03_委託テーマ発表資料（その２）（p.89-p.134).pdf

(1)

高集積・複合ＭＥＭＳ製造技術開発プロジェクト 1

カーボンナノチューブの

MEMSデバイスへの応用

(独)産業技術総合研究所

スーパーグロースＣＮＴチームグループ長

畠賢治

2009.7.31

2

カーボンナノチューブ開発ロードマップ

ランダム

       

配向

/

制御

大

量

大

量

   

単一

● ●キャパシタキャパシタ ●C ●CNTNTコンポジットコンポジット ● ● 導電性フィルム導電性フィルム ● ●照明機器照明機器 ● ●電界放出ディスプレ電界放出ディスプレ ● ●薄膜トランジスタ薄膜トランジスタ ●L ●LSISI配線配線 ● ●ポストポストCMOSCMOS

開

発

の

方

向

開

発

の

方

向

ナノチューブ産業の創出

カーボン兄弟の代替

5-10年で

スーパーグロースコンソーシアム

ナノチューブデバイス

次世代エレクトロニクス

10-20年

つくばナノテク拠点

(2)

高集積・複合ＭＥＭＳ製造技術開発プロジェクト

カーボンナノチューブ・ナノデバイス

・半導体ロードマップで、Beyond-CMOSの一番候補として選定

プラスチック基板上

CNTトランジスタ

ソース

電極

ドレイン

電極

CNT膜

塗布型CNTトランジスタ

NECより提供

4

未来像２によるスーパーグロースＣＮＴ産業

コアコンピタンスⅠ 量産技術コアコンピタンスⅡ 構造制御技術日本ゼオンが２０１０年工場設立に向けて準備中安全：リスク評価用途 NEDO「高集積・複合ＭＥＭＳ製造技術開発事業」(平成１8‐２0）

産総研

産業界・ナノチューブ安全評価・安全科学研究部門・NEDO ナノ粒子特性評価手法の研究開発ＰＪ標準化 2008.05 Nature‐Nanotechnology誌掲載 NEDO「カーボンナノチューブキャパシタープロジェクト」(平成１8‐22）エネルギー CNT-MEMS スーパーグロース・CNTスーパーキャパシター開発・エネルギー技術研究部門・日本ケミコン実用化研究・CNTアクチュエーター開発・セルエンジニアリング研究部門・NEDO「ナノテクチャレンジ」PJ ・アルプス電気実用化研究・産総研：特許実用化研究アクチュエーターディスプレイ・CNTディスプレイ開発・NEDO「ナノテクチャレンジ」・ノリタケ実用化研究・高導電性ゴム素材の開発・東京大学導電性ゴム・東京大学ストレッチャブルデバイス複合材料・複合化技術開発・航空機部材（M社）・電磁波吸収材料・計測標準研究部門黒体材料

(3)

自由自在に設計したカーボンナノチューブ3次元デバイス

ーカーボンナノチューブ・デバイスの実用化に大きく近づく ‐

読売新聞（朝刊）

２面

朝日新聞（朝刊）

３１面

毎日新聞（朝刊）

２面

日本経済新聞（朝刊）１２面

常陽新聞

３面

日経産業新聞

６面

化学工業日報

１面

日刊工業新聞

２２面

新聞報道

日経産業新聞 2008年度技術トレンド調査

「新規性＋話題性」部門

第２位

Nature Nanotechnology 3, 289 - 294 (2008) 6

カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）とは

(4)

カーボンナノチューブ

構造

_{代表的特性}

・鋼の20倍の強度

・銅の10倍の熱伝導性

・アルミの半分の密度

・シリコンの10倍の電子移動度

•注：無欠陥カーボンナノチューブの特性

•微小な世界のデバイスにとって理想的な材料

8

カーボンナノチューブは重要？

・カーボンナノチューブは現代サイエンスを代表する研究領域の一つ

科学技術政策研究所サイエンスマップ2006より

カーボンナノチューブの合成・デバイス評価

物理

化学

生物

ナノサイエンス

(5)

カーボンナノチューブ関連論文数の推移

! "!!! #!!! $!!! %!!! &!!! '!!! (!!! )*+!"# $%&)*+!"# ,-./0121 !"#

・カーボンナノチューブ論文は年6000本、まだまだ増加中

・世界中で激しい開発競争

10

CNT-AFM-Tip

1998 Nature

Nanotubes as nanoprobes in scanning probe microscopy

Hongjie Dai, Jason H. Hafner, Andrew G. Rinzler, Daniel T. Colbert, Richard E. Smalley

