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MEMS（マイクロ電気機械システム）は、電子部品と可動部品の両方を組み込んだ微細デバイスの技術です。MEMSは、1～100マイクロメートル（0.001～0.1 mm）のサイズの部品で構成されており、MEMSデバイスのサイズは一般的に20マイクロメートルから1ミリメートル（0.02～1.0 mm）の範囲ですが、アレイ状に配置された部品（デジタルマイクロミラーデバイスなど）は1000 mm²を超えることもあります。[ 1 ]通常、データを処理する中央ユニット（マイクロプロセッサなどの集積回路チップ）と、周囲と相互作用する複数の部品（マイクロセンサーなど）で構成されています。[ 2 ]
MEMSは表面積対体積比が大きいため、周囲の電磁気力（静電荷や磁気モーメントなど）や流体力学（表面張力や粘度など）によって生じる力は、より大規模な機械装置の場合よりも重要な設計上の考慮事項となります。MEMS技術は、分子ナノテクノロジーや分子エレクトロニクスとは異なり、後者2つでは表面化学も考慮する必要があるという点で区別されます。
非常に小さな機械の可能性は、それを作る技術が存在する前から認識されていました（例えば、リチャード・ファインマンの1959年の有名な講演「底には十分な空間がある」を参照）。MEMSは、通常電子機器の製造に使用される改良された半導体デバイス製造技術を使用して製造できるようになってから実用的になりました。[ 3 ]これらには、成形とめっき、湿式エッチング（KOH、TMAH）と乾式エッチング（RIEとDRIE）、放電加工（EDM）、および小型デバイスを製造できるその他の技術が含まれます。
それらはナノスケールで融合し、ナノ電気機械システム（NEMS）やナノテクノロジーとなる。
MEMSデバイスの初期の例としては、1965年にロバート・A・ウィックストロムがハーベイ・C・ネイサンソンのために開発したMOSFETの改良版である共振ゲートトランジスタがある。 [ 4 ]もう1つの初期の例は、1966年から1971年の間にレイモンド・J・ウィルフィンガーが特許を取得した電気機械式モノリシック共振器であるレゾニスタである。 [ 5 ] [ 6 ] 1970年代から1980年代初頭にかけて、物理的、化学的、生物学的、環境的パラメータを測定するための多くのMOSFETマイクロセンサーが開発された。[ 7 ]
「MEMS」という用語は1986年に導入されました。SC Jacobsen（主任研究者）とJE Wood（共同主任研究者）は、ユタ大学に授与された「マイクロ電気機械システム（MEMS）」と題するDARPAへの提案（1986年7月15日）を通じて、「MEMS」という用語を導入しました。 「MEMS」という用語は、1987年11月9～11日にマサチューセッツ州ハイアニスで開催されたIEEEマイクロロボットおよびテレオペレーターワークショップで、SC Jacobsenによる「マイクロ電気機械システム（MEMS）」と題された招待講演によって発表されました。「MEMS」という用語は、1987年11月9～11日にマサチューセッツ州ハイアニスで開催されたIEEEマイクロロボットおよびテレオペレーターワークショップの論文集に掲載された、JE Wood、SC Jacobsen、およびKW Graceによる「SCOFSS：小型カンチレバー光ファイバーサーボシステム」と題された投稿論文によって公表されました。[ 8 ] CMOSトランジスタはMEMS構造の上に製造されています。[ 9 ]
MEMSスイッチ技術には、容量型とオーム型の2つの基本的なタイプがあります。容量型MEMSスイッチは、可動プレートまたはセンシング素子を使用して開発され、これにより静電容量が変化します。[ 10 ]オーム型スイッチは、静電的に制御されるカンチレバーによって制御されます。[ 11 ]カンチレバーは時間の経過とともに変形する可能性があるため、オーム型MEMSスイッチは、MEMSアクチュエータ（カンチレバー）の金属疲労と接触摩耗によって故障する可能性があります。[ 12 ]
MEMSの製造は半導体デバイス製造のプロセス技術から発展したもので、基本的な技術は材料層の堆積、フォトリソグラフィーによるパターニング、および必要な形状を生成するためのエッチングである。[ 14 ]
MEMSプロセスにおける基本的な構成要素の一つは、厚さが1マイクロメートルから約100マイクロメートルまでの薄膜材料を成膜する能力である。NEMSプロセスも同様だが、成膜の厚さの測定範囲は数ナノメートルから1マイクロメートルまでである。成膜プロセスには以下の2種類がある。
