製造インフラの強化

MEMSプロジェクト（２００３－２００５）

MEMS設計解析ソフトビジネス
・ソフトベンダー

ソフトインフラの強化

MEMS-ONEプロジェクト（２００４－２００６）

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では、この次は何?
異機能集積次世代デバイス
MEMS と ナノ・バイオ技術の融合
マイクロデバイスを大面積へちりばめる世界を主導するコンセプトの樹立

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第3世代のプロジェクト

ＢＥＡＮＳ研究所

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ＢＥＡＮＳプロジェクトの概要
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

http://www.beanspj.org/

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トップダウンとボトムアップの技術融合
ナノからマクロまでの異スケール融合
110

100nm 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

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BEANSにおける異分野融合• ナノからメートルまで異なったスケールを融合• バイオから半導体まで異なった材料を融合• ボトムアップからトップダウンまで異なったプロセスを融合

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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

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

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埋め込み可能血糖値センサの例
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
体内埋め込み素子

位置づけ
バイオ融合
新規機能
血糖に応答
炎症低減

実用例
埋め込み可能血糖値センサ

個別テーマ
プロセス開発 要求性能
原理追求 連続三か月
測定精度

応用分野の
特定
低侵襲連続血糖値監視

応用デバイス

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1.2 m

MEMS感圧シートを織り上げた

S.Takamatsu, T. Itoh, et al: DTIP-2011

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MEMS感圧シートの例
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
織物
MEMS

実用例
感圧シート

位置づけ
大面積柔軟

新規構造
絶縁電極膜付き
ファイバー

個別テーマ
プロセス開発
要求性能
原理追求 面的な圧力検出

応用分野の
特定
不審者監視
床擦れ防止

応用デバイス

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BEANSにおける異分野融合• ナノからメートルまで異なったスケールを融合• バイオから半導体まで異なった材料を融合• ボトムアップからトップダウンまで異なったプロセスを融合• Beansでは、三つの融合の系統的な研究を通じて、各個の具体的な研究成果を元に異分野融合プロセスの体系を確立する

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線状基材マイクロ加工と織布• 線の表面にマイクロ加工してそれを織ることで布地のように柔らかい、広い面積のデバイスを作る– 異スケール：ミクロの構造を持ったｍ級の大面積デバイス– 異プロセス：繊維上への型押し、紡織– 異材料：高分子繊維＋導電性高分子
WeftWarp

MICROMACHINE

Lines / spaces

DotsContact

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DRIE深溝内への整列ナノ粒子付加• 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– 異スケール：ミクロ構造、サブミクロン粒子– 異プロセス：MEMS加工と自己組織化– 異材料：Ptナノ粒子を取り込みガスセンサに応用予定

300nm
シリカ粒子

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MEMSに生体分子モータを組込むナノ搬送• ガラスの表面に微小管を付加し、その上でSiマイクロ構造をキネシン分子の力で動かした– 異スケール：ミクロの構造とナノのモータ分子– 異プロセス：半導体加工、バイオアッセイ– 異材料：シリコン、ガラス、タンパク質
MEMS
キネシン(モータ)x 10 速ー微小管(レール)＋

これは、藤田博之研究室オリジナル
R.Yokogawa, H. Fujita, et al: Nanotech. 2006

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BEANS研究体制

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ライフBEANSセンター• 細胞や生体分子をMEMSと融合– 異スケール：ミクロ構造、細胞(μm)、分子(nm)– 異プロセス：細胞培養、バイオアッセイ、微細加工– 異材料：ガラス、高分子、ゲル、細胞、タンパク質• 応用：血糖値モニタ、薬剤スクリーニング、超高感度バイオセンサ

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ライフBEANSセンター九州• 有機材料をMEMSと融合– 異スケール：ナノ構造、ミリ構造– 異プロセス：分子合成、結晶化、自己組織化（分子配向）、微細加工– 異材料：有機分子、プラスチック、酸化物、C60• 応用：有機太陽電池、有機EL、熱電変換素子

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3D BEANSセンター• ナノ構造とMEMSの融合– 異スケール：ミクロ構造、ナノ構造・ナノ粒子、CNT– 異プロセス：レーザ改質、自己組織化、半導体加工（中性粒子無損傷エッチング、超臨界流体成膜）、選択的分子結合（接着ペプチド）– 異材料：半導体、金属、高分子、ナノカーボン• 応用：ガスセンサ、ナノ流体デバイスのバイオ
応用、プローブリソグラフィー、超高容量キャパシタ2012.7.13

マクロBEANSセンター• 大面積MEMSの連続製造– 異スケール：ミクロ構造、メートル級シート・フィルム– 異プロセス：型押し、ダイコート、大気開放系成膜、印刷、紡織– 異材料：半導体、金属、高分子• 応用：太陽電池シート、スマート衣服、布状セン
サ2012.7.13

異機能集積化プロセス
異機能集積システム

異機能集積化技術

柔軟デバイス
印刷
紡績

機能分子
合成化学

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シリコン技術化合物半導体技術
光集積技術

運動機能素子マイクロマシーニング

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異機能集積システム

1.2 m

異機能集積化プロセス
異機能集積化BEANS技術
機能分子
合成化学

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シリコン技術化合物半導体技術
光集積技術

柔軟デバイス
印刷
紡績

運動機能素子マイクロマシーニング

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まとめ• 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。
• 上記のコンセプトに基づき、それを具現化する研究成果が得られている

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謝辞• 経済産業省• 文部科学省• NEDO• JST• マイクロマシンセンター• JSPS• 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）