基礎技術解説リソグラフィ

最先端エレクトロニクスへの塗膜技術

近年、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems, 微小電子機械素子)は、自動車のエアバッグやゲーム機などの主要な部品である加速度センサが相当し、センサ、制御機器、バイオ分野などで目覚しく発展している。MEMSの作製には、有機無機の多くの薄膜が用いられている。また、バルク体を薄膜化するダイヤフラム薄膜も多く用いられている。ここでは、ダイヤフラム薄膜の作製プロセス、および制御技術について述べるとともに、ダイヤフラム型流体制御MEMSの動作原理について紹介する。

下の左図はマイクロダイヤフラムの断面構造を示している。材質はシリコン(Si)であり、ダイヤフラムの直径は1mm、厚さは30ミクロンである。このダイヤフラムはSi単結晶のウェットエッチングにより形成する。ダイヤフラムの上面にはAu電極膜が形成されている。また、ダイヤフラムの下面には、ポリマー膜がコートされている。ダイヤフラムはマイクロチャネル(流路)に接続されており、流体の流れを制御できる機構を有している。チャネルの幅は50ミクロンである。これらは光リソグラフィ技術で作製する。制御する流体として、液体やガスなどが選択できる。特に、反応性や腐食性のある流体に適用可能である。このダイヤフラムは繰り返し動作させるため、繰り返し疲労耐性が求められる。下の右図は、マイクロダイヤフラムの形成後の顕微鏡写真である。ダイヤフラムの表面は、平坦であることが確認できる。

マイクロダイヤフラムの基本構
マイクロダイヤフラムの基本構
Siマイクロダイヤフラムの顕微鏡写真
Siマイクロダイヤフラムの顕微鏡写真

下図は、Si製のマイクロダイヤフラムの形成フローを示している。最初に、Si基板表面にエッチングマスクとなるSiO2膜を形成する。SiO2膜の膜厚は45nm程度であり、電気炉を用いた熱酸化法で形成する。次に、高分子膜によるダイヤフラムの形状パターンを、光リソグラフィ法で形成する。これはSiO2膜のエッチングマスクとなる。そして、HFF水溶液に浸漬することにより、SiO2膜を溶解除去する。その後、アセトンなどの有機溶剤等により、マスク材料であった高分子膜を溶解除去する。Si基板は、SiO2パターンをマスクとして、開口部を所望の深さにまで溶解する。この際、エッチング溶液には通常EPW溶液を用いる。そして、SiO2膜をHF水溶液中で除去する。以上のプロセスで所望の膜厚にダイヤフラム膜を制御できる。最終的に、制御用の金属電極膜や高分子膜をコーティングして、マイクロダイヤフラムが完成する。

ダイヤフラム構造の作製フロー
ダイヤフラム構造の作製フロー

下図は、これらのダイヤフラムを搭載した流体制御MEMSのデザイン図である。中央部に円形の12個のダイヤフラムが確認できる。各ダイヤフラムには、電圧印加用の配線が接続されている。

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以下のような図や解説が続きます。

  • [図]マイクロダイヤフラム型流体制御MEMSデバイスの基本デザイン
  • [図]ダイヤフラムユニットの送流機構
  • [図]ダイヤフラム型流体制御MEMSの実装写真
  • [図]HMDSによるシランカップリング反応
  • [図]ガラス表面での純水液滴の接触角
  • [図]流体制御MEMSによるガラス基板の表面疎水化処理

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