2015 Fiscal Year Annual Research Report
カリウムイオンエレクトレット膜の長期信頼性評価と実デバイスによる検証
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15H03946
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| Research Institution | Shizuoka University |
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Principal Investigator |
橋口 原 静岡大学, 電子工学研究所, 教授 (70314903)
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2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | エレクトレット / カリウムイオン / MEMS / 帯電機構 / 保護膜 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は保護膜を形成したカリウムイオンを用いたエレクトレットデバイスの作製と帯電電圧の劣化特性を測定することを目的としている。今年度はどのような保護膜がカリウムイオンエレクトレットの帯電劣化を防ぐことができるのかを実験的に検討することが課題であった。保護膜の検討に先立ち、まず帯電原理を明らかにする実験を実施した。帯電モデルとして、パイレックスガラスとシリコン基板の陽極接合の原理と同様に、カリウムイオンを酸化膜に混入したことで発生する酸素欠損による負電荷が同数存在するとした。これはカリウムイオンを混入したas-grownの酸化膜では、電位が発生していない事実からの要請である。その後の帯電処理により、カリウムイオンが酸化膜表面に析出し中和され、残存する固定された酸素欠損による負電荷が空間電荷層を構成し、負電位を保持するというモデルを検証した。そのために帯電処理前後のカリウムイオンの分布を、二次イオン質量分析法（SIMS)により計測した。その結果実案したモデルと同様に、帯電処理した基板ではカリウムイオンが表面側に移動して、シリコン基板との界面付近から数百nm程度ではカリウムイオンが存在しない領域が発生していることが分かった。カリウムイオンの存在しない部分に負の空間電荷層が存在すると仮定して電位を計算したところ、表面電位計による電位とほぼ同じになることが確認できた。また帯電劣化の原因を特定するために、水蒸気雰囲気と高温処理を帯電した基板に行った。水蒸気により帯電を劣化させた基板では、100℃程度のアニールにより帯電電圧が回復することが分かった。また高温処理ではカリウムの分布がas-grownと同じ状態に戻っていることが分かった。以上の結果を踏まえ、通常の温度では水分を透過させない保護膜が必要なことが明らかになり、アルミナ膜とパリレン膜を検討し、パリレン膜にてその効果が確認された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
今年度の目標は帯電劣化の保護膜を検討することであった。そのためにまず帯電機構と劣化機構を実験的に明らかにすることが重要と考え、モデルの立案とその実証によりほぼ把握することはできた。またその知見に従って、保護膜としてパリレン膜がある程度の条件までは有効であることが確認できた。しかしパリレン膜を設けた際のMEMSデバイスの機械特性の変化に対しては、もう少し深く実験的に確かめる必要がある。
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| Strategy for Future Research Activity |
実験計画に基づき、引き続き保護膜の堆積条件と劣化特性について、高温恒湿試験を行って詳細を明らかにしていく。試験用櫛歯アクチュエータの再製作と、保護膜の成膜などの工程を繰り返し実施し、長期信頼性を担保する保護膜の条件を明らかにする。また同時に、シリコン窒化膜(SiN)の張力でダイアフラムを構成するシリコンエレクトレットマイクロフォンを試作し、これをカリウムイオエレクトレット法によりエレクトレット化してその特性を評価するとともに、高温高湿加速試験を実施し、大気雰囲気に晒される条件
で動作させなければならないマイクロフォンにおいて信頼性データを取得する。
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