マイクロメカトロニクス・システムの製作プロセス統合に関する研究

1996 年度 研究成果報告書概要

• 研究課題/領域番号: 07044122
• 研究種目: 国際学術研究
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 共同研究
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 増沢 隆久 東京大学, 生産技術研究所・第2部, 教授 (60013215)
• 研究分担者: 川勝 英樹 東京大学, 生産技術研究所・第2部, 助教授 (30224728) ; 平本 俊郎 東京大学, 大規模集積システム設計教育研究センター, 助教授 (20192718) ; 藤田 博之 東京大学, 生産技術研究所・第3部, 教授 (90134642) ; 橋本 秀樹 東京大学, 生産技術研究所・第3部, 助教授 (30183908) ; PORTE Henri フランス国立科学研究センター, LOPMD研究所, 研究員 ; 原島 文雄 東京大学, 生産技術研究所・第3部, 教授 (60013116) ; DUCROQUET Fr フランス国立科学研究センター, IEMN研究所, 研究員 ; PLANA Robert フランス国立科学研究センター, LAAS研究所, 研究員 ; 藤野 正俊 東京大学, 生産技術研究所・第2部, 助手 (90242130) ; 年吉 洋 東京大学, 生産技術研究所・第3部, 講師 (50282603) ; CAMON Henri フランス国立科学研究センター, LAAS研究所, 研究員 ; MOLLIER Pasc フランス国立科学研究センター, LOPMD研究所, 研究員 ; MINOTTI Part フランス国立科学研究センター, LMARC研究所, 研究員 ; GORECKI Chri フランス国立科学研究センター, LOPMD研究所, 研究員 ; PIERALLI Chr フランス国立科学研究センター, LOPMD研究所, 研究員 ; HAESE Nahtal フランス国立科学研究センター, IEMN研究所兼リール大学, 研究員助教授 ; ROLLAND Paul フランス国立科学研究センター, IEMN研究所, グループ長 ; DECARPIGNY J フランス国立科学研究センター, ISEN研究所, 所長 ; HOUDEN Danie フランス国立科学研究センター, LPMO研究所, 所長 ; GAGNEPAIN Je フランス国立科学研究センター, 工学部門, 部長 ; DECARPIGNY Jean-Noel ISEN/CNRS ; GAGNEPAIN Jean-Jaeques CNRS
• 研究期間 (年度): 1995 – 1996
• キーワード: マイクロマシン / 微細加工 / 光学システム / 原子間力顕微鏡 / 半導体プロセス / 電解研磨 / ミリ波 / シリコンの塑性変形 / micromachining

研究概要

電子回路のマイクロ化の急速な進捗に対して、それに対応する機械機構部分の小型化が、焦眉の課題となっている。特に、それを実現するための製作技術を開発することが急務である。ここで、単に機構を小型化しただけでは、動作制御のための情報収集と処理が行えないので、センサや電子回路、機能素子も含めた集積化が要求される。しかし、異種の素子を作る技術は各々大きく異なっており、個別にしか適用できないという問題があった。このため、異種プロセスを統合的した製作法の確立が必須である。
本研究では、立体的なマイクロ構造、マイクロアクチュエータ、電子回路、光素子、など全く異なった機能の素子から成るシステム(マイクロメカトロニクスシステム)を容易に実現できる統合的な製作法を目的とした。製作法を具体的に検討するための対象として、微小光システム、走査マイクロプローブ顕微鏡(SPM)、ミリ波アンテナのスキャナをとりあげ、その概念設計・製作プロセスの開発・実験的検討を行った。
(1)微小光システムについては、半導体レーザからの光を出力用の光ファイバーへなるべく低損失で結合するために、光軸合わせを行うマイクロ移動ステージを設計した。その製作法を検討した結果、半導体プロセスを中心とすることが望ましいが、3次元的な構造も作る必要があることが判った。このため、多結晶シリコン薄膜を望みの立体的形状に変形できるプロセス(通電加熱塑性変形法)を新たに開発した。このプロセスの第1ステップとして、薄膜を基板から立体的に持ち上げる工程があるが、これを一体化したマイクロアクチュエータの力で行うことを可能にした。即ち、外部からの手動操作によらず、電気信号を与えるだけで3次元マイクロ構造を自己構築する事を可能にした。作製した構造を静電気力で微細に動かせることを示した。
(2)走査マイクロプローブ顕微鏡(SPM)については、nmオーダの微小な振動プローブ(ナノカンチレバ-)と試料表面の間に働く力を測定する、極めて高感度の原子間力顕微鏡を設計した。この場合ナノカンチレバ-の製作法が最大の技術課題であるため、電解液の膜を用いて探針先端を電解研磨加工する方法を開発した。これを別途開発した高感度光検出系と組み合わせ、振動プローブを試料表面に徐々に近づけた時の相互作用を計測した。この結果、試料近くの空気膜のダンピングが支配的な領域、ファンデルワールス力による吸引力の支配的な領域、表面の吸着力と弾性的な反発力の同時に働く領域、固体の弾塑性反発力の支配的な領域、の4領域を明瞭に区別することができた。最後の領域では、試料表面をナノメータの寸法で加工する可能性も示した。
(3)ミリ波アンテナのスキャナは、アンテナの乗る溶融石英基板と駆動電極を付加したシリコン基板とをバルクマイクロマシニングして、両者を組み立てて製作することとした。アナテナ自体は薄膜のマイクロマシニングで作り、さらにミリ波の発信器は化合物半導体プロセスで作ったものを溶融石英基板の表面に実装する必要がある。即ち、化合物半導体プロセス、薄膜のマイクロマシニング、バルクマイクロマシニング、機械的組み立ての統合的製作法を検討することができた。アンテナと発信器を基板貫通配線を用いるなどの工夫で結合することができた。また、アンテナを載せた石英の可動部をシリコン基板上の支持構造及び電極と位置合わせし、可動部を静電気力により駆動できることを確かめた。
以上の成果から、様々のマイクロマシニング技術を用いて、実際的なシステムを製作し、それが望みの機能を果たすことを確かめることができた。これにより、マイクロアクチュエータ、電子回路、光素子、など全く異なった機能の素子から成るシステム(マイクロメカトロニクスシステム)を容易に実現できる結合的な製作法の検討と基礎的な実証という、本研究の目的を満足することができた。

