"動く"半導体で、さまざまな機器の小型・軽量・高性能化を実現

機械のように動く半導体、次世代の産業を創出する「MEMS」

MEMS（＝Micro Electro Mechanical Systems）」は、電気回路と微細な機械構造を、一つの半導体基板上に集積させたデバイス（部品）で、半導体製造技術やレーザー加工技術等、各種の微細加工技術を応用し、微小な電気要素と機械要素を一つの基板上に組み込んだセンサー、アクチュエーターなどのデバイスやシステムのことを指します（図1）。

そのため、従来のLSI（大規模集積回路）が、半導体基板上で電気信号のみを処理するのに対して、MEMSは、材料の機械的特性を利用した上下や左右に動く可動部を活用します。この点が従来のLSIとMEMSとの大きな違いです。

図1　MEMSの概念と特色

一方、MEMSも半導体集積回路の一種であることに変わりはなく、その製造プロセスは似通っていて、LSIの生産設備を流用することができます。しかも、MEMSとLSIでは、一般的にLSIの方が先に、微細化が進むため、型遅れとなったLSIの生産ラインがMEMSに転用できると言う利点もあります（図2）。

わが国で、MEMSの研究開発が本格的に始まったのは、1980年代後半のことでした。通商産業省主導の下、企業と産業技術総合研究所による研究コンソーシアム、「財団法人マイクロマシンセンター」が設立され、1991～2000年度の10年間にわたり、約250億円の国家予算を投じて、「マイクロマシン技術研究開発プロジェクト」が実施されました。

図2　LSIとMEMSの比較

研究開発の目的は、電気機械システムを微小にすることで、それを搭載する製品の小型・軽量、低消費電力、省資源、高性能を実現すること。それにより、わが国製造業の国際競争力を強化することがねらいでした。当時、日本では、MEMSを含めた微小な機械システムをすべて「マイクロマシン」と呼んでいました。そのため、半導体上での電気と機械要素の融合だけでなく、発電所や化学プラントなどの細い配管を自走し、検査補修するような、文字通りの微小な機械である「マイクロメカトロニクス」の研究開発も並行して行われていました（図3）。

図3　人が点検や補修を行い難い場所へ配管内を自走して仕事をする「マイクロマシン」

これらNEDOプロジェクトの進展に伴い、MEMS技術も、1デバイス1機能、さらに既存部品を小型化して置き換えることが目的だった第1世代のMEMSから、現在は、自動車、情報通信、医療などの分野で、超小型、高機能、高信頼性といったMEMSの特色を生かした第2世代の多機能MEMSへ、さらに、シリコン以外の材料や技術と融合する第3世代MEMSへと発展を遂げてきました（図4）。

図4　MEMS技術開発のロードマップ

日本におけるMEMSの先導役

そのような背景の中で、20年以上にわたる国家プロジェクトに参画し、日本のMEMS分野を先導してきた企業の一つがオムロン株式会社です。国家プロジェクトを通して、オムロンはこれまで、圧力センサーや加速度センサー、高周波MEMS、フローセンサー、非接触温度センサーなど、さまざまなMEMS製品を開発してきました（図5）。

特に圧力センサーは、血圧計の小型化に大きく貢献しており、家庭用血圧計が登場したのも、圧力センサーをMEMSによって小型化できたからです。世界規模で健康志向が高まる中、家庭用血圧計の需要は年々増加しており、それに伴い、オムロンの圧力センサーの出荷個数も、2013年時点で年間1300万個を超えています（図6）。

さらに、最近新たな健康管理器具として注目を集める「活動量計」は、圧力センサーや加速度センサーを使って歩数や移動距離などの人間の活動量を自動的に計測するというもので、50cmの高低差も精密に計測することができます。

図5　オムロンのMEMS開発史

図6　圧力センサーを利用した測定器の例

MEMSをつくりだすしくみ、半導体の超微細加工技術

現在、MEMSの製造プロセスには、構造体の高さや深さに応じて、大きく分けて3種類の方法があります。普通のLSIと同じくシリコン基板上に複数の薄膜を形成し、エッチングでMEMS構造体をつくる「表面マイクロマシニング」。シリコン基板自体を加工して構造を形成する「バルクマイクロマシニング」。そして、この2つを組み合わせたものです（図7）