Nature 384, 147-150 (14 Nov 1996)

(6)

Nanotube Nanotweezers

2000 Science

12

Rotational Actuators Based on CNT

(7)

CNT-不揮発性メモリー

1998 Nature 2000 Science 14

ナノチューブ・ナノデバイス

1998 Nature

ナノチューブ

AFM探針

不揮発性メモリー

ナノピンセット

メカニカル振動子

回転アークチュエーター

ナノチューブーナノデバイスが

素晴らしいのは誰もが知っている

Nature 384, 147-150 2000 Science 2000 Science Nature 424, 408(2003) Nature 431, 284(2004)

(8)

集積化CNTデバイス製造技術の開発

従来法の

製作法

分散液の吹きつけ

触媒から成長

不完全な位置制御

架橋数にばらつき

神の気まぐれにまかせた歩留まり

任意の位置に・再現性よく

均質な・配向CNTを

↓

集積化を実現できる

「製造技術」

16

概要図

任意の場所に任意の形状のCNT構造体を設置することができる世界初の方法

(9)

垂直配向カーボンナノチューブ・フィルム

18

カーボンナノチューブ・ウエハー（CNTウエハー）

CNT配向

(10)

微細加工可能なCNTウエハー

配向

20

(11)

21

半導体ロードマップ２００５（ITRS)より

(Emerging Research Devices)

P32

P31

P10

P15

22

幅広いサイズでプロセス可能

~200 SWNTs

Height : 70 nm

Width : 40 nm

1.0x10

9 _SWNTs

Height : 100

µ

m

Width : 200

µ

m

CNT CNT

(12)

CNT-Suspended Wafer

ピラー上CNT：

平滑

24

任意の位置への架橋CNTの作製

CNT Sheet

CNTシート

CNTビーム

Si ピラー

(13)

トレンチ上のCNTカンチレバー

CNTウエハー Si ピラー CNTウエハー Si ピラー

配向

CNTカンチレバー CNTカンチレバー 26

3次元CNTウエハー

シリコン・ピラー 3次元CNTウエハー

CNTウエハーが

３次元的に

ピラーを覆う。

3次元CNTウエハー

(14)

3次元CNT配線

3次元CNT配線

3次元CNT配線

配向方向 28

3次元CNTカンチレバー

(15)

3次元CNTカンチレバー

CNT配向 30

CNTリレー

CNT

リレー

犠牲層除去後

全てSWNTで構成 犠牲層

(16)

CNT Relayの電気特性

従来のCNTリレー

Lee, S. W et al. A Three-Terminal Carbon

Nanorelay. Nano Lett. 4, 2023 (2004)

ON/OFF 比 10

7

32

CNTリレー

)

3 (

6 )

(

2 3

x

Lx

EI

F

x

y

=

!

弾性体

CNT

リレー

(17)

Velocity of Sound

!

E

L

t

f

=

1 .

03

₂

!

E

L

t

f

=

0 .

162

₂

Doubly clamped beam

Single clamped beam

! "= E

Velocity of Sound

!"#$%&

'(((

)*+,-.///0

1'23

456789

/:;((

! "= E 34

集積デバイスの作製

犠牲層除去後

(18)

３次元ナノチューブ・デバイスの集積化

410 x 310

µ

m中に

1276個のデバイス

(19)

カーボンナノチューブを用いたMEMSへの期待

（MEMS:Micro-Electro-Mechanical Systems）

CNT

高硬度軽量金属・半導体表面積柔軟性熱伝導高伝導

既存のSiデバイスに出来ないことが

CNTにできる可能性がある。

スイッチ

メモリ

センサー

バイオセンサー化学センサー光センサー光MEMS 変調器・光スイッチ

フレキシブル

デバイス

アクチュエーター

ヒンジ

光MEMS

圧力センサー

パワーストレージ

信号分配器高感度質量センサー

(20)

(21)

1

Institute for Laser Technology !"#$%&'('

