車載 MEMS センサ用機能性材料膜の形成
神保武人＊1・露木達朗＊2・小林宏樹＊1, 2Manufacturing Technology of Functional Material Films for Automotive MEMS SensorTakehito JIMBO＊1, Tatsuro TSUYUKI＊2 and Hiroki KOBAYASHI＊1, 2＊1

Institute of Semiconductor and Electronics Technologies, ULVAC, Inc., 1220-1 Suyama, Susono, Shizuoka 410-1231, Japan＊2

Advanced Electronics Equipment Division, ULVAC, Inc., 2500 Hagisono, Chigasaki, Kanagawa 253-8543, Japan

In this chapter, the MEMS sensor for automotive application and related functional material ﬁlms,
whose deposition technologies we develop, will be described.
Performance of automobile was improved by the control system, enabling lower fuel consumption,higher safety and so on. MEMS sensor is essential for controlling systems as it can detect environmental
changes and feedback the information to the system. Importance of automotive MEMS sensor is getting
higher for the realization of a next-generation automobile such as an autonomous car, electric vehicle
and so on. Realization of the MEMS sensor with a new function is expected by applying a variety offunctional materials. More speciﬁcally, functional material ﬁlms, PZT and VOx ﬁlms which aredeveloped by authors are introduced. Both ﬁlms are deposited by the sputtering method and ﬁlms withexcellent performances can be obtained by unique sputtering and process technologies.

1.

はじめに

これにより，小型でありながら，高性能で高信頼性のセンサの作製が可能となり，また，様々な改良によっ

世界の自動車産業は 2.3 兆ドル規模（2017 年）であり，今後，年平均成長率 2.7% ほどで成長が続くとみられて高温等の過酷環境下でも使用可能なセンサが実用化されてきた 6）。ている。その中で，車載エレクトロニクスは，年平均車載センサとしては，圧力，Tire Pressure Monitoring

成長率 7% の 1420 億ドル規模，そのうち車載センサはSystem（タイヤ空気圧監視システム，TPMS），化学，同 13% の 110 億ドル規模と見られており

慣性，磁気，超音波，画像，レーダー，Light Detection，車載セ1, 2）

and Ranging / Laser Imaging Detection and Ranging

ンサの期待値が大きいことが伺える。
自動車の進化を支えるものに制御システムの高性能（LiDAR）7）などの MEMS およびアクティブセンサな化が挙げられる。制御システムにより，低燃費，低エどが中心となっている。自動車メーカーはモビリティ

ミッション，安全性，快適性，利便性などが実現，付社会の発展と地球環境維持を両立するため，自動運転

加 さ れ て き た。制 御 シ ス テ ム は Electronic Control

車および電気自動車（Electric Vehicle, EV）8）などのUnit（ECU），セ ン サ，ア ク チ ュ エ ー タ で 構 成 さ れ，次世代自動車の技術開発を積極的に行っている 9）。運センサは自動車の環境面，安全面における制御に不可転の自動化は，カメラ，レーザー，LiDAR などのイメー欠な役割を果たしている。センサの搭載数は年々増えジングおよび検出センサの開発を促進し，電動化は蓄ており，車種によるが 100 個を超えるセンサが搭載さ電池管理のための電流センサと熱センサの開発を促進れているとのことである。

する。中でも，イメージング，レーザーおよび LiDAR

センサ自体も変化してきており，従来はメカニカルのような高付加価値のセンサモジュールの統合化に向3, 4）式のものが主流であったが，Micro Electro Mechanical

けた試みが急拡大している 10）。

Systems（MEMS）技術が使われるようになり，高精度に計測できるようになった 3）。MEMS は，マイクロメートル単位の微小な機械部品やセンサ，電子回路などを組み合わせた複合的な電子部品であり，微車載 MEMS センサの応用製品
本項では車載 MEMS センサを応用した最新の自動細加工技術により基板上に作り込んで製造する 。

車用技術について，いくつかの事例を紹介する。

（株）アルバック 半導体電子技術研究所（〒410-1231 静岡県裾野市須山 1220-1）＊2（株）アルバック 電子機器事業部（〒253-8543 神奈川県茅ケ崎市萩園 2500）

2.15）

＊1

1

2.