物理蒸着（PVD）とは、ターゲットから材料を除去し、表面に堆積させるプロセスです。このプロセスには、イオンビームによってターゲットから原子を放出し、原子が中間空間を通過して目的の基板上に堆積するスパッタリング法と、真空システム内で熱（熱蒸着）または電子ビーム（電子ビーム蒸着）を用いてターゲットから材料を蒸発させる蒸着法があります。
化学蒸着技術には、化学気相成長法（CVD）があり、これは原料ガスの流れを基板上で反応させて目的の材料を成長させる方法です。CVDは、技術の詳細に応じて、LPCVD（低圧化学気相成長法）やPECVD（プラズマ強化化学気相成長法）など、さらにいくつかのカテゴリーに分類できます。酸化膜は、熱酸化法によっても成長させることができ、この方法では、（通常はシリコン）ウェハを酸素や水蒸気にさらして、二酸化ケイ素の薄い表面層を成長させます。
パターニングとは、パターンを素材に転写することである。
MEMSにおけるリソグラフィとは、一般的に、光などの放射線源を選択的に照射することで、感光性材料にパターンを転写するプロセスを指します。感光性材料とは、放射線源に照射されると物理的性質が変化する材料のことです。感光性材料を選択的に照射した場合（例えば、放射線の一部を遮蔽した場合）、照射された領域と照射されていない領域では性質が異なるため、照射された領域に放射線のパターンが転写されます。
この露出した領域は、除去または処理することで、下地の基板のマスクとして使用できます。フォトリソグラフィーは通常、金属やその他の薄膜の成膜、ウェットエッチング、ドライエッチングと組み合わせて使用されます。場合によっては、フォトリソグラフィーは、後処理エッチングなしで構造を作成するために使用されます。一例として、SU8ベースのレンズがあり、SU8ベースの正方形ブロックが生成されます。次に、フォトレジストが溶融して半球が形成され、これがレンズとして機能します。
電子ビームリソグラフィー（しばしばeビームリソグラフィーと略される）は、フィルム（レジストと呼ばれる）で覆われた表面をパターン状に電子ビームで走査し（レジストを「露光」 ） 、露光された領域または露光されていない領域を選択的に除去する（「現像」）手法である。フォトリソグラフィーと同様に、その目的はレジスト内に非常に小さな構造を作成し、それをその後、多くの場合エッチングによって基板材料に転写することである。集積回路の製造用に開発され、ナノテクノロジー構造の作成にも使用されている。電子ビームリソグラフィーの主な利点は、光の回折限界を克服し、ナノメートル範囲の特徴を作成する方法の1つであることだ。このマスクレスリソグラフィーの形式は、フォトリソグラフィーで使用されるフォトマスクの作成、半導体部品の少量生産、および研究開発で広く使用されている。電子ビームリソグラフィの主な制約はスループット、すなわちシリコンウェハやガラス基板全体を露光するのにかかる非常に長い時間です。露光時間が長いと、露光中に発生するビームのドリフトや不安定性に対してユーザーが脆弱になります。また、パターンが2回目に変更されない場合、再加工や再設計にかかるターンアラウンドタイムが不必要に長くなります。
集束イオンビームリソグラフィーは、 近接効果なしに極めて微細な線（50 nm以下の線幅と間隔が達成されている）を描画できることが知られている。 [ 17 ]しかし、イオンビームリソグラフィーの描画フィールドは非常に小さいため、大きな面積のパターンは小さなフィールドをつなぎ合わせて作成する必要がある。
イオントラック技術は 、耐放射線性鉱物、ガラス、ポリマーに適用可能な、分解能限界が約8nmの深穴加工ツールです。現像処理なしで薄膜に穴を開けることができます。構造の深さは、イオンの飛程または材料の厚さによって定義できます。アスペクト比は数10⁴まで達成可能です。この技術は、特定の傾斜角で材料の形状やテクスチャを加工できます。ランダムパターン、単一イオントラック構造、および個々の単一トラックからなるターゲットパターンを生成できます。
X線リソグラフィーは、電子産業において薄膜の一部を選択的に除去するために用いられるプロセスです。X線を用いてマスクから基板上の感光性化学レジスト（単に「レジスト」と呼ばれる）に幾何学的パターンを転写します。その後、一連の化学処理によって、形成されたパターンがレジスト下の材料に刻み込まれます。
ダイヤモンドパターニングは、ダイヤモンドMEMSを形成する方法である。これは、シリコンなどの基板にダイヤモンド膜をリソグラフィで塗布することによって実現される。パターンは、二酸化ケイ素マスクを介した選択的堆積、または堆積後にマイクロマシニングや集束イオンビームミリングを行うことによって形成できる。[ 18 ]