積層MEMSのための

パルスレーザー支援デブリフリー

低ストレス高速ダイシング

藤田雅之

（財）レーザー技術総合研究所

2009.7.31

多層ウェ

ハレベル接合体の低ストレスダイシング技術

2

多層MEMSウェハのレーザダイシング

MEMSウェハは異なる材料の多層構造から構成される

例：シリコン、ガラス、ポリマー、金属、・・・

多層ウェハ

新しいレーザーダイシング技術開発が望まれている。

MEMS素子は脆弱構造を有する

低ストレスでダイシングする必要がある。

レーザー

異なる光学的、機械的性質を有する

(光吸収、応力の伝搬、等)

ドライプロセス

多層試料適応

デブリフリー

低ストレス

(22)

我々のアプローチ

ドライプロセス

多層試料適用

デブリフリー

低ストレス

ブレードではなく、

レーザー

を使う。

レーザーアブレーションではなく

レーザーによる

内部加工

を利用する。

高繰り返し、低エネルギーパルスで加工を行う。

ガラスに対して

、CO

₂

レーザーが使えるが、Siには吸収されない。

逆に、YAG レーザー（波長1

µ

m）はガラスに吸収されない。

しかし、

多光子吸収を

利用すれば加工ができる。

Siに対して

、1

µ

mレーザーは使える。

しかし、レーザーのパルス幅等を最適化する必要がある

。

要求

答え

低コスト

フェムト秒やピコ秒ではなく、

CO

₂

や YAG

レーザーを用いる。

4

低ストレスダイシングの加工手順

試料

内部クラック

高 NA

対物レンズ

(a) 第一プロセス：内部改質

ビーム掃引

レーザー光

(b) 第二プロセス：機械的応力

圧力

ブレード

支点

(b) 第二プロセス：熱応力

反射型

対物レンズ

ビーム掃引

クラックの伝搬

試料

CO

2

レーザー

(23)

5

レーザー加工ステーション

4軸ステージ

FCPA

CO

2

Nd:YVO

4

λ / 2板

偏光子

コリメータ

FCPA

Nd:YVO

4

CCD

光路

照明光

エネルギー

減衰器

ストローク

X軸：300mm

Y軸：300mm

Z軸：12mm

最大速度

X軸：700mm/sec

Y軸：700mm/sec

Z軸：100mm/sec

(6インチウエハ対応)

6

材料による内部クラック形状の特徴

Siウェハ

ガラスウェハ

幅はレーザー集光径程度

光軸方向にクラックが延びる

クラック形状は金平糖に似て、等方的

内部クラックでダイシングをガイドするには、

クラックを連続的に形成する必要がある。

(24)

Si ウェハのレーザーダイシング

上

下

25μm

11μJ・20mm/sec

5μm

分離後

100μm

掃引

Si

焦点移動 :7回

レーザー

対物レンズ

NA0.8

内部加工ラインの赤外透過像

クラック長さ :

80μm/line

断面

上面

8

ガラスウェハのレーザーダイシング

チップのSEM像

加工ウェハ

分離されたチップ

内部加工

3mm角

シングルショットで形成される内部クラック

20 mm

(a)

(b)

上面

側面

ウェハ

内部加工

高NA

対物レンズ

掃引

レーザー

(25)

9

多層MEMSのレーザーダイシング

#1 コスト優先。一台のレーザーでダイシング。

#2 品質重視。層ごとに最適化された二台のレーザーで

ダイシング。

#3 新たに発見されたレーザーダイシング法。

ダイシングメニュー

MEMSデバイスには様々な種類がある。

それぞれのMEMSデバイスには

それぞれのダイシングへの要求がある。

コスト、品質、加工速度などMEMSデバイスによって

ダイシング法を選択。

10

メニュー #1 : 一台のレーザーでダイシング

Nd

:YVO

₄

レーザー

(1.06

µ

_µ

m, 15ns)

で

ガラス層と

Si

層を内部加工

押し刃

支点

圧力

ウェハ

内部加工

高NA

対物レンズ

掃引

レーザー

(26)

一台のレーザーによる積層ウェハのダイシング

ガラス (300

µ

m)

Si (300

µ

m)

断面の光学顕微鏡写真

Gla

ss

(3

00 µ

m)

Si

(30

0 µ

m)

チップの

SEM像

12

破損率評価用MEMSデバイス

• キャパシタンス方式の力センサまたは

圧力センサ（大気圧基準）を想定。

• シリコン／ガラスの2層構造，またはガ

ラス／シリコン／ガラスの3層構造。

• シリコン層のみでも評価可能。

ガラス

ダイアフラムギャップ

3mm

3m

m

3層構造圧力センサ

水・ごみ

進入

破損

貼り付き

ITO

(27)

