2012.7.13

BEANSプロジェクトセミナー

メーター級
大面積マイクロシステムを実現する集積化技術
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

MEMS Reconfigurable Antenna

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
・導電率制御・成膜スピード・大気開放系でのSi成膜〔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

固体ソースによる荷電子制御プロセスの開発
電子デバイスへの適用

膜の導電率制御が必須

化学輸送法による膜中へのドーパント取り込み

Si film resistivity (Ωcm)

1E+06

Si膜へのドーピングと導電率変化を確認

1 μm

1E+04

Strain gauge

1E+02

N型
P型

1E+00
1E-02
1E-04

デバイス適用可能な導電率1E-02
1E+00 1E+02
Si target resistivity (Ωcm)

R1R2R41E+04

Si膜抵抗率のターゲット抵抗率依存性

今後

R3

従来型の低圧CVD膜と同等のゲージ率（40）を確認

 大気圧Si膜の実用化検証（光電変換素子）

微粒子塗布と大気圧プラズマ成膜による混合膜形成プロセスの開発
微粒子塗布技術（ミストジェット）Si微粒子
Si微粒子塗布

大気圧プラズマ技術

大気圧プラズマ

①表面処理
②Si成膜

表面処理
（自然酸化膜除去）

Si成膜
Si膜
混合膜形成

微粒子混合膜成膜速度向上・大気圧プラズマ成膜の補完
・膜形成核微粒子による組成（P or N)制御

基板

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

9Si製ノズル②ナノ材料均質塗布技術

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

7※（ ）内数字は標準偏差

混合膜形成結果
6移動度(cm2/Vs)

5432
10２層混合膜
Si膜(1um)/Si粒子/基板

単膜①２層混合膜 ３層混合膜②③・単結晶シリコンと同等のバンドギャッ
プ値1.1eV・大気圧プラズマシリコン単膜と同等の移動度：1.7～3.0 cm2/Vsecを混合膜で達成
３層混合膜
Si膜(0.6um)/Si粒子/Si膜(0.3um)/基板

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
N2O2234 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

10090807060504030201001HeAr
N2O223

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13大気開放系でのシリコン成膜
カーテンガス
排気反応ガス

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

5 μm

雰囲気制御ヘッド可動ステージ(GND)
放電状態（H2混合Heガス）

開放型大気圧プラズマSi膜

世界初

2 μm
SEM写真

ナノ粒子の超会合から生まれる巨大なマイクロ粒子
光電変換デバイス用の透明電極：
赤外光吸収効率向上必要

酸化スズ粒子のSEM写真
印加電圧：15 kV

従来技術
500 nm

最大2µmの粒子

目標
1000nm以上
5µm

エレクトロスプレー：ナノ微粒子の会合⇒マイクロ粒子形成

印加電圧：25 kV

5µm

自己組織化を利用して元の大きさ（5nm）の４００倍のサイズのマイクロ粒子形成に成功
15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
 大気圧プラズマシリコン膜へのドーピングと導電率変化を確認（２）ナノ材料均質塗布技術
 大気圧プラズマシリコン単膜と同等性能の混合膜を実現
 自己組織化を利用して元の大きさの４００倍のサイズのマイクロ粒子形成に成功（３）局所環境制御技術
 世界で初めて大気開放系でのシリコン成膜に成功

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 & AlignedWeaving 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
塗布ヘッド
溶液
基材
圧力制御機構コーティング成膜プロセス

連続成膜装置

単層膜30m/minの成膜速度を実現

Macro BEANS Center

巻き取った成膜済基材(PET, 幅5㎜)

繊維状有機薄膜太陽電池の試作
電極(Al)
R to R 成膜
ポリマー,フラーレン混合膜(P3HT:PCBM)
基材(PET)

1μm

電池サンプル断面

ポリマー修飾電極(PEDOT:PSS)

100mm

透明電極(ITO)

