ナノ電気機械システム

ナノ電気機械システム（NEMS）は、電気的機能と機械的機能をナノスケールで統合したデバイスの一種です。NEMSは、いわゆるマイクロ電気機械システム、またはMEMSデバイスの次の論理的な小型化ステップを形成します。NEMSは通常、トランジスタのようなナノエレクトロニクスを機械式アクチュエータ、ポンプ、またはモーターと統合し、それによって物理的、生物学的、および化学的センサーを形成できます。この名前は、一般的なデバイス寸法がナノメートル範囲であることに由来しており、これにより、低質量、高い機械的共振周波数、ゼロ点運動などの潜在的に大きな量子力学的効果、および表面ベースのセンシングメカニズムに有用な高い表面積対体積比が得られます。^[2]アプリケーションには、加速度計や空気中の 化学物質を検出するセンサーが含まれます。

リチャード・ファインマンが1959年の有名な講演「底辺には十分な余地がある」で述べたように、機械はますます小型化しており、その潜在的な用途は多岐にわたります。より小型の装置を構築し、制御することで、あらゆる技術にメリットがもたらされます。期待されるメリットには、電気機械システムにおける効率性の向上、小型化、消費電力の削減、生産コストの削減などがあります。^[2]

最初の二酸化シリコン電界効果トランジスタは、1957年にベル研究所でフロッシュとデリックによって作られました。^[3] 1960年にベル研究所のアタラとカーンは、ゲート酸化膜の厚さが100 nmのMOSFETを製造しました。^[4] 1962年にアタラとカーンは、厚さ10 nmの金（Au）薄膜を使用したナノレイヤーベースの金属–半導体接合（M–S接合）トランジスタを製造しました。^[5] 1987年にビジャン・ダヴァリはIBMの研究チームを率いて、厚さ10 nmの酸化物の最初のMOSFETを実証しました。^[6]マルチゲートMOSFETにより、 FinFETを皮切りに、チャネル長を20 nm未満に縮小することが可能になりました。^[7] FinFETは、1989年に日立中央研究所の久本大輝氏の研究に端を発する。^{[8] [9] [10] [11]}カリフォルニア大学バークレー校では、久本氏とTSMCの胡晨明氏が率いるグループが1998年にチャネル長17nmまでのFinFETデバイスを製造した。^[7]

2000年、IBMの研究者らが最初の超大規模集積回路（VLSI）NEMSデバイスを実証しました。その前提は、メモリデバイス（ミリピードメモリ）として機能するために、変形可能な基板を加熱/感知できるAFMチップのアレイでした。^[12] Stefan de Haanによってさらにデバイスが説明されました。^[13] 2007年、国際半導体技術ロードマップ（ITRS）^[14]には、新興研究デバイスセクションの新しいエントリとしてNEMSメモリが含まれています。

NEMSの主な用途は、原子間力顕微鏡のチップです。NEMSによって感度が向上したことにより、応力、振動、原子レベルの力、化学信号を検出するセンサーがより小型で効率的になりました。^[15] AFMチップやナノスケールでのその他の検出は、NEMSに大きく依存しています。

NEMS の製造には、トップダウン アプローチとボトムアップ アプローチという 2 つの相補的なアプローチがあります。

トップダウンアプローチでは、光学、電子線リソグラフィー、熱処理といった従来の微細加工法を用いてデバイスを製造する。これらの方法の解像度には制限があるものの、得られる構造をかなり細かく制御することができる。この方法では、ナノワイヤ、ナノロッド、パターン化されたナノ構造などのデバイスが金属薄膜やエッチングされた半導体層から製造される。トップダウンアプローチでは、表面積と体積の比率を増やすことでナノ材料の反応性を高めることができる。^[16]

対照的に、ボトムアップアプローチは、単一分子の化学的性質を利用して、単一分子成分を自己組織化または自己集合させて何らかの有用な立体配座を形成するか、位置集合に依存する。これらのアプローチは、分子自己集合および/または分子認識の概念を利用する。これにより、製造プロセスの制御が制限されることが多いものの、はるかに小さな構造の製造が可能になる。さらに、トップダウンアプローチでは元の構造から除去される残留材料があるのに対し、ボトムアップアプローチでは最小限の材料が除去または無駄になる。^[16]

これらのアプローチを組み合わせて、ナノスケールの分子をトップダウンのフレームワークに統合することもできます。その一例がカーボンナノチューブナノモーターです。^[要出典]