13

一台のレーザーによるMEMS素子の割断

ガラス内部：スキャンスピード500mm/sec@20kHz・130mJ Si内部：スキャンスピード100mm/sec@100kHz・26mJ 対物レンズNA:0.80

300mm

内部加工

内部加工前

内部加工後

MEMSウエハ

3mm

圧力センサ（ガラス/Si接合ウエハ）

14

メニュー #2 : 二台のレーザーでダイシング

ガラス層、Si層それぞれに最適化された二台のレーザー

押し刃

支点

圧力

内部加工

高NA 対物レンズ

掃引

レーザー

Si

内部加工

高NA 対物レンズ

掃引

レーザー

ガラス

どんなレーザーがガラス、Siそれぞれに最適なのか ?

(28)

Si内部加工のレーザーパルス幅依存性

レーザーのパルス幅が長いほど熱的クラックが発生し、分離に必要な曲げ応力が低下。

15µm

5 µ

J

15µm

5 µ

J

クラック

レーザーのパルス幅 (ns)

分

離

に

必

要

な

曲

げ

応

力

(

M

P

a

)

レーザー波長

：1µm

16

二台のレーザーによるダイシング

Glass/ Si （300-300mm）

Si層に対して

ファイバーレーザー : 200ns

13-layer，300mm/sec

ガラス層に対して

グリーンレーザー : 10ns

2-layer，700mm/sec

ガラス

Si

内部加工

機械的圧力でチップに分離

(29)

17

メニュー#3 新しいレーザーダイシング方法

クラックの伝搬

1 パス

掃引

Si

反射型

対物レンズ

CO

2

laser

押し刃

支点

Si

圧力

機械的応力

熱応力

高NA

対物レンズ

掃

引

1 µ

m レーザー

内部加工

Si

18

Si層だけにパルス幅50nsのレーザーで内部加工

断面の光学写真

Glass/ Si （300-300

µ

m）

ガラス

Si

ガラス

Si

内部加工

曲げ応力

22MPa

Nd:YVO

4

レーザー : 48ns

，

3mJ，100mm/sec，

(30)

Si層だけにパルス幅100nsのレーザーで内部加工

ガラス

Si

ガラス

Si

内部加工

Nd:YVO

4

レーザー : 95ns

3mJ，100mm/sec，

defocus range 10∼70mm with 5mm pitch

断面の光学写真

曲げ応力

13MPa

Glass/ Si （300-300

µ

m）

20

Siのみ内部加工 + 熱割断

ガラス

Si

Glass/ Si （300-300

µ

m）

内部加工

曲げ応力

4.6MPa

内部加工用

Nd:YVO

4

レーザー : 48ns

， 3mJ，100mm/sec，

defocus range 10∼70mm with 5mm pitch

熱応力印可用

CO

2

レーザー :

38W，90mm/sec，spot size 1mmφ Single scannning

(31)

21

MEMSデバイスのレーザーダイシング

ガラス

Si

内部加工

圧力センサー（Glass/Si）

機械的応力で分割

ファイバーレーザー : 200ns

5mJ，100mm/sec，NA0.8 defocus range 10∼70mm with 5mm pitch 22

ダイシングにおけるパルス幅依存性

(32)

比較

High NA Objective Lens scanning 1µm+CO2 Laser Internal transformation Si Glass Internal transformation High NA Objective Lens scanning 1µm Laser Glass Si Glass (300µ m) Si (30 0µm)

Menu#1

割断に必要な曲げ応力：約14 MPa

Menu#2

Menu#3

割断に必要な曲げ応力：約14 MPa 割断に必要な曲げ応力：約5MPa glass Si Glass/ Si （300-300µm） Internal Transformation glass Si Internal Transformation Internal transformation High NA Objective Lens scanning One Laser Si Internal transformation High NA Objective Lens scanning The Other Laser

Glass 24

積層MEMSウェハのレーザーダイシングメニュー

#1 一台のレーザーでガラス、Si両層を加工

e.g. Nd:YVO

₄

レーザー

(1.06

µ

m, 15ns)

#2 二台のレーザーでガラス、Si各層を加工

#3 二台（または一台の）レーザーで低ストレスダイシング

一台は内部加工用、一台は熱応力印可用

+

低コスト

-

表面粗さ

e.g.

