成果報告書詳細
管理番号20110000001060
タイトル平成21年度~平成22年度成果報告書 異分野融合型次世代デバイス製造技術開発プロジェクト 高機能センサネットシステムと低環境負荷型プロセスの開発
公開日2011/9/28
報告書年度2009 - 2010
委託先名技術研究組合BEANS研究所
プロジェクト番号P09008
部署名機械システム部
和文要約 本研究開発は「異分野融合型次世代デバイス製造技術開発事業」出口分野構築と成果実証を目的に、H21年度末からH22年度末に実施した。具体的には低環境負荷型社会システム作りに貢献する高機能MEMSセンサとセンサネットシステム構築及び高機能MEMSセンサ生産性向上に不可欠な8インチMEMSライン構築を含めた低環境負荷型プロセス技術開発を目指した。
 省エネルギー効果検証に、温度・湿度・塵埃量・人体検知等からなるセンサネットシステム及び空調ファンを制御するオンデマンド型システムを開発した。そしてエネルギー消費量90年度比60%削減効果を実験クリーンルーム及び新設した大型クリーンルーム・8インチMEMSラインで検証した。
 大型クリーンルームの一部と8インチMEMSラインは産業総合研究所つくば東事業所に新設、MEMS/LSIの前から後工程プロセス設備、表面、内部の形状までカバーする評価設備を整備した。
 センサネットの効果を最大限発揮するには、センサ群の集積化・小型化・低消費化及び低コスト化が不可欠である。その課題抽出に高機能センサモジュールを開発した。温度・湿度・圧力・加速度のセンサ、低消費電力な特定小電力無線送信・信号処理回路、アンテナからなるモジュールを30mmx30mmx10mm内に収めた。センサ処理用LSIの試作を行い、約50%の低消費電力化を得た。
 新センサ原理として、3次元ナノ粒子配列としてトレンチにSnO2粒子をポーラス状に埋込み、ガスセンサとしてセンサ部面積1/2以下の省スペース化と感度維持を両立した。振動発電デバイスとして、1μWオーダ発電の可能性を示した。パーティクルセンサMEMS化検討として新たな光学系を提案、パーティクル検出を確認した。WO3のMEMS型低消費電力ガスセンサの開発を行い、NH3ガスに対して低消費電力・ppbレベル高感度を達成した。高感度温度センシングとして、非鉛系強誘電体材料薄膜検討で従来のPZTと遜色ない結果を得た。
 低環境負荷プロセス開発として、SF6ガスエッチングを使用しないポリマー・センサ融合プロセスの開発を行い、電鋳成型金型基本プロセスを確立、ポリマー材料ミラーから成るアクチュエータMEMSを試作した。
 低環境負荷プロセスを確立するベースの構築に向け、上記8インチMEMSラインで5種のセンサTEGの開発・試作及び解析評価手法を開発し、歩留り等のデータとデバイスの特性・信頼性を劣化させる、装置・プロセス・デバイス構造のそれぞれに起因する欠陥・ばらつき評価を実施した。加え異分野融合型次世代デバイス製造プロセス技術の実証目的で、中性粒子ビームエッチング及びマルチプローブアレイプロセス検証を実施した。8インチラインで中性粒子ビームエッチング用TEG及びマルチプローブアレイを試作、中性粒子ビームエッチングによる機械的特性改善効果、マルチプローブアレイ20本の電流値同時計測技術構築を行った。
 低環境負荷型深堀エッチング技術開発として、SF6ガス代替ガス候補を選定、エッチング中のプラズマ発光を10Hz周期リアルタイムモニタリング手法とフィードバック制御手法を開発し、温暖化ガス排出量を90%削減できるエッチング最適化指針を得た。また低環境負荷型集積化プロセス基盤技術開発として、接合温度250℃以下で機能膜を劣化させず、接合強度をウェハ母材強度から1/10強度に制御する接合・気密封止技術を開発した。また、3次元設計・計測情報共有化として、力学特性とX線CTによる3次元形状計測を設計ツールで利用するデータ変換技術の課題を抽出、環境情報共有化として8インチMEMS製造工程でのライン及びプロセス視点の環境負荷データ共有化のデータベース基盤を構築した。
 またマイクロマシン・MEMS展含め展示会に出展、Web紹介など普及広報活動を実施した。
英文要約 This research and development was carried out between the end of 2009 and the end of 2010 to establish R&D item (5), “A high performance sensor net system and manufacturing process with low environmental impact” in order to establish an exit field for, and to validate the findings of the Hetero-functional Integrated Device Technology Development Project. Specifically, the R&D was aimed at building high-performance MEMS sensors that can contribute to establishing social systems with low environmental impact and associated sensor net systems. A further aim was to develop manufacturing process technologies with low environmental impact, including building the 8-inch MEMS process lines essential for improving productivity in high-performance sensor devices.
 To examine the effect on reducing energy, we developed a sensor net system consisting of temperature, humidity, dust level and human detection sensors, and a clean on-demand system that controls the air conditioning fan speed. The findings were validated using the test clean room, the newly built clean room and the 8-inch MEMS integrated line at AIST for the tests. Clean room energy consumption was reduced by 60% compared with fiscal 1990. At AIST Tsukuba East, part of the aforementioned clean room and 8-inch MEMS integrated line were newly constructed. Evaluation facilities were established covering the MEMS/IC front-end to the back-end process facilities, as well as device surface and internal evaluation.
 In order to maximize the effectiveness of the sensor net, it is essential that the sensors are integrated, highly compact, low-power and low-cost. To identify relevant issues, we developed a high-performance sensor module. The 30 x 30 x 10 mm module consists of sensors for temperature, humidity, pressure and acceleration, a specified low-power radio transmitter circuit with low power consumption, a signal processing circuit, and an antenna. We prototyped a low-power sensor processing IC and obtained a reduction in power consumption of around 50%.
 We developed a high-sensitivity gas sensor using nanoparticle arrays and reduced the area of the sensor by more than half while maintaining sensor sensitivity. We demonstrated that power can be generated in the order of 1 μW on an oscillating power device. A compact, low-cost MEMS particle sensor is difficult to achieve, so we proposed a new optical system and confirmed that it can detect particles. In addition, we developed a MEMS-type low-power gas sensor made of WO3, achieving low power consumption and high sensitivity at the ppb level when detecting ammonia (NH3) gas. We also studied high-sensitivity temperature sensors (human sensing) consisting of environmentally friendly lead-free ferroelectric thin film, obtaining results that compare favorably with conventional PZT.
 As part of our development of low-environmental impact processes, we developed technology for a polymer sensor fusion process that that uses no deep etching with SF6 gas unlike the silicon process, established a basic process with an electroformed mold, and prototyped a MEMS actuator comprising a mirror of polymer material.
  With a view to building the base for establishing a process with low environmental impact, we developed a method for 5 sensor TEG prototypings, and analysis and evaluation on the aforementioned 8-inch MEMS integrated line. We evaluated data for yield, productivity and so on, and defects and irregularities in manufacturing equipment, manufacturing processes, and device structure that cause degradation of device characteristics and reliability. We also developed measurement technology for directly evaluating the mechanical properties of these sensor TEG devices in an 8-inch wafer. Furthermore, with the aim of validating the hetero-functional integrated device manufacturing process technology, we conducted verification of the neutral beam etching and multi-probe array processes.
ダウンロード成果報告書データベース(ユーザ登録必須)から、ダウンロードしてください。

▲トップに戻る