NEMS技術で一般的に使用されている材料の多くは炭素ベースであり、具体的にはダイヤモンド、^{[17] [18]} カーボンナノチューブ、グラフェンです。これは主に、NEMSのニーズを直接満たす炭素ベース材料の有用な特性によるものです。炭素の機械的特性（大きなヤング率など）はNEMSの安定性に不可欠であり、炭素ベース材料の金属的および半導体的な導電性により、トランジスタとして機能することができます。

グラフェンとダイヤモンドはどちらも、ヤング率が高く、密度が低く、摩擦が少なく、機械的散逸が非常に低く、^[17]表面積が大きいという特徴があります。^{[19] [20] CNT の低摩擦性により、実質的に摩擦のないベアリングが可能になり、}ナノモーター、スイッチ、高周波発振器 などの NEMS の構成要素として CNT を実用化する大きな動機となっています。 ^[20]カーボンナノチューブとグラフェンの物理的強度により、一般的な材料では通常破損してしまうような高い応力要求にも炭素ベースの材料で対応できるため、NEMS 技術開発における主要材料としての使用がさらに促進されます。^[21]

炭素系材料の機械的利点に加えて、カーボンナノチューブとグラフェンの電気的特性により、NEMSの多くの電気部品に使用することができます。ナノトランジスタは、カーボンナノチューブ^[22]とグラフェン^{[23]の両方で開発されています。} トランジスタはすべての電子デバイスの基本的な構成要素の1つであるため、使用可能なトランジスタを効果的に開発することで、カーボンナノチューブとグラフェンは両方ともNEMSにとって非常に重要です。

ナノメカニカル共振器は、多くの場合グラフェンで作られています。NEMS共振器のサイズが縮小されるにつれて、表面積と体積の比に反比例して品質係数が減少する傾向があります。^[24]しかし、この課題にもかかわらず、実験的に品質係数が2400に達することが証明されています。 ^{[25]品質係数は、共振器の振動の音の純度を表します。さらに、グラフェン膜をすべての側面でクランプすると、品質数値が増加すると理論的に予測されています。グラフェンNEMSは、質量、 [26]}力、^[27]位置^[28]センサー   としても機能します。

カーボンナノチューブ(CNT) は、円筒形のナノ構造を持つ炭素の同素体です。巻かれたグラフェンと考えることができます。特定の離散的な (「カイラル」) 角度で巻かれると、回転角度と半径の組み合わせによって、ナノチューブにバンドギャップがある (半導体) か、バンドギャップがない (金属) かが決まります。

金属カーボンナノチューブは高電流密度を流すことができるため、ナノエレクトロニクス相互接続にも提案されています。 ^[21] 電流を転送するワイヤはあらゆる電気システムのもう1つの基本的な構成要素であるため、これは便利な特性です。カーボンナノチューブは特にNEMSで非常に多くの用途が見出されており、吊り下げられたカーボンナノチューブを他のナノ構造に接続する方法がすでに発見されています。^[29] これにより、カーボンナノチューブは複雑なナノ電気システムを形成できます。カーボンベースの製品は適切に制御でき、相互接続やトランジスタとして機能するため、NEMSの電気部品の基本材料として機能します。

MEMSスイッチがNEMSスイッチに比べて大きな欠点となるのは、MEMSのスイッチング速度がマイクロ秒単位に制限されていることで、これが高速アプリケーションのパフォーマンスを妨げている。スイッチング速度と作動電圧の制限は、デバイスをマイクロメートルスケールからナノメートルスケールに縮小することで克服できる。^[30]カーボンナノチューブ（CNT）ベースのNEMSスイッチとその対応するCMOSの性能パラメータを比較したところ、CNTベースのNEMSスイッチはより低いレベルのエネルギー消費でも性能を維持し、サブスレッショルドリーク電流はCMOSスイッチよりも数桁小さいことが明らかになった。^[31]二重クランプ構造のCNTベースのNEMSは、浮遊ゲート不揮発性メモリアプリケーションの潜在的なソリューションとしてさらに研究されている。^[32]