ガラスに対して、

SHG of Nd:YVO

4

レーザー

(532

µ

m, 10ns)

Si

に対して、

Yb

ファイバーレーザー

(1.06

µ

m, 200ns)

+

低ストレス、ガラス単体にも適用可

-

高コスト

e.g. Si

に対して、

Yb

ファイバーレーザー

(1.06

µ

m, 200ns)

+

CO

₂

レーザー

(10.6

µ

m, CW)

で熱応力発生

+

低ストレス、高品質

-

開発中（熱影響？）、積層のみに適用可

(33)

ファインMEMS

知識データベースの整備

（財）マイクロマシンセンター逆水登志夫

2009.7.31

高集積・複合MEMS製造技術プロジェクト

2

本事業の研究開発を通じて得られた成果・知識情報と、国内外学会などの主要な新規

技術情報を収集、体系的に整理し、我が国の高集積・複合ＭＥＭＳ（ファインMEMS）

の開発・製造を目指す技術者の支援に繋がる知識データベース（ＤＢ）を構築する。

（１）全研究項目を網羅した知識データ

◆助成事業の知識データ収集補完→研究開発を大学に再委託

（２）知識情報の共有化と効率的なデータ蓄積

◆ネット上で共同作業を主眼とする共有コラボレーション環境の実現

（３）MEMS用設計・解析支援システム MemsONE 知識DBへの実装

（知識DBの効果的な普及を図る）

◆MemsONEの分類項目との整合性

（４）一般公開（閲覧・自由記述）

◆コンテンツの充実、リアルタイム更新

知識データベース（

DB

）構築の目的と概要

(34)

（委託・助成・再委託）研究開発項目

①MEMS/ナノ機能の複合技術選バナナバイス化半 ○ ○ ○ ★ ★ １．ＭＥＭＳ/半導体におけるプロセス統合モノリシック技術に関する知識DBの研究開発・・・東京大学杉山研究室２．高集積化ＭＥＭＳ解析手法に関する知識DBの研究開発・・・東京大学藤田研究室３．ＭＥＭＳ/半導体における高集積配線技術のための知識DBの研究開発・・・東京大学三田研究室４．ＭＥＭＳ/ＭＥＭＳにおける多層接合技術のための知識DBの研究開発・・・東京大学須賀研究室５．ＭＥＭＳ/ＭＥＭＳ結合技術のための知識DBの研究開発・・・慶応大学三木研究室 ★助成事業の知識データ補完のため大学再委託研究を実施、その成果をデータベースに実装本開発事業の研究項目と研究内容知識データ_収集先 ①MEMS/ナノ機能の複合技術選択的ナノ機械構造帯形成技術バイオ材料の選択的修飾技術ナノ材料の選択的形成技術ナノ機能を組み込んだMEMSデバイス化 ②MEMS/半導体の一体形成技術半導体プロセス統合モノリシック製造新MEMSセンシング原理半導体縦方向配線縦インターポーザル半導体横方向配線三次元表面高密度配線高密度一括実装 ③MEMS/MEMSの高集積結合技術異種材料多層MEMS集積化ビルドアップ型多層MEMS集積光チップ高精度集積多層ウェハレベル低ストレスダイシング ○ ○ ○ ★ ★ ○ ★ ★ ★ ○ ○ ★ ★ ★ ○ ○：委託先の研究内容 ★：助成先及び再委託先の研究内容 4

共有コラボレーション環境の実現

◆複数ユーザが特殊なアプリ、専門的記述言語の知識無く、共同作業できる環境

ネット上で自由記述・閲覧可能なシステムの構築

・Ｗｅｂブラウザ／ＭｅｄｉａＷｉｋｉシステムを知識ＤＢのインフラとして活用

Ｗｉｋｉ（閲覧者の共同作業ツール）⇔ブログ（個人の情報交換ツール）

Wikiを用い、閲覧者が参加して作り上げる知識ＤＢの代表例フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』

Wikiによる効率的なデータ編集・蓄積、

システムの構築

研究開発メンバーファインＭＥＭＳ知識ＤＢプロジェクトの成果学会等の最新情報

(35)