エッチングプロセスには、ウェットエッチングとドライエッチングの2つの基本的なカテゴリがあります。前者は、材料を化学溶液に浸漬して溶解します。後者は、反応性イオンまたは気相エッチング剤を使用して材料をスパッタリングまたは溶解します。[ 19 ] [ 20 ]
湿式化学エッチングは、基板を溶解溶液に浸漬することで材料を選択的に除去するプロセスです。このエッチングプロセスの化学的性質により、高い選択性が得られます。つまり、慎重に選択すれば、対象材料のエッチング速度はマスク材料よりもかなり速くなります。湿式エッチングは、等方性湿式エッチング液または異方性湿式エッチング液のいずれかを使用して行うことができます。等方性湿式エッチング液は、結晶シリコンのすべての方向にほぼ均等な速度でエッチングします。異方性湿式エッチング液は、特定の結晶面を他の面よりも速い速度でエッチングする傾向があるため、より複雑な3次元微細構造を実装できます。湿式異方性エッチング液は、ホウ素エッチングストップと組み合わせて使用されることが多く、シリコン表面をホウ素で高濃度にドーピングすることで、湿式エッチング液に耐性のあるシリコン材料層が形成されます。これは、例えばMEWS圧力センサーの製造に使用されています。
エッチングはあらゆる方向に同じ速度で進行します。マスクに細長い穴を開けると、シリコンにV字型の溝が形成されます。エッチングが正しく行われ、寸法と角度が極めて正確に制御されれば、これらの溝の表面は原子レベルで滑らかになります。
シリコンなどの単結晶材料の中には、基板の結晶方位によってエッチング速度が異なるものがあります。これは異方性エッチングとして知られており、最も一般的な例の1つは、KOH（水酸化カリウム）によるシリコンのエッチングです。この場合、Si<111>面は他の面（結晶方位）よりも約100倍遅くエッチングされます。したがって、(100)-Siウェハに長方形の穴をエッチングすると、等方性エッチングのように湾曲した側壁を持つ穴ではなく、54.7°の壁を持つピラミッド型のエッチングピットが形成されます。
フッ化水素酸は、二酸化ケイ素（ SiO₂）の水性エッチング剤として一般的に使用される。2（SOI の場合は BOX とも呼ばれる）は、通常 49% の濃度で、5:1、10:1、または 20:1 の BOE（緩衝酸化物エッチング液クリーンルームで最も危険な酸の 1 つと考えられています。
シリコンのドーパント選択的除去のための電気化学エッチング（ECE）は、エッチングを自動化し、選択的に制御するための一般的な方法です。活性なp-nダイオード接合が必要であり、どちらのタイプのドーパントもエッチング耐性（「エッチングストップ」）材料として使用できます。ホウ素は最も一般的なエッチングストップドーパントです。上記のように湿式異方性エッチングと組み合わせることで、ECEは市販のピエゾ抵抗型シリコン圧力センサーのシリコンダイヤフラムの厚さを制御するために成功裏に使用されています。選択的にドープされた領域は、シリコンの注入、拡散、またはエピタキシャル堆積のいずれかによって作成できます。
二フッ化キセノン（XeF2 )はシリコン用のドライ気相等方性エッチングであり、元々は1995年にカリフォルニア大学ロサンゼルス校でMEMSに適用された。 [ 21 ] [ 22 ]主にシリコンのアンダーカットによって金属および誘電体構造を解放するために使用されるXeF2は、湿式エッチング剤とは異なり、スティクション性という利点がありますSiO₂にも使用できます。2窒化ケイ素、およびマスキング用のさまざまな金属。シリコンとの反応は「プラズマレス」で、純粋に化学的で自発的であり、パルスモードで操作されることが多い。エッチング動作のモデルが利用可能であり、 [ 23 ]大学の研究室やさまざまな商用ツールがこのアプローチを使用したソリューションを提供している。
現代のVLSIプロセスでは、ウェットエッチングを避け、プラズマエッチングを使用します。プラズマエッチング装置は、プラズマのパラメータを調整することで、いくつかのモードで動作させることができます。通常のプラズマエッチングは、0.1～5 Torrの圧力範囲で動作します。（この圧力単位は真空工学で一般的に使用され、約133.3パスカルに相当します。）プラズマは、ウェーハ表面で反応する、電荷を持たない高エネルギーのフリーラジカルを生成します。中性粒子はあらゆる角度からウェーハを攻撃するため、このプロセスは等方性です。プラズマエッチングは、等方性、つまりパターン化された表面の横方向のアンダーカット率が下方向のエッチング率とほぼ同じである場合と、異方性、つまり横方向のアンダーカット率が下方向のエッチング率よりも小さい場合があります。このような異方性は、深掘り反応性イオンエッチングで最大化されます。プラズマエッチングにおける異方性という用語の使用は、方位依存エッチングを指す場合の同じ用語の使用と混同すべきではありません。プラズマの原料ガスは通常、塩素またはフッ素を豊富に含む小分子から構成される。例えば、四塩化炭素（CCl₄）はシリコンとアルミニウムをエッチングし、トリフルオロメタンは二酸化ケイ素と窒化ケイ素をエッチングする。酸素を含むプラズマは、フォトレジストを酸化（「灰化」）して除去を容易にするために使用される。
