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MEMS技術とは? スマートフォンや光通信に欠かすことのできない技術

   最終更新日:    公開日: 2022/06

ジャイロセンサーや加速度センサー、光スイッチ可変光フィルターなど、自動車や光通信システムなどで使用される微細な部品の製造にはMEMS技術が欠かせません。近年、スマートフォンの普及や、IoT技術の利用拡大などにより、MEMS技術の重要性は更に高まっています。

機械要素部品と電子部品を備えたデバイス

MEMSは、Micro Electro Mechanical Systems(微小電気機械システム)の頭文字をとった略称です。MEMSデバイスは、センサーやアクチュエーター、スイッチなどの機械要素部品と各種の電子部品を、シリコン、ガラス、有機材料などの基板上に、微細加工技術を用いて集積したものです。非常に小さく、様々な機能を備え、低電力でも機能させることができます。スマートフォンやIoT機器、光通信機器など、小型、省電力化とともに、高機能化や高精度化を目指す製品には欠かすことができません。半導体素子の製造のように、一度に多くのデバイスを製造することができるので、コストを下げることもできます。

一般的な半導体素子とは異なり、数mm程度のサイズの中に、ミクロンオーダーの立体的な構造を持ち、多くのMEMSデバイスは、機械的に動作する可動部を有しています。これにより、スイッチを切り替えることや、加速度・重力・圧力の検知、ナノ・ミクロンサイズの物質を操作・搬送・確保などをすることが可能になります。

また、MEMSデバイスをマイクロマシンと呼ぶことがありますが、マイクロマシンは機械的駆動機構と、それを制御する電子回路を持った微小な機械を主に指します。MEMSデバイスは、機械要素部品と電子部品により、機械的、電気的、光学的、化学的など、多様な機能を備えた微小なデバイスを主に指します。MEMSについての明確な定義は現状無いので、完全には切り分けできていません。

MEMSデバイスの製造方法

MEMSデバイスの製造では、半導体製造やレーザー加工等の微細加工技術が用いられます。半導体製造技術を用いたMEMSデバイスの製造では、半導体製造で行われるプロセスが基本です。レジスト塗布、フォトリソグラフィー、エッチング・堆積の工程を繰り返すことでシリコンウェーハ上にMEMSデバイスの構造体を形成し、ウェーハ接合やダイシング、ボンディング、パッケージングなどを行ってデバイスが完成します。

エッチングのプロセスは、ウェットエッチングとドライエッチングに分けられ、エッチングの進行の仕方により等方性エッチングと異方性エッチングとに分けられます。特に、フッ素や塩素などの反応性イオンを用いる異方性ドライエッチングは反応性イオンエッチング(RIE)といい、シリコンウェーハに垂直に深くエッチングすることが可能です(Deep-RIE)。微細な歯車などの構造物を加工する際に用いられます。

片持ち梁や中空形状などの立体的な構造を作る際には、犠牲層エッチングの技術が用いられます。フォトリソグラフィーとエッチングの工程を繰り返す際に、シリコン酸化膜などで犠牲層を形成し、その上に構造体となる層を形成します。等方性エッチングにより、犠牲層を除去することで構造体が作られます。

 また、表面に構造体を形成したウェーハにキャビティ構造を形成したウェーハを張り合わせることで、気密性の高い中空構造内に可動部などの構造体を作る技術も用いられます。加速度センサーやジャイロセンサーを備えたMEMSデバイスの製造に用いられます。

MEMSデバイスの使用例

MEMSデバイスは多くの機器に用いられています。近年では化学、バイオ分野にも利用範囲がひろがっています。

例えば、スマートフォンにはMEMS技術を用いて製造された、加速度センサー、ジャイロセンサー、BAWフィルター、マイクロフォンなど多数のデバイスが使用されています。薄型、軽量、省電力を必要とするスマートフォンにはMEMSデバイスは欠かすことができません。自動車でも、加速度センサー、ジャイロセンサー、圧力センサー、振動センサーなど、数多くのデバイスが使われています。プロジェクターや3Dプリンターに用いられるDLPチップのデジタルマイクロミラーデバイス(DMD)も、MEMS技術により製造されています。インクジェットプリンターのプリンタヘッドや光スキャナのガルバノメーターの製造にも必要です。

光通信分野でも数多くのMEMSデバイスが用いられています。MEMS技術により製造された光スイッチは、低挿入損失、フラットな波長依存損失、低偏光依存損失、低クロストークの特性を持ち、省サイズで高速なチャンネル切り替えが実現できます。また、MEMS技術による可変光減衰器は、低挿入損失、広い減衰範囲、平坦な波長依存損失と低偏光依存損失の特性を持ち、非常に低電圧での動作が可能です。最新の光ネットワークシステムを支える重要なパーツです。

光スイッチ



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