A Study of MEMS Actuator Driven by Low DC Voltage

2018 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 18K04913
• Research Institution: Ishinomaki Senshu University
• Principal Investigator: 水野 純 石巻専修大学, 理工学部, 教授 (50644499)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: 第一試作 / 試作コインランドリ施設 / フォトマスク / プロセス設計 / Deep-RIE

Outline of Annual Research Achievements

研究課題「低直流電圧で駆動するMEMSアクチュエータに関する研究」について平成30年度に実施した研究成果を次のように述べる。
本研究は、現在の集積回路やマイコン等で使用されている3.3V～5.0Vの低直流駆動電圧を用いてマイクロアクチュエータを5μm以上という比較的大変位量が得られるように構造体及び駆動原理について様々な工夫を行う独創的・革新的な研究である。準備状況について既に一定程度進んでいたこともあり、デバイスの第一次試作は予想より早く完成することができ、一定の知見を得た。しかし、今後、特性評価や更なる改善等を行っていく予定であり、その結果がまとまり次第論文執筆するため、今回は実績の詳細な記載を差し控えたい。
第一の研究目的である詳細設計の確立について、事前準備のフォトマスクのパターン設計の一部分の改良を行った。そして、第二の研究目的であるデバイス製造のプロセスの確立とその試作について製造工程設計を行い、試作において東北大マイクロシステム融合研究開発センターの試　作コインランドリ施設を利用してデバイスを試作した。
試作コインランドリ施設は、予め東北大学ナノテク支援センター（CINTS）Web Siteにて課題を申請する必要があり、それを行った上で施設を利用できるようになる制度である。また、当該年度終了後にCINTSへ成果報告書（公開型）を提出する必要があり、その報告書を作成した。デバイスの第一試作に当たり、その施設で利用した主な装置は両面アライナ露光装置一式、レーザ描画装置、Deep-RIE装置、プラズマクリーナー、Vapor HF エッチング装置、デジタル顕微鏡、熱電子SEM、レーザ／白色光共焦点顕微鏡、ワイヤボンダ、純水や薬品等である。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

研究計画調書に記載した研究目的に対する達成度を次のように述べる。
①詳細設計の確立：本研究の事前準備で一定の設計段階まで至った。しかし、フォトマスクの設計に不具合があり、一部分は解決した。具体的には、一部のデバイスにおいて、櫛歯アクチュエータの駆動部と固定部が物理的に繋がっていた箇所があったため、電気的にも同電位となり、静電引力が発生しなかった問題が生じた。そこで、フォトマスク設計の段階でトレンチパターンを追加することにより、問題となっていた箇所を完全に切り離すことができた。しかし、それ以外にもバネを電気的に完全に絶縁する対策をまだ行っていないため、今後解決していく予定である。
②デバイス製造のプロセスの確立とその試作：研究実績の概要欄に記載した通り、試作は東北大マイクロシステム融合研究開発センターの試作コインランドリ施設利用によってデバイスを試作した。そこで第一試作を行い、プロセスを確立した。更に、最小製造可能寸法に至るための条件出しを行った。この結果により、構造体を支えると共に可動電極部を動かすバネ構造の最小製造可能寸法で設計可能となり、デバイスを低直流電圧で駆動する実現可能性が大幅に高まった。また、Deep-RIE加工において、ノッチングフリーかつ低スキャロップエッチング加工を実現することができた。
③駆動電圧3.3V～5.0Vで動作検証（デバイスの特性評価）：駆動実験はまだ行っていないが、第一試作のデバイスをセラミックパッケージに実装しガラスリッドで封止し、特性評価を容易に行うように準備した。また、それと並行にデバイスに用意した電極パッドに直接プローバを接触して評価できるように評価システムを構築した。

Strategy for Future Research Activity

今後の研究の推進方策として、基本的には実験計画に沿って引き続き研究を遂行する。具体的には、第一次試作のデバイスの特性評価を行い、その結果を次期試作にフィードバックする予定である。また、最小製造可能寸法の限界までデバイスを設計できことが分かったため、そのことも踏まえて次期試作の構造設計に反映していく予定である。

Causes of Carryover

第一次試作が予想より早く進み、試作コインランドリ施設利用回数が当該年度に予定されていた回数より少なかったためである。2019年度では、特性評価の結果や最小製造可能寸法に基づいた構造設計とその試作難易度が高まることにより、次期試作デバイスの試作における施設利用回数が増えると共にフォトマスクやSOIウエハーといった材料費用も増えると予想されるので、繰越費用はその用途に使用する。