イオンミリング、またはスパッタエッチングは、 10⁻⁴ Torr (10 mPa)程度の低圧で行われます 。希ガスの高エネルギーイオン（多くの場合 Ar⁺）をウェハに照射し、運動量伝達によって基板から原子を叩き落とします。エッチングはほぼ一方向からウェハに接近するイオンによって行われるため、このプロセスは非常に異方性があります。一方で、選択性が低い傾向があります。反応性イオンエッチング (RIE) は、スパッタエッチングとプラズマエッチングの中間の条件 (10⁻³ Torr から 10⁻¹ Torr の間) で動作します。深反応 性イオンエッチング (DRIE) は、RIE 技術を改良して、深く狭い構造を作製します。
反応性イオンエッチング（RIE）では、基板を反応炉内に置き、複数のガスを導入します。RF電源を用いてガス混合物にプラズマを発生させ、ガス分子をイオンに分解します。イオンはエッチング対象材料の表面に向かって加速し、反応して別のガス状物質を形成します。これが反応性イオンエッチングの化学的部分です。また、スパッタリング成膜プロセスに似た物理的部分もあります。イオンのエネルギーが十分に高ければ、化学反応を起こさずにエッチング対象材料から原子を叩き出すことができます。化学的エッチングと物理的エッチングのバランスをとるドライエッチングプロセスを開発することは、調整すべきパラメータが多数あるため、非常に複雑な作業です。化学的部分は等方性であり、物理的部分は高度に異方性であるため、このバランスを変えることでエッチングの異方性に影響を与えることができ、その結果、丸みを帯びたものから垂直なものまで、さまざまな形状の側壁を形成できます。
深反応性イオンエッチング（DRIE）は、人気が高まっているRIEの特殊なサブクラスです。このプロセスでは、ほぼ垂直な側壁で数百マイクロメートルのエッチング深さが実現されます。主な技術は、ドイツのロバート・ボッシュ社が最初に特許を出願したことにちなんで名付けられた、いわゆる「ボッシュプロセス」[ 24 ]に基づいています。このプロセスでは、反応器内で2種類の異なるガス組成が交互に使用されます。現在、DRIEには2つのバリエーションがあります。最初のバリエーションは3つの異なるステップ（オリジナルのボッシュプロセス）で構成され、2番目のバリエーションは2つのステップのみで構成されています。
最初のバリエーションでは、エッチングサイクルは以下のとおりです。
2番目のバリエーションでは、手順（i）と（iii）が組み合わされます。
どちらのバリエーションも同様に動作します。C4 F8は基板表面にポリマーを生成し、第2のガス組成物（SF6）6とO2）基板をエッチングします。ポリマーはエッチングの物理的工程ですぐにスパッタリングされますが、水平面のみで、側壁にはスパッタリングされません。ポリマーはエッチングの化学的工程で非常にゆっくりとしか溶解しないため、側壁に堆積してエッチングから保護します。その結果、50対1のエッチングアスペクト比を実現できます。このプロセスはシリコン基板を完全にエッチングするのに容易に使用でき、エッチング速度はウェットエッチングの3～6倍です。
シリコンウェハ上に多数のMEMSデバイスを作製した後、個々のダイを分離する必要があります。半導体技術では、この工程をダイプレパレーションと呼びます。用途によっては、ウェハの厚さを薄くするために、分離の前にウェハのバックグラインディングを行う場合があります。その後、冷却液を用いた切断、またはステルスダイシングと呼ばれるドライレーザー加工によって、ウェハのダイシングを行います。
バルクマイクロマシニングは、シリコンベースのMEMSの最も古いパラダイムです。シリコンウェーハの全厚がマイクロメカニカル構造の構築に使用されます。[ 20 ]シリコンはさまざまなエッチングプロセスを使用して加工されます。バルクマイクロマシニングは、1980年代と1990年代にセンサー業界を変革した高性能圧力センサーと加速度計を実現する上で不可欠でした。
