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MEMS向けバルクマイクロマシニング

1970
Bulk micromachining process for MEMS fabrication on silicon wafers.

(画像はイメージです)

バルクマイクロマシニングは、除去加工プロセスであり、 MEMS シリコンウェハなどの基板を選択的にエッチングすることで構造を形成する。湿式または乾式エッチング技術を用いてバルク材料を加工する。水酸化カリウム(KOH)などの異方性エッチング液が一般的に用いられる。これは、シリコンの異なる結晶面を異なる速度でエッチングするため、精密なV溝や空洞の形成が可能となるからである。

バルクマイクロマシニングは、MEMSを製造するための最も古く、確立された方法の1つです。これは切削加工の一種であり、通常は単結晶シリコンウェハである基板のバルクから直接デバイスの形状を削り出すものです。この技術はエッチングに大きく依存しており、エッチングは大きく湿式(化学エッチング)と乾式(プラズマエッチング)に分類されます。

湿式エッチングはより伝統的な手法です。等方性エッチングでは、すべての方向で同じ速度でエッチングが行われ、丸みを帯びたアンダーカット形状が得られます。MEMSでは、異方性湿式エッチングがより一般的に使用されます。この方法は、単結晶シリコンのエッチング速度が結晶方位に依存するという事実を利用します。水酸化カリウム(KOH)、テトラメチルアンモニウムヒドロキシド(TMAH)、エチレンジアミンピロカテコール(EDP)などのエッチング剤は、(100)面と(110)面を(111)面よりもはるかに速くエッチングします。(100)方位のウェハ上でマスクパターンを結晶軸に合わせることで、この特性を利用して、光ファイバー用のV溝やピラミッド型ピットなど、角度のついた側壁を持つ精密に定義された構造を作成できます。(111)面は自然なエッチングストップとして機能し、最終的な形状を優れた精度で制御できます。圧力センサー用のダイヤフラムは典型的な用途であり、ウェハの裏面からエッチングストップ層(高濃度ドープされたホウ素層やpn接合における電気化学的ストップ層など)に到達するまでエッチングすることで形成される。

ドライエッチング、特に深反応性イオンエッチング(DRIE)は、バルクマイクロマシニング技術の主流となっています。DRIEは、ウェットエッチングでは不可能な、ほぼ垂直な側壁を持つ非常に深く、高アスペクト比の構造を作製することを可能にします。最も一般的な方法は「ボッシュプロセス」であり、SF6などのプラズマを使用したエッチング工程と、 不動態化 (C4F8などの重合ガスを使用)ステップ。パッシベーション層は側壁がエッチングされるのを防ぎ、エッチングが主に垂直方向に進行するようにします。このサイクルを数百回または数千回繰り返して、数百ミクロンの深さを実現します。DRIEは、最新の高性能慣性センサーの製造に不可欠です。 マイクロ流体 デバイス、および3Dチップ積層のためのシリコン貫通ビア(TSV)。

UNESCO Nomenclature: 3313
工業工学

タイプ

化学プロセス

混乱

基礎

使用法

広く普及している

前駆物質

  • シリコンウェーハにおける結晶方位に関する知識
  • シリコン用化学エッチング剤の開発
  • パターン定義のためのフォトリソグラフィー
  • エッチング剤に耐性のあるマスキング材料(例:窒化ケイ素)

アプリケーション

  • 圧力センサーのダイヤフラム
  • インクジェットプリンターのノズル
  • マイクロ流体チャネル
  • 原子間力顕微鏡(AFM)カンチレバー
  • 光ファイバーの位置合わせ用V溝

特許:

  • US4187139A
  • US5501893A

潜在的なイノベーションのアイデア

  • high-performance inertial navigation units with deep etched proof masses
  • micro-turbines for portable power generation
  • advanced cooling systems for CPUs with micro-channel heat sinks
  • lab-on-a-chip devices with complex, deep fluidic networks
  • optical benches on a chip with precisely etched alignment features
  • through-silicon vias (TSVs) for 3d integrated circuit stacking
  • high-q factor mechanical resonators for timing applications
  • arrays of micro-needles for painless drug delivery
  • miniaturized mass spectrometers
  • 燃料電池 components with high surface area electrodes
Related to: bulk micromachining, MEMS, etching, silicon, anisotropic etching, KOH, DRIE, deep reactive-ion etching, subtractive process, microfabrication.

歴史的背景

MEMS向けバルクマイクロマシニング

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1975-06-01
1965-12-21
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1978

(日付が不明または関連性がない場合、例えば「流体力学」などでは、その注目すべき出現時期の概算値が提示されます。)

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