TE C HNI CAL JOUR NAL

LiDAR 11, 12）

LiDAR は，光を使って物体検知や対象物までの距離を計測するものである。レーザー光を照射し，それがFig.1

Schematic drawing of LiDAR and its
operation. LiDAR is mainly composed ofLaser, MEMS mirror and detector.
Piezo-MEMS is used because of the demand
for a smaller and high-performance system.

物体に当たって跳ね返ってくるまでの時間を計測し，

Fig.2

2.3

Schematic drawing of uncooled infraredbolometer array. Vanadium oxide has
attracted attention for realizing of higherperformance system.

Intelligent Headlight 15）

物体までの距離や方向を測定できる。3 次元（3D）観Intelligent Headlight は，基本性能としては自動車測が可能で，電波よりもはるかに精密に，物体の存在の前照灯（ヘッドライト）の機能を持つ。Intelligent

する角度や形状を検知できる。

Headlight が従来の前照灯と異なる点は，外部の情報

Fig.1 に示すように、LiDAR は，レーザー光源とレーを得るためのセンサ（カメラやレーダー，LiDAR）とザー光を走査するための MEMS ミラーから成り立っ連携し，対向車を避けて光を照射できたり，障害物（動ている。この MEMS ミラーには，小型化と高性能化物など）に焦点を当てて照射したりすることができるへの要求から圧電 MEMS 技術が使われている。圧電ことである。

材料であるチタン酸ジルコン酸鉛（PbZrxTi1-xO3, PZT）

本デバイスも LiDAR や Head-up display 同様に，レーは，他の材料と比較して，同じ電圧を印加させた時にザー光を走査するために，MEMS ミラーが用いられて大きな振動を発生させることができるため，駆動するいる。

ための機能性膜として採用されている。
2.4
2.2

Head-up display 13, 14）

Night Vision 16, 17)

Night Vision は暗視装置と同義であり，赤外線やマ

Head-up display（HUD）は，情報を液晶パネルなどイクロ波など，可視光線範囲外の電磁波により暗闇のに表示し，それをミラーに反射させて，虚像としてフ中の物を見る撮像装置である。赤外線センサ（Infra-red

ロントウィンドウに映し出すというものである。HUD‒, IR -）は，Night vison，すなわち，暗い夜中での可を 応 用 し た 拡 張 現 実 ナ ビ ゲ ー シ ョ ン（Augmented視化を実現するため重要なセンサである。赤外線センReality ‒, AR -）は，車外前方の交通状況の光景を仮

サは，対象物の熱を感知できるため，暗い夜中でも障想情報（拡張）で補完することができるため，運転の害物（熱源のある動物など）を可視化できる。

安全性を高めることができる。ドライバーは，安全に非冷却型赤外線ボロメータアレイ（Fig.2）は，これ運転するために必要な情報を目の前のディスプレイまで冷却赤外線光子検出器でしか可能でなかった性能から得られるため，ドライバーの気が散ったり知覚レベルに達しており，サーモグラフィ，消防，運転者に過度な負荷がかかったりするのを防ぐ役割を果たの暗視，セキュリティおよび監視などの用途で使用している。

される低コストの赤外線撮像システムに適した技術

本デバイスにおいても，LiDAR と同様に，レーと な っ て い る 18）。従 来 の ア モ ル フ ァ ス シ リ コ ン

ザー光を走査するため，MEMS ミラーが用いられ（Amorphous Silicon, a-Si）を用いた技術があるが，近ている。

年，高性能化を実現するため新材料である酸化バナジ
Sept ember/2019 No. 83

2

3.1

圧電 MEMS 用 PZT 膜の形成 20,21)

2 項で言及したように，LiDAR 等に応用されている
MEMS ミラーでは圧電 MEMS 技術が使われている。
低い駆動電圧で大きな駆動力を得るため，高い圧電定数を持つこと、過酷環境下での長期信頼性を有する
PZT 膜が求められている。
筆者らは PZT 膜をスパッタリング法によって形成している。成膜装置として，同膜の形成に最適化され
Fig.3

Multi Chamber type Sputtering System“ S M E - 2 0 0 ”™ ( A d v a n c e d E l e c t r o n i c s
Equipment Division).