知識ＤＢの整備計画

２１年度∼ １８１９２０公開・運用開発項目知識ﾃﾞｰﾀの収集知識ＤＢの構築知識ＤＢ委員会の実施（委員長：下山ﾌﾟﾛｼﾞｪｸﾄﾘｰﾀﾞ）研究開発による知識ﾃﾞｰﾀ補完[大学再委託] Webﾌﾞﾗｳｻﾞ/MediaWiki によるＤＢ概念設計年度（平成）ﾃﾞｰﾀ入力ｼｽﾃﾑ構築、試験的運用ＤＢ詳細設計、検索ﾌﾟﾛｸﾞﾗﾑ開発ﾌｨｰﾄﾞﾊﾞｯｸＤＢｼｽﾃﾑ構築・検証、公開用ｶﾞｲﾄﾞﾗｲﾝ作成 MemsONEﾃﾞｰﾀに変換 MemsONE に付加効果的なデータ収集及びDBシステム構築の推進Ｗｅｂ上で一般公開プロジェクト期間ＭＥＭＳ/ナノＭＥＭＳ/半導体ＭＥＭＳ/ＭＥＭＳ３年間目標：１０００件 6

平成１８∼２０年度の成果（１）

◆知識データ収集用システムの構築

◆ファインＭＥＭＳカテゴリによる知識の体系化

ＭＭＣ：（財）マイクロマシンセンターファインMEMSカテゴリ・ナノ機械構造・選択的バイオ修飾・選択的材料修飾・ナノ機能デバイス化・プロセス統合モノシリック・センサ新原理・CMOS／MEMS多層・３次元インターポーザル・擬似ＳＯＣ・ＭＤＷ３次元垂直型配線・自己組織化高密度実装・異種材料多層集積・ビルドアップ多層集積・チップレベル高精度接合・低ストレスダイシングインターネットファイアウォールﾊﾞｯｸｱｯﾌﾟ知識ﾃﾞｰﾀ蓄積ｻｰﾊﾞ委託事業者助成事業者再委託大学 MMC研究員 Web browser MediaWiki

Red Hat Enterprise Linux MMC 2006年12月試験運用開始ﾃﾞｰﾀ入力・閲覧ﾃﾞｰﾀ入力・閲覧ﾃﾞｰﾀ入力・閲覧インターネットファイアウォールﾊﾞｯｸｱｯﾌﾟ知識ﾃﾞｰﾀ蓄積ｻｰﾊﾞ委託事業者助成事業者再委託大学 MMC研究員 Web browser MediaWiki

Red Hat Enterprise Linux MMC 2006年12月試験運用開始ﾃﾞｰﾀ入力・閲覧ﾃﾞｰﾀ入力・閲覧ﾃﾞｰﾀ入力・閲覧

(36)

◆知識データ収集の可視化

（カテゴリ、キーワード別入力ランキング表示、DB内全文検索機能）

平成１８∼２０年度の成果（

２

２ ）

）

ファインMEMSカテゴリ別の入力ランキング知識データ入力画面（メインページ）高集積・複合ＭＥＭＳ製造技術開発プロジェクト DB内全文検索ボックスキーワード毎の入力ランキング

平成１８∼２０年度の成果（

３

３ ）

）

8 ◆ファインMEMSに関わる知識データの集積・MEMS/ナノ、MEMS/半導体、MEMS/MEMSを網羅したデータ１５００件超を登録 (目標：１０００件）・開発テーマに対応した２０００年以降の国内公開特許、米国登録特許、およびＰＣＴ公開特許を調査し、抽出した４５００件超の特許情報をDBに実装・特許出願件数の多いＭＥＭＳ/半導体の一体形成技術およびＭＥＭＳ/ＭＥＭＳの高集積結合技術の出願動向をまとめた分析資料集をデータベースに実装分析資料集特許情報知識データ登録例特許情報リスト画面

(37)

公開用ファイン

MEMS

知識

DB

の構築と運用

9 ◆利用ガイドライン、利用規約、閲覧ユーザアカウント作成機能を付加し、６月第２週より（財）マイクロマシンセンター（MMC）のホームページ上に一般公開を開始した。

http://www.mmc.or.jp/memspedia/

◆MMCにおいて知識DBの管理・運営を継続することにより、ユーザが関心を持っている技術分野・知識の把握・分析を行い、これらの情報を踏まえて、ＭＥＭＳ分野の包括的な知識基盤となる百科事典 MEMSPedia として整備、効果的な普及を図る。高集積・複合ＭＥＭＳ製造技術開発プロジェクト

(38)

(39)