カーボンナノチューブとグラフェンはNEMS技術にとって非常に有用な特性を備えているにもかかわらず、これらの製品は両方とも実装においていくつかの障害に直面している。主な問題の1つは、実際の環境に対するカーボンの反応である。カーボンナノチューブは、酸素にさらされると電子特性が大きく変化する。^[33] 同様に、カーボンベースの材料の電子的および機械的特性に対するその他の変化も、実装前に十分に調査する必要がある。特に、表面積が大きく周囲の環境と容易に反応する可能性があるためである。カーボンナノチューブは、処理時のらせん性に応じて金属的または半導体的になり、導電性が異なることもわかっている。^[34] このため、すべてのナノチューブが適切な導電性を持つように、処理中にナノチューブに特別な処理を施す必要がある。グラフェンは、エネルギーバンドギャップがなく、基本的にグラフェンベースのデバイス内を電子が移動する方法に関するすべてのルールを変更するため、従来の半導体と比較して電気伝導特性が複雑である。^[23] これは、電子機器の従来の構造が機能しない可能性が高く、これらの新しい電子機器用に完全に新しいアーキテクチャを設計する必要があることを意味します。

グラフェンの機械的および電子的特性は、心臓モニタリングシステムやモバイルモーションキャプチャ用の小型センサーやアクチュエータなどのNEMS加速度計への統合に適しています。グラフェンの原子スケールの厚さは、システムに必要な感度レベルを維持しながら、加速度計をマイクロスケールからナノスケールに縮小する道を提供します。^[35]

シリコンプルーフマスを二層グラフェンリボン上に吊り下げることで、現在加速度計で製造されているトランスデューサーの能力を備えたナノスケールのスプリングマスとピエゾ抵抗トランスデューサーを作ることができます。スプリングマスはより高い精度を提供し、グラフェンのピエゾ抵抗特性は加速度からのひずみを加速度計の電気信号に変換します。吊り下げられたグラフェンリボンは同時にスプリングとピエゾ抵抗トランスデューサーを形成し、NEMS加速度計の性能を向上させながらスペースを効率的に利用します。^[36]

多くの NEMS では、高い接着力と摩擦によって生じる故障が懸念されています。NEMS では、特性が十分に解明されたマイクロマシニング技術によりシリコンが頻繁に使用されますが、シリコン固有の剛性により、可動部品を備えたデバイスの機能が妨げられることがよくあります。

オハイオ州立大学の研究者が実施した研究では、天然酸化物層を有する単結晶シリコンとPDMSコーティングの接着および摩擦パラメータを比較した。PDMSは、機械的に高度に調整可能で、化学的に不活性、熱的に安定、ガス透過性、透明、非蛍光性、生体適合性、無毒性のシリコーンエラストマーである。^[37]ポリマー固有の特性として、PDMSのヤング率はポリマー鎖の架橋度を操作することで2桁以上変化させることができるため、NEMSおよび生物学的用途で実用的な材料となっている。PDMSはシリコンと密接なシールを形成できるため、NEMS技術に簡単に統合でき、機械的特性と電気的特性の両方を最適化できる。PDMSのようなポリマーは、比較的安価で、簡素化され、時間効率の良い試作および製造のため、NEMSで注目を集め始めている。^[37]

静止時間は接着力と直接相関することが特徴付けられており^[38]、相対湿度の上昇は親水性ポリマーの接着力の増加につながります。接触角測定とラプラス力計算はPDMSの疎水性の特性を裏付けており、これは実験的に検証された相対湿度に依存しない性質と予想どおり一致しています。PDMSの接着力も静止時間とは無関係であり、さまざまな相対湿度条件下で多用途に機能し、シリコンよりも低い摩擦係数を持っています。PDMSコーティングは、滑り防止などの高速問題の緩和に役立ちます。したがって、接触面の摩擦は、かなり高速でも低いままです。実際、マイクロスケールでは、速度が増加すると摩擦が減少します。PDMSの疎水性と低摩擦係数は、さまざまな相対湿度と高い相対滑り速度で行われるNEMS実験にさらに組み込まれる可能性を生み出しています。^[39]

PDMSはNEMS技術で頻繁に使用されています。例えば、ダイヤフラム上のPDMSコーティングはクロロホルム蒸気の検出に使用できます。^[40]

シンガポール国立大学の研究者らは、室温でクロロホルム蒸気を検出するために、シリコンナノワイヤ（SiNW）が埋め込まれたポリジメチルシロキサン（PDMS）コーティングされたナノ電気機械システムダイヤフラムを発明した。クロロホルム蒸気の存在下では、マイクロダイヤフラム上のPDMSフィルムが蒸気分子を吸収して拡大し、マイクロダイヤフラムが変形する。マイクロダイヤフラム内に埋め込まれたSiNWはホイートストンブリッジで接続されており、変形を定量的な出力電圧に変換する。さらに、マイクロダイヤフラムセンサーは、低消費電力で低コストの処理も実証している。スケーラビリティ、超小型フットプリント、CMOS - ICプロセス互換性の点で大きな可能性を秘めている。蒸気吸収ポリマー層を切り替えることで、理論的には他の有機蒸気を検出できる同様の方法を適用できる。