具体的なMEMSの製造フローは、一般的なLSI製造プロセスと同様で、シリコンウエハに、成膜、リソグラフィ、エッチングを繰り返しながらセンサーなどある機能を持った立体構造体へと作り込んでいきます（図8）。

薄膜は、MEMS構造体の一部、あるいは後のエッチングの際のマスクとなります。薄膜の生成には、熱酸化法、スパッタ法、CVD（Chemical Vapor Deposition）法などが用いられます。

リソグラフィ工程では薄膜上にレジストを塗って、フォトマスクの上から光を当てて設計パターンを一括転写します。続くエッチング工程で不要部分をガスや薬液を使って取り除きます。これを何度か繰り返すことで目的のMEMS構造を作り上げていきます。バルクマイクロマシニングでは、これに加えて複数基板を貼り合せること（ボンディング）もあります。

図7　二つの製造プロセスの違いと特長

図8　MEMSの製造プロセス

そして最後に、切断（ダイシング）とパッケージングでMEMSが完成します。

ただし、この製造プロセスだけでは、新たなMEMSを開発することはできません。微小化、並列化、集積化を組み合わせ、求めるMEMSの大きさや機能を割り出して設計を行い、そのとおりの構造となっているか、機能や性能に不具合はないかを測定、分析する技術が必要です。最後に耐久性を確かめるための方法も重要となります。オムロンでは、歴代の各プロジェクトを通して、その技術力を磨いていきました。

最先端を行くオムロンの設計、製造、検査技術を投入して、シリコンウエハ上にびっしりと生成された最新のアコースティックセンサー

MEMSの研究開発を始める以前、オムロンでは、自社の強みであったプレス加工技術で薄いステンレス板を作り、それを利用して圧力センサーを製造していました。

それをMEMSに置き換えられれば、シリコン基板上に大量かつ安定的にセンサーを製造できる上、LSIを組み込むことで、従来製品より小型・軽量にもかかわらず、より高性能な圧力センサーを実現できると考えたのです。

基板上に結線された圧力センサー

薄膜応力制御技術の確立

一方、積さんはこう話します。「このプロジェクトでの最も大きな成果は、薄膜内部の応力を評価し制御する技術の確立でした」

MEMSではシリコン基板を直接加工して立体構造を形成するほか、シリコン基板上に、金属薄膜や絶縁膜などの異種材料を何層にもわたって積層し、スイッチなどの機械構造を作り込んでいきます。例えば、気体の流量をセンシングするフローセンサーの場合、1.5mm角のシリコン内に異種材料の薄膜を5層も積層した総厚1µmの多層膜を有しています（図9）。

図9　MEMSデバイスの断面模式図

薄膜の積層は、通常高温下で行います。ところが、材料によって伸縮度合が異なるため、温度が下がると、応力が働いてゆがみが生じてしまいます。それにより、性能のばらつきや品質の低下が発生してしまうのです。

しかも、MEMSの場合、LSIなどとは異なり、薄膜を積層していく工程で必要に応じて、不要な部分を削るなどして立体構造を形成していくため、加工した薄膜の強度のムラなども考慮しなければなりません。

代表的なMEMSデバイスであるフローセンサー

「この応力をどうやって制御するかが大きな課題でした。プロジェクトでは、圧縮応力がかかる材料と、引張応力がかかる材料を積層させることで、内部応力を制御するという技術を見出しました」と積さんは説明します（図10）。

また、製品化、量産化を考えた場合、シリコンウエハ全体が均質でなければなりません。薄膜の品質は製膜する際の温度条件に大きく左右されます。そこで積さんたちは、温度条件によって特性がどのように変化するかを丹念に計測し記録していきました。

加えて、現在は既製の薄膜特性の評価装置がありますが、当時はそれも自社開発しなければなりませんでした。

しかし、ここで得た実験結果は、MEMSデバイスを設計する際に正確なコンピューターシミュレーションを行うために欠かせないデータベースとなり、評価技術はオムロンのMEMSデバイスの開発・量産を支える基盤技術となっています。

図10　薄膜内部の応力制御技術