1 高集積・複合ＭＥＭＳ製造技術開発プロジェクト

等価回路ジェネレーターの開発

静岡大学電子工学研究所橋口原

2009.7.31

ファインMEMS

システム化設計プラットフォーム研究開発

2

研究背景と開発目標

http://www.analog.com/jp/mems-and-sensors /imems-gyroscopes/adxrs622/products/product.html

アナログデバイセズヨーレートセンサーの

ブロックダイアグラム

ＭＥＭＳ設計者は構造設計

ができるツールを使いたい。

回路設計者はＳＰＩＣＥ等の回

路シミュレータを使いたい。

構造設計からネットリスト

を生成する機能を開発

し、両者の間を取り持つ

設計プラットフォームを提

供する。

センサーシステムとしてＭＥＭＳと

回路を一体化した設計が必要。

ＭＥＭＳ

センサー

ドライブ

回路

センシン

グ回路

開発目標

等価回路ジェネレーター

(40)

レーザーダイシングの基本コンセプト

等価回路ジェネレーターとは

* source COMB_PARALLEL_X R_R8 0 P1 P2 1T V_V1 P6 P7 0 DC 0Vdc AC 1Vac ・・・ C_C8 0 N11813 100p .subckt COMB_PARALLEL_X 1 2 3 4 F_CP1 4 3 V_CP1 51e-6 V_CP1 1 5 0V C_C1 4 3 1.5p E_E1 2 5 4 3 51e-6 .ends COMB_PARALLEL_X

MEMSのソリッドモデルを設計すると‥‥

ネットリスト：

回路の接続情報、素子情報

を記述したテキストファイル。

SPICEでは回路を全てネット

リストで表現しシミュレーショ

ンしている。

MEMSの特性を表す等価回路

をネットリストとして出力

任意形状（※）のMEMSに

対応する等価回路生成

ツールは世界初。

※本プロジェクトでコンポーネント化し

た構造の組み合わせに限る。

MEMS-ONEのプラットフォーム上で動作

4

設計の具体的な流れ(1)‥ソリッドモデルから

等価回路パラメータ表の自動生成

upload download WEBサーバ側 ◆コンポーネントパラメータの自動抽出 CADデータから、コンポーネントの形状パラメータと幾何配置情報（幾何接続情報）を自動的に抽出 ◆コンポーネント間の機械的接続網の自動生成コンポーネント間の幾何配置情報から、機械的接続網を自動的に生成 2端子櫛歯アンカーアンカー梁バネアンカー梁バネ梁バネ梁バネパラメータ表セット 3DCAD中間ファイル 3DCAD(MemsONE) 等価回路モデル3次元CAD 相互変換ツール 2端子櫛歯モデル相互変換ツールGUI 機械接続情報テーブル幾何配置情報、機械接続情報の自動生成クライアントPC 形状パラメータの自動抽出

(41)

設計の具体的な流れ(2)

‥等価回路ジェネレータにパラメータを入力

幾何的接続情報画面 ∼ コンポーネントの接続情報の設定画面

（１）WEB上で設定内容の確認・変更操作

電気・機械パラメータの抽出電気・機械パラメータの抽出結果駆動回路など周辺回路の設定

（２）電気・機械パラメータの抽出結果の表示と編集

各コンポーネントの直流動作点における電気・機械特性パラメータを抽出櫛歯コンポーネント 6

設計の具体的な流れ(3)‥シミュレーション

（３）結果表示図、解析条件指示後、ネットリスト生成

回路シミュレーション解析条件設定 SPICEネットリストの生成とダウンロードグラフ理論に基づき、見た目の接続の双対回路を生成 1 1e H ! 1 v m j! 1

0

k j! r 1 2 v 2 1 m Z 2 2e H ! 3 v 3 1 m Z 3 3e H !

（４）計算の実行と結果表示

シミュレーション結果の表示 SPICE３の実行と結果一覧 Web上で電流値、変位などの計算結果が見れる

(42)

等価回路ジェネレータの流れのまとめ

3DCAD(MemsONE) で作成したデバイス構造 ①形状パラメータ抽出 ②回路定数決定のための電気機械特性抽出 SPICE実行 ③機械回路合成電気・機械特性抽出／グラフ化コンポーネント毎の形状パラメータ＋コンポーネント接続情報（パラメータ表セット）クライアントＰＣＷＥＢサーババネ定数櫛歯容量コンポーネント毎に抽出 L, W, T…. L, W, T…. !"#$%#& !"!$%#& !"'$%#& !"($%#& !")$%#& !"*$%#& (*## (&## (+## )!## )(## )*## ,-./0.12345678 9:; <==>12.4 5?8 @.>AB:2C(DE @.>AB:2C*DE @.>AB:2C!#DE ?<;B:2C(DE ?<;B:2C*DE ?<;B:2C!#DE • • • • x v m C ! m C Cm"Cy!! y v De ! ! Dvx ! Bvy ! Be デバイス構造（パラメータ表セット）の設定 8