PDMSは、材料セクションで説明した固有の特性に加えて、マイクロダイヤフラムの膨張や変形を引き起こすクロロホルムを吸収するために使用できます。この研究では、さまざまな有機蒸気も測定されました。良好な経年安定性と適切なパッケージングにより、熱、光、放射線に対するPDMSの劣化速度を遅くすることができます。^[41]

バイオハイブリッドシステムという新興分​​野では、生物医学やロボットへの応用を目的とした生物学的および合成構造要素が組み合わされています。バイオナノ電気機械システム（BioNEMS）の構成要素は、DNA、タンパク質、ナノ構造の機械部品など、ナノスケールのサイズです。例としては、チオール-エンポリマーを簡単にトップダウンでナノ構造化して、架橋された機械的に堅牢なナノ構造を作成し、その後タンパク質で機能化する方法などがあります。^[42]

コンピュータシミュレーションは長い間、NEMSデバイスの実験研究の重要な対応物であった。連続体力学と分子動力学（MD）を通じて、実験に従事する前に計算モデル化によってNEMSデバイスの重要な動作を予測することができる。^{[43] [44] [45] [46]} さらに、連続体とMD技術を組み合わせることで、エンジニアは超微細メッシュと時間のかかるシミュレーションに頼ることなく、NEMSデバイスの安定性を効率的に分析することができる。^[43]シミュレーションには他の利点もある。NEMSデバイスの製造に関連する時間と専門知識を必要としない。さまざまな電気機械的効果の相互関係を効果的に予測できる。また、実験的アプローチと比較して、パラメトリック研究をかなり容易に実施できる。例えば、計算研究では、NEMSデバイスの電荷分布と「引き込み」電気機械的応答を予測した。^{[47] [48] [49]} シミュレーションを使用してこれらのデバイスの機械的および電気的動作を予測すると、NEMSデバイス設計パラメータを最適化するのに役立つ。

信頼性は、指定された製品寿命の間、故障することなくコンポーネントの完全性と性能を定量的に測定します。NEMSデバイスの故障は、機械的、電気的、化学的、熱的要因など、さまざまな原因に起因します。故障メカニズムの特定、歩留まりの向上、情報の不足、再現性の問題は、NEMSデバイスの信頼性を高めるための大きな課題として認識されています。このような課題は、製造段階（ウェハ処理、パッケージング、最終組み立て）と製造後段階（輸送、物流、使用）の両方で発生します。^[50]

パッケージングの課題は、MEMS および NEMS の総コストの 75～95% を占めることが多い。ウェーハダイシング、デバイスの厚さ、最終リリースの順序、熱膨張、機械的応力の分離、電力および熱の放散、クリープの最小化、媒体の分離、保護コーティングなどの要素が、パッケージング設計によって、MEMS または NEMS コンポーネントの設計に合わせて考慮される。 ^[51]剥離解析、動作解析、および寿命テストは、キャップからウェーハ、ウェーハからウェーハ、薄膜封止などのウェーハレベルの封止技術を評価するために使用されてきた。ウェーハレベルの封止技術は、マイクロデバイスとナノデバイスの両方の信頼性の向上と歩留まりの増加につながる可能性がある。^[52]

製造プロセスの初期段階でNEMSの信頼性を評価することは、歩留まり向上に不可欠です。接着力や静電気力などの表面力の形態は、表面の地形や接触形状に大きく依存します。ナノテクスチャ表面を選択的に製造することで接触面積が減り、NEMSの接着性能と摩擦性能が向上します。^[53]さらに、ナノポストを加工表面に実装すると疎水性が高まり、接着と摩擦の両方が減少します。^[54]

ナノパターン化によって接着力と摩擦力も操作でき、NEMSデバイスの適切な用途に合わせて表面粗さを調整できます。オハイオ州立大学の研究者は、原子/摩擦力顕微鏡（AFM/FFM）を使用して、2種類のパターン化された凹凸（低アスペクト比と高アスペクト比）を持つ親水性ポリマーの疎水性、接着性、摩擦に対するナノパターン化の影響を調べました。親水性表面と疎水性表面の粗さは、それぞれ逆相関と正相関の関係にあることがわかりました。^[24]

