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MEMS向け表面マイクロマシニング

1980
  • Richard S. Muller
  • Roger T. Howe
実験室でのMEMSデバイス製造のための表面微細加工プロセス。.

(画像はイメージです)

表面マイクロマシニングによる製造 MEMS 薄膜を基板上に堆積・パターニングすることでデバイスを作製する。このプロセスは、犠牲層(二酸化ケイ素など)を堆積し、パターニングを行い、構造層(ポリシリコンなど)を堆積し、最後に犠牲層を除去して機械的構造を解放するという一連の工程からなる。このプロセスにより、複雑な自立型微細構造をウェハ表面に直接作製することが可能となる。

表面マイクロマシニングはMEMS製造の基盤技術であり、基板(通常はシリコンウェハ)上に複雑な機械システムを構築することを可能にする。このプロセスは積層造形であり、構造を層ごとに構築していく。これは、バルクマイクロマシニングの切削加工とは対照的である。典型的なプロセスフローは、窒化ケイ素などの絶縁層を基板上に堆積することから始まる。次に、低圧化学気相成長法(LPCVD)を用いて、リンケイ酸ガラス(PSG)と呼ばれる二酸化ケイ素の一種である犠牲層を堆積する。この層は、フォトリソグラフィとエッチングによってパターン形成され、最終的な構造が基板に固定される領域と、可動部品の下の隙間が定義される。

次に、構造層(最も一般的には多結晶シリコン(ポリシリコン))を、パターン化された犠牲層の上に堆積します。このポリシリコン層自体をパターン化し、ビーム、ギア、メンブレンなどの所望の機械部品の形状を定義します。この犠牲層と構造層の堆積およびパターン化のシーケンスを複数回繰り返すことで、非常に複雑な多層構造を作成できます。最後の重要なステップは「リリース」プロセスです。ウェーハを化学エッチング液(通常はフッ化水素酸(HF))に浸漬し、ポリシリコン構造層や窒化シリコン絶縁層を侵食することなく、犠牲層であるPSG層を選択的に除去します。これにより、ポリシリコン構造は、指定されたアンカーによって基板上に吊り下げられた状態で自由に動くことができます。

この技術の大きな利点は、標準的なCMOS集積回路製造プロセスとの互換性が本質的にあることです。これにより、MEMSデバイスとその制御および信号処理エレクトロニクスを同じチップ上にモノリシックに統合することが可能になり、より小型で安価、かつ高性能なシステムが実現します。しかし、表面マイクロマシニングには課題がないわけではありません。剥離時の主な失敗モードは「スティクション」です。これは、剥離された構造が濡れると、乾燥中に毛細管力によって基板に引き寄せられ、ファンデルワールス力などの分子間力によって永久的に固着してしまう現象です。この重大な問題を軽減するために、超臨界CO2乾燥や特殊な表面コーティングなど、さまざまなアンチスティクション戦略が開発されてきました。

UNESCO Nomenclature: 3313
工業工学

タイプ

化学プロセス

混乱

実質的な

使用法

広く普及している

前駆物質

  • 半導体産業におけるフォトリソグラフィー技術
  • 薄膜成長のための化学気相成長法(CVD)
  • 湿式および乾式エッチングプロセス
  • 集積回路(IC)製造技術

アプリケーション

  • プロジェクターにおけるデジタルマイクロミラーデバイス(DMD)
  • スマートフォンに搭載されている慣性センサー(加速度計とジャイロスコープ)
  • 圧力センサー
  • インクジェットプリンターヘッド
  • RF MEMSスイッチ

特許:

  • US4673455A
  • US5024723A

潜在的なイノベーションのアイデア

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歴史的背景

MEMS向け表面マイクロマシニング

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(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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