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オンデマンド出版(POD)
Siマイクロマシニング先端技術

コードNO0148P
発 刊1992年3月
編 者
五十嵐 伊勢美
(株)豊田中央研究所 顧問(前 取締役 副所長)
藍 光郎
センサ工学研究所 代表/日製エンジニアリング(株)取締役
価 格 POD(オンデマンド)価格 本体36,400円+税
体 裁 A4判並製 280頁
試 読不可
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マイクロセンサ・マイクロロボットなど、微小デバイスの加工技術として注目を集める新技術を、その原理から応用領域まで豊富なデータで詳述

■ 主要構成

第1篇 マイクロマシニング技術の現状
第1章 マイクロセンサ
第2章 マイクロアクチュエータ
第3章 流体制御マイクロデバイス
第4章 マイクロメカトロニクス
第5章 マイクロメカニカルシステムにおける情報処理システム
第2篇 Siマイクロマシニングのための超精密加工技術と装置
第1章 超精密加工技術の概要―サブミクロンリソグラフィー技術を中心に
第2章 ケミカルエッチング技術
第3章 高精度接合技術
第4章 マイクロ構造体における強度設計技術
第3篇 期待されるマイクロマシニング技術の応用
第1章 マイクロメカトロニクスの今後の動向
第2章 走行微小機械(マイクロワーム)
第3章 水晶への応用
第4章 セラミック(PZT)への応用
第5章 マイクロオプティックスヘの応用
第6章 光ファイバヘの応用
第7章 バキューム・マイクロエレクトロニクス
第8章 分析機器(GC、LC)への応用
第9章 細胞融合への応用
第10章 医療への応用
【発刊にあたって】

マイクロマシニングの歴史は、20年以上も前の、人を月に送り込もうとした米国のアポロ計画に遡る。 そこでは、Siのピエゾ抵抗効