た専用のスパッタリングモジュールを備えたマルチチャンバ型スパッタリング装置「SME-200」™（電子機器事業部）（Fig.3）を用いている。PZT セラミックターゲット（マテリアル事業部）を用いて RF マグネトロ
ンスパッタリング法により PZT 膜を形成している。

ウ ム（Vanadium Oxide, VOx）が 注 目 さ れ て い る。

プロセスガスとしてはアルゴン（Ar）と酸素（O2）のVOx は，熱により抵抗が変化する。その抵抗変化が大混 合 ガ ス を 用 い て い る。PZT 膜 の 膜 厚 は，圧 電きく，直線性が高いため，従来のアモルファスシルコMEMS 用途において 0.5 ～ 3.0 µm である。基板は白ンを用いた赤外線センサに比べてノイズを低減するこ金（Pt）薄膜を下部電極として形成した Si 基板を採用とができるしている。Pt 薄膜は（111）優先配向であるが，バッファ。

19）層を含む PZT の成膜プロセス条件の改善により，基3.

車載 MEMS センサ用機能性材料膜の形成技術
本項では車載 MEMS センサの製造に寄与する当社の技術，中でも筆者らが手掛ける機能性酸化物膜の形成技術及びそれら材料膜の性能について述べる。

Fig.4

3TE C HNICAL JOU R NA L

板温度 500℃以下の低温形成と c 軸，すなわち（001）優先配向を達成している（Fig.4（a）（b））。なお，本製法による PZT 膜は圧電性の発現のための分極処理（ポーリング処理）を必要としない。
PZT 膜の駆動性能を示す圧電特性を測定するために，30 mm x 3 mm のカンチレバー（片持ち梁）を作

XRD Pattern of PZT ﬁlm.
(a) a and c-axis oriented PZT ﬁlms can be obtained onto Pt(111) ﬁlm in both cases.
(b) c-axis oriented PZT can be obtained at substrate temperature below 500℃ by the novel process.

Fig.5

Fig.6

TCR measurement result of VOx(thickness: 50 nm)

Fig.7

Film deposition reliability test by shortrunning with 25 wafers.

Improvement of dielectric breakdown
strength of PZT ﬁlm.

製した。レーザードップラー振動計とレーザー干渉計を用いて分極と変位を同時に観察した。カンチレ
バーの変位を確認することで PZT 膜の圧電特性を確認した。膜厚 2.0 µm の PZT 膜において，従来法の成膜プロセスにおいても -14.7 C/m2 と比較的大きな圧電係数（ e 31）を得られているが，プロセス改善により，-15.5 C/m 2 と更に高い特性を得ることに成功している。当社の PZT 膜の特長は高い圧電特性のみならず，Fig.5 に示すように 200 V を超える高い絶縁破壊電圧（Dielectric breakdown voltage, VBD），200 万時間もの経時絶縁破壊（Time Dependent Dielectric Breakdown,TDDB）を達成しており，そして，このような高性能な PZT 膜を 500℃以下の成膜温度で形成できることにある。
3.2

赤外線センサ用 VOx 薄膜の形成 22)

非冷却赤外線センサ用の新材料として大きな抵抗温度 係 数（Temperature coeﬃcient of resistivity, TCR）

値分布を目標値の ±3％以内すなわち，基板温度分布をΔ5℃以下に抑えるために必要な技術である。

を有する VOx 薄膜が注目されている。高い TCR が得作製した VOx 薄膜（膜厚 50 nm）の TCR 測定結果られるだけでなく，温度変化を電流変化として検出すを Fig.6 に示す。20℃から 70℃までサンプルを加熱しるため，TCR が線形であることも特性上重要である。

ながら I-V 測定を行った。TCR の値は -2.23%/K であり，VOx 薄膜は，金属バナジウムターゲット（直径 4 イ目標値（TCR<-2%/K）を達成した。測定温度範囲でンチ）および Ar と O2 の混合ガスを用いた反応性パルは相変化による抵抗値の急激な変化は検出されず，まス DC マグネトロンスパッタリング法により形成した。

た，最小二乗法による直線回帰において，その決定係基板は熱酸化膜付き Si 基板を用いた。同薄膜形成に調数 R2 は R2=0.9997 であり，非常に線形性に優れている整された専用の斜入射カソード及び基板回転機構を搭ことが明らかである。また，目的の膜特性が得られた