研究成果

• [文献書誌] ドミニック・コラール,ミシェル・ド・ラバシェルリ-,ムサ・ウマディー,ハネス・プロイレル,藤田博之,平本俊郎,橋本英樹,川勝英樹,増沢隆久: "フランス科学技術庁(CNRS)と東京大学生産技術研究所(IIS)のマイクロメカトロニクスに関する共同研究" 生産研究. vol.47 No.5. 244-249 (1995)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] Yamato Fukuta,Terunobu Akiyama,Hiroyuki Fujita: "A Reshaping Technology with Joule Heat for Three Dimensional Silicon Structure" The 8th International Conference on Solid-State Sensors and Actuators(TRANSDUCERS′95). vol.1. 174-177 (1995)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] B.Kim,C.Bergaud S.Konishi,T.Masuzawa H.Fujita: "Fabrication of micro twin probe for dimensional measurement of microholes" 平成8年度電気学会全国大会論文集. E. 3162 (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] K.Egashira.,T.Masuzawa,M.Fujino and X.Q.Sun: "Micro-USM technique by fabricating microtools on the machine" Proceedings of the 3rd France-Jpan Congress & 1st Europe-Asia Congress on Mechatronics. vol.2. 509-512 (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] H.Fujita: "A Decade of MEMS and its Future" Proceedings IEEE the 10th Annual International Workshop on Micro Electro Mechanical Systems. vol.1. 1-8 (1997)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] D.Chauvel,N.Haese,P-A Rolland,D.Collard,H.Fujita: "A Micromachined Microwave Antenna Integrated with its Electrostatic Spiral Scanning" Proceedings IEEE the 10th Annual International Workshop on Micro Electro Mechanical Systems. vol.1. 84-89 (1997)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] 藤田博之: "自律分散をめざすロボットシステム" マイクロマシンの世界, 23 (1995)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] D.Collard, M.Labachelerie, M.Hoummady, H.Fujita, T.Hiramoto, H.Hashimoto, H.Kawakatsu, T.Masuzawa: "Joint Research on micromechatronics between the 'CNRS' AND 'IIS'" SEISANKENKYUU. 47. 244-249 (1995)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] Yamato Fukuda, Terunobu Akiyama, Hiroyuki Fujita: "A Reshaping Technology with Joule Heat for Three Dimensional Silicon Structure" The 8th International Conference on Solid-State Sensors and Actuators (Transducers '95). 1. 174-177 (1995)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] B.Kim, C.Bergaud, S.Konishi, T.Masuzawa, H.Fujita: "Fabrication of micro twin probe for dimensinal mesurement of microholes" 1996 National Convention Record I.E.E.Japan. E. 3162-3162 (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] K.Egashira, T.Masuzawa, M.Fujino and X.Q.Sun: "Micro-USM technique by fabricating microtools on the machine" Proceedings of the 3rd France-Japan Congress & 1st Europe-Asia Congress on Mechatronics. 2. 509-512 (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] H.Fujita: "A Decade of MEMS and its Future" Proceedings IEEE the 10th Annual International Workshop on Micro Electro Mechanical Systems. 1. 1-8 (1997)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] D.Chauvel, N.Haese, P-A Rolland, D.Collard and H.Fujita: "A Micromachined Microwave Antenna Integrated with its Electrostatic Spiral Scanning" Proceedings IEEE the 10th Annual International Workshop on Micro Electro Mechanical Systems. 1. 84-89 (1997)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より