繊維状有機薄膜太陽電池

有機薄膜太陽電池材料を連続成膜

平面集積・配線・パッケージング
試作フレキシブル発電シート

Macro BEANS Center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）

リールツーリール高速成形

φ250µmPOFで直径変動（3.6µm）以下に抑制

インプリント状況（２０ｍ／ｍｉｎ）

高速荷重制御機能付き
リールツーリール熱インプリントシステム

インプリントパターン深さ変動

Macro BEANS Center複合パターンの一括転写
CenterCenter
Edge

500 µmEdge

500 µm

シームレス円筒モールド

φ250µmPOF表面に製織ガイドとMEMSパターンを一括成形
Weaving guides

Line/space patterns

POF表面の成形パターン

Macro BEANS Center

200 µm

繊維状基材用3次元露光プロセス① 基材の移送/Fiber movement③ ＵＶ露光/UV exposure

石英サポートQuartz support

3D Photolithography System
Cr pattern of mask module

ファイバー
Fiber露光モジュール
Mask module② アラインメント/Alignment
Resist pattern

Stepping-forwardly Continuous
Photolithography Process

Photolithography results（Quartz fiber with the diameter of 125µm）

Transducers 2011

温度センサの試作

Lift-off

Schematic of Pt resistance temperature sensor

外径：300µm
内径：180 µm

中空基材内パターン形成プロセス
マイクロスケール混相流を応用したプロセス

ファイバー型表示素子を作成
硬化・封止

パターン形成機能性流体材料

UVスキャン照射

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

樹脂（液 → 固相） セル状構造（液相）

シート状集積化

磁気駆動表示素子の試作
10mm

200µm

スラグ長さヒストグラム

500
450

長尺・均一ファイバー作成

400

外部磁場強出現頻度

350300磁性顔料分散液体
外部磁場弱 （イソパラフィン系溶媒）

250200

分散相

150

連続相

10050002004006008001000

1200

スラグ長さ [µm]混相流パターン均一性の向上

UV硬化樹脂ファイバー壁200µm

磁気駆動表示素子の試作

2mm

試作したシート状構造の例

Electronic Textile用接点構造
Warp

Top view

Weft

PET ribbon:
200 µm-thick,
3 mm-width

1 mm

特に曲げ変形の際空隙が発生
Side view

接触の安定化が必要
S.Khumpuang, et al: IEEE MEMS-2011

シリコンエラストマー接点構造
導電性ポリマー(PEDOT:PSS)を被覆した半球形状のシリコーンエラストマー構造を開発 ⇒ 液体材料のディスペンシングと熱硬化のみで作製できるため，リールツーリールによる連続高速形成が可能。

1 mm

プロセス速度20m/minまで確認
PEDOT:PSS 被覆シリコーンエ
ラストマー接点構造
5 mm-width, 200 μm-thickPET ribbon

1 mm

リールツーリールを用いた構造の連続形成

シリコンエラストマー接点構造（性能）・製織シートで曲率半径1cmまでの曲げ変形を与えても縦横基材間の接点は安定的な接触を維持。
・約1/30の荷重(2mN)で安定的な接触
・100MPaの荷重で対向基材を繰り返し接触させたところ，約2.2×104回まで安定的な導通を維持。
1000

3.5900赤: 接点構造有り
青: 接点構造無し

3800
700

2.5600

寿命→5倍向上2500

1.5400300

1Resistance (ohm)

Load that current begin to flow (N)

4200

0.5

10000
1101001000
Number of cycles

10000

荷重100MPaの繰り返し接触時の抵抗測定結果
搬送などにより1日10回程度の繰り返し曲げが発生するデバイス(製織シート型太陽電池やディスプレイ)を想定

寿命：構造のある場合は約5年（無い場合は１年程度）

大面積デバイス製造プロセス開発
１．ファイバーのマイクロ加工，チップ実装
実装機

糸搬送機

糸搬送機
ヒーター
ダイス

ハンダ基板

チップ

リールtoリール実装機によりMEMS,LEDチップを実装ダイコーターによる有機機能膜連続成膜

２．機能性ファイバーのアライメント自動製織
カメラアライメント

低摩擦製織

試作した電子機能ファイバーをアライメントし，低摩擦で素子を破壊しないよう連続製織

メートル級大面積マイクロシステム
メートル級タッチセンサ，ウェアラブルキーボード
静電容量UV樹脂
PEDOT

静電容量計測MCUとつないでフレキシブルなキーボードを実現

ベッドや床に敷くことができる1.2m幅で大面積タッ
チセンサ

メートル級LED照明，表示装置LED実装リボン

1.2 m幅のLED実装布帛

LED

蛍光灯(幅90 cm）の幅以上で照明や簡単な表示装置へ

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 30 m/minの高速ダイコーティングプロセス
 繊維状有機薄膜太陽電池の試作（２）連続微細加工
 20 m/minの高速熱ローラーインプリントを実現
 3次元露光システムによる温度センサ試作
 中空基材内パターン形成プロセスによる磁気駆動表示素子の試作（３）製織集積化
 シリコンエラストマー接点構造を開発
 自動織機（ウィービング装置）によるメートル級タッチセンサとメートル級LED照明

Macro BEANSハウス
接点付きカーテン

有機太陽電池Ａｌ
有機半導体薄膜(P3HT/PCBM)
PEDOT
ITO被覆PET

1 mm
ファイバー上に接点を形成

有機材料をファイバー上に連続コーティン

大気圧成膜Si太陽電池
メートル級タッチセンサ
センサ布

UV樹脂
PEDOT

均質塗布

大気圧プラズマ成膜
雰囲気制御

大気圧成膜によるシリコン太陽電池

フレキシブルLED照明

人
センサ布 人の位置

有機導電性ポリマーをコーティングしたファイバーを製織した構造の静電容量式メートル級
大面積タッチセンサ

布

中型LED

リボン状基材にＬＥＤを実装
リボンを製織しアレイ化

リボン状基材上にＬＥＤを連続実装し製織

MBC

Touch SensorとLED布