NEMSデバイスは表面積と体積の比率が大きく、感度が高いため、接着と摩擦がデバイスの性能と信頼性を低下させる可能性があります。これらのトライボロジーの問題は、これらのツールの自然なダウンスケールから生じますが、構造材料、表面フィルム、潤滑剤を操作することでシステムを最適化することができます。非ドープSiまたはポリシリコンフィルムと比較して、SiCフィルムは摩擦出力が最も低く、耐スクラッチ性が向上し、高温での機能性が向上します。硬質ダイヤモンドライクカーボン（DLC）コーティングは、低摩擦、高硬度、耐摩耗性に加えて、化学的および電気的耐性を備えています。濡れを減らし疎水性を高める要因である粗さは、接触角を大きくして濡れを減らし、デバイスとその環境との接着と相互作用を低くすることで最適化できます。^[55]

材料特性はサイズに依存します。したがって、NEMSおよびナノスケール材料の固有の特性を分析することは、NEMSデバイスの信頼性と長期安定性を維持するためにますます重要になります。^[56]ナノ材料の硬度、弾性率、曲げ試験などの一部の機械的特性は、製造プロセスを経た材料にナノインデンターを使用して決定されます。ただし、これらの測定では、デバイスが長時間または周期的な応力やひずみの下で産業界でどのように動作するかは考慮されていません。シータ構造は、固有の機械的特性を示すNEMSモデルです。Siで構成されたこの構造は強度が高く、ナノスケールで応力を集中させて材料の特定の機械的特性を測定できます。^[57]

構造的完全性の信頼性を高めるためには、適切な長さスケールでの材料構造と固有応力の両方の特性評価がますます重要になってきています。^[58]残留応力の影響には、破壊、変形​​、剥離、ナノサイズの構造変化などが含まれますが、これらに限定されるものではなく、動作の失敗やデバイスの物理的劣化につながる可能性があります。^[59]

残留応力は電気的および光学的特性に影響を及ぼす可能性がある。例えば、様々な太陽光発電や発光ダイオード（LED）の用途では、残留応力の影響によって半導体のバンドギャップエネルギーを調整することができる。^[60]

原子間力顕微鏡（AFM）とラマン分光法は、力体積画像、地形、力曲線の観点から薄膜上の残留応力の分布を特徴付けるために使用できます。^[61]さらに、残留応力は、示差走査熱量測定（DSC）と温度依存X線回折（XRD）を使用してナノ構造の融点を測定するために使用できます。^[60]

現在、多くの NEMS デバイスの商用化を妨げている主な障害には、歩留まりの低さとデバイス品質のばらつきの高さがあります。NEMS デバイスを実際に実装する前に、炭素ベースの製品を合理的に統合する必要があります。その方向への最近のステップは、ダイヤモンドで実証されており、シリコンに匹敵する処理レベルを達成しています。^[18]現在、焦点は実験作業から、このような新しいデバイスを実装して利益を得るための実用的なアプリケーションとデバイス構造に移行しています。^[20] 次に克服すべき課題は、これらの炭素ベースのツールのすべての特性を理解し、その特性を使用して、故障率の低い効率的で耐久性のある NEMS を作成することです。^[49]

炭素ベースの材料は、その優れた機械的特性と電気的特性により、NEMS の主要材料として利用されてきました。^[要出典]

最近、カルコゲナイドガラスのナノワイヤは、ヤング率の能動的な変調が可能であるため、調整可能なNEMSを設計するための重要なプラットフォームであることが示されています。^[62]

NEMSの世界市場は2022年までに1億888万ドルに達すると予測されている。^[63]

• ナノ電気機械リレー
• ナノ電気機械システム質量分析計

カリフォルニア工科大学の研究者らは、超高周波数（VHF）までの機械的共振を備えたNEMベースのカンチレバーを開発した。圧電抵抗性金属薄膜に基づく電子変位トランスデューサーを組み込むことで、明確で効率的なナノデバイスの読み出しが可能になる。対象種に対する高い分配係数を持つ薄いポリマーコーティングを使用してデバイスの表面を機能化することで、NEMSベースのカンチレバーは室温で1アトグラム未満の質量分解能で化学吸着測定が可能になる。NEMSベースのカンチレバーのさらなる機能は、センサー、走査プローブ、超高周波数（100MHz）で動作するデバイスなどの用途に活用されている。^[64]