等価回路ジェネレータの特徴

2種類の等価回路手法を採用

→電気端子から見た特性インピーダンスを導出し、回路合成により等価

回路を生成（MEMS形状に関する汎用性なし、外力なし）

→電気端子と機械端子を有し、変換係数を従属電源により表現

•機械系の自由度が3次元

•MEMS-MEMS練成における回路合成に対応

•形状パラメータの判別、抽出

•電界のフリンジ、バネの非線形も考慮したパラメータ抽出

静電型アクチュエータ

磁気アクチュエータ（1ターンカンチレバー）

圧電カンチレバー

音響回路

各種梁構造

モデル化コンポーネント

(43)

等価回路化の手法(1)

10

等価回路化の手法(2)

(

)

(

)

!! " # $ $ % & + + ! ! ! ! " # $ $ $ $ % & _' + !! ! " # $$ $ % & ₊ ₊ ( !! " # $$ % & ! ! ! ! " # $ $ $ $ % & + ' + + = !! " # $$ % & 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 p f p f C C j X E C X E C j k m j r e C C j X E C X E C j k m j r i f ) ) ) * ) ) )

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相互変換回路電気回路機械回路

G

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Bv

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機械回路

電気回路

相互変換回路

1次元モデル

!

1

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j

!

1

0 k

j

!

r

e

H

!

グラフ理論に基づき、見た目の接続の双対回

路を生成する。

コンポーネントの接続

情報を元に自動生成

12

まとめ

｢MEMS構造体＋周辺電気回路」を電気回路システム

として概略設計がしたい

M

icro

E

lectro

M

ech.

S

ystems

システム化設計プラットフォームによる

MEMS設計Flow

•汎用的なMEMS構造を等価回路化し、ネットリストを出力する等価

回路ジェネレータを開発。（世界初）

•平成21年6月に一般向けにリリース。登録のみで利用化。

•電気等価回路から考えるMEMS設計に関する研究会等を利用して

普及を図る予定。

特許1件、学会発表8件、論文1件（＋投稿中1件）

(45)

13

MEMS等価回路ジェネレータ URL

(46)

03_委託テーマ発表資料（その２）（p.89-p.134).pdf

カーボンナノチューブの

MEMSデバイスへの応用

(独)産業技術総合研究所

スーパーグロースＣＮＴチーム グループ長

畠 賢治

2009.7.31

カーボンナノチューブ開発ロードマップ

ランダム

ランダム

配向

配向

/

/

制御

制御

大

量

大

量

単一

単一

開

発

の

方

向

開

発

の

方

向

ナノチューブ産業の創出

カーボン兄弟の代替

5-10年で

スーパーグロースコンソーシアム

ナノチューブデバイス

次世代エレクトロニクス

10-20年

つくばナノテク拠点

カーボンナノチューブ・ナノデバイス

・半導体ロードマップで、Beyond-CMOSの一番候補として選定

プラスチック基板上

CNTトランジスタ

ソース

電極

ドレイン

電極

CNT膜

塗布型CNTトランジスタ

NECより提供

未来像２によるスーパーグロースＣＮＴ産業

産総研

自由自在に設計したカーボンナノチューブ3次元デバイス

読売新聞（朝刊）

２面

朝日新聞（朝刊）

３１面

毎日新聞（朝刊）

２面

日本経済新聞（朝刊）１２面

常陽新聞

３面

日経産業新聞

６面

化学工業日報

１面

日刊工業新聞

２２面

新聞報道

日経産業新聞 2008年度 技術トレンド調査

「新規性＋話題性」部門

第２位

カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）とは

カーボンナノチューブ

構造

代表的特性

・鋼の20倍の強度

・銅の10倍の熱伝導性

・アルミの半分の密度

スーパーグロースＣＮＴチームグループ長

畠賢治

日経産業新聞 2008年度技術トレンド調査

_{代表的特性}

概要図