載したスパッタリングモジュールを用いた。同モジュー成膜条件にて成膜安定性の試験を行った。Fig.7 に 25ルを搭載するプラットフォームは 3.1 項の PZT と同じ枚連続成膜の結果を示すが，面内均一性（49 点測定）：「SME-200」™である。本モジュールでは直径 200 mm±2.0% 以下、基板間分布（49 点測定 6 枚）：±3.7% が面内で基板温度分布Δ2℃以下を実現する高均一性能の得られ，安定にサンプルが得られるプロセスであるこ基板ヒータを採用している。これは，VOx 薄膜の抵抗とが確認された。

4Sept embe r/2019 No. 83

今後の目標としては，良好な線形性，面内均一性，安定性を維持しつつ，更に高い TCR を実現することである。

文献
1）T. Hattori : Mynavi News, Jun. 4, 2019（https://news.mynavi.jp/article/20190604-836702/）.
2） J. Azémar : Sensing Technologies and Markets

4.

まとめ

Trends in Automotive, Yole Développement, 2019
Flex Japan/MEMS & SENSORSENSORS Forum.

本章では，自動車用途として使われる MEMS セン

3） Y. Takeuchi : Hyomen Gijutsu 68, 392（2017）.

サおよび筆者らが手掛ける PZT や VOx 等の機能性材

4） T. Saito : Denso technical review 17, 213（2012）.

料膜関連の応用技術について述べた。

5） e-Words（http://e-words.jp/w/MEMS.html）.

自動運転車や電気自動車など次世代自動車の実現のために，車載 MEMS センサの重要性がますます高まり，また，搭載数も更に増えていくと予想される。今回紹6） R. Uzawa, M. Nishikawa and T. Tanaka : Fuji Denkigiho 90, 242（2017）.
7） Hamamatsu Photonics Web site,介した二つの材料の他にも様々な特性を有する機能性（https://www.hamamatsu.com/jp/ja/applications/li

材料があり，新しい機能を有する車載 MEMS センサ

dar/index.html）.の実現に貢献出来るものと期待している。筆者らは，

8） Ministry of Economy, Trade and Industry Web site,

今後も様々な材料の機能性材料膜の成膜技術を確立（https://www.meti.go.jp/policy/automobile/evphv/

し，車載 MEMS センサおよび次世代自動車の実現に

what/ev.html）.

貢献したいと考えている。

9）T. Fujimura : PwC Japan Web site, Jan. 25, 2019（https://www.pwc.com/jp/ja/knowledge/thoughtle
adership/automotive-insight/vol3.html#vol3-1）.
10）T. Hattori : Mynavi News, Sep. 4, 2017（https://news.mynavi.jp/article/20170904-a176/）.
11）Jidounten-lab Web site, Oct. 12, 2018（https://jidounten-lab.com/y_6506）.
12）L. Ye, G. Zhang and Z. You : Sensors 17, 521（2017）.
13）Y. Tanahashi, O. Kasono, T. Yanagisawa, T. Nomoto,I. Kikuchi and T. Ezuka : PIONEER R&D 22, 1（2013）.
14）S. Nakazono and S. Hiraoka : Panasonic Technical
Journal 61, 23（2015）.
15）Audi Technology Portal（https://www.audi-technology-portal.de/en/electrics-ele
ctronics/lighting-technology/matrix-laser-technology1）.
16）J.-E. Källhammre: Nature Photonics, SEPTEMBER,
12（2006）.
17）Yole Développement : Uncooled infrared imaging
technology & market trends 2013.
18）F. Niklaus, C. Vieider and H. Jakobsen: Proc. Int. Soc.
Opt. Eng.（SPIE) 6836, 68360D-1（2008）.
19）A. Voshell, N. Dhar and M. M. Rana, Proc. Int. Soc.
Opt. Eng.（SPIE) 10209, 102090M-1（2017）.
20）ULVAC Press release, Mar. 25, 2015（https://www.ulvac.co.jp/en/information/20150325/）.
21）ULVAC Press release, Jul. 2, 2019（https://www.ulvac.co.jp/information/20190702/）.
22）T. Tsuyuki, H. Kobayashi, T. Jimbo, I. Kimura, K. Suu,
Proc. Tech. Com. Electr. Dev. ED-8, Aug. 9, 2016.

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TE C HNICAL JOU R NA L