表面マイクロマシニングは、基板自体を使用するのではなく、基板の表面に堆積された層を構造材料として使用します。[ 25 ]表面マイクロマシニングは、1980年代後半に、シリコンのマイクロマシニングを平面集積回路技術とより互換性のあるものにするために開発され、MEMSと集積回路を同じシリコンウェハ上に組み合わせることを目標としていました。当初の表面マイクロマシニングの概念は、可動機械構造としてパターン化された薄い多結晶シリコン層に基づいており、下層の酸化膜を犠牲エッチングすることで解放されました。櫛形電極を使用して、面内力を発生させ、容量的に面内運動を検出しました。このMEMSパラダイムにより、自動車のエアバッグシステムや、低性能および/または高G範囲で十分なその他のアプリケーション向けの低コスト加速度計の製造が可能になりました。アナログデバイスは、表面マイクロマシニングの産業化を先導し、MEMSと集積回路の共集積を実現しました。
ウェーハ接合とは、2 枚以上の基板（通常は同じ直径）を互いに接合して複合構造を形成するプロセスです。マイクロシステム製造で使用されるウェーハ接合プロセスには、以下のような種類があります。直接接合または融着接合では、通常シリコンまたはその他の半導体材料で作られた 2 枚以上のウェーハを接合します。陽極接合では、ホウ素ドープガラスウェーハを半導体ウェーハ（通常はシリコン）に接合します。熱圧着接合では、中間薄膜材料層を使用してウェーハ接合を容易にします。共晶接合では、金の薄膜層を使用して 2 枚のシリコンウェーハを接合します。これらの方法はそれぞれ、状況に応じて特定の用途があります。ほとんどのウェーハ接合プロセスは、接合を成功させるための 3 つの基本的な基準に依存しています。接合するウェーハが十分に平坦であること、ウェーハ表面が十分に滑らかであること、ウェーハ表面が十分に清浄であること。ウェーハ接合の最も厳しい基準は、通常、直接融着ウェーハ接合です。これは、1 個以上の微粒子でも接合が失敗する可能性があるためです。それに比べて、中間層を使用するウェーハ接合方法は、多くの場合、はるかに寛容である。[ 26 ]
バルクおよび表面シリコンマイクロマシニングは、センサー、インクジェットノズル、その他のデバイスの工業生産で使用されています。しかし多くの場合、この2つの区別は曖昧になっています。新しいエッチング技術である深反応性イオンエッチングにより、バルクマイクロマシニングに典型的な優れた性能と、表面マイクロマシニングに典型的な櫛形構造および面内動作を組み合わせることが可能になりました。表面マイクロマシニングでは構造層の厚さが2μmの範囲であることが一般的ですが 、HARシリコンマイクロマシニングでは厚さは10～100μmになります 。HARシリコンマイクロマシニングで一般的に使用される材料は、エピポリとして知られる厚い多結晶シリコンと、接合されたシリコンオンインシュレーター（SOI）ウェーハですが、バルクシリコンウェーハ用のプロセスも開発されています（SCREAM）。MEMS構造を保護するために、ガラスフリット接合、陽極接合、または合金接合によって2枚目のウェーハを接合します。集積回路は通常、HARシリコンマイクロマシニングと組み合わせられません。
MEMSの一般的な商業用途には以下のようなものがあります。
自動車用エアバッグシステム、ディスプレイシステム、インクジェットカートリッジなどの製品を含むマイクロ電気機械システムの世界市場は、SEMIとYole Developmentの調査レポート「Global MEMS/Microsystems Markets and Opportunities」によると、2006年には400億ドルに達し、2011年までに720億ドルに達すると予測されている。[ 40 ]
MEMS（マイクロエレクトロニクス・マイクロシステム）分野に強みを持つ企業は、規模も様々です。大企業は、自動車、バイオメディカル、エレクトロニクスなどの最終市場向けに、大量生産される低価格な部品やパッケージソリューションの製造を専門としています。一方、中小企業は革新的なソリューションで付加価値を提供し、高い販売マージンによってカスタム製造のコストを吸収しています。大小を問わず、多くの企業が新しいMEMS技術を探求するために研究開発に投資しています。
MEMSデバイスの製造に使用される材料および装置の市場規模は、2006年に世界全体で10億ドルを突破しました。材料需要は、市場の70%以上を占める基板、パッケージングコーティング、そして化学機械研磨（CMP）の利用拡大によって牽引されています。MEMS製造は依然として中古半導体製造装置が主流ですが、200mmラインへの移行や、特定のMEMS用途向けのエッチングおよびボンディングを含む新規装置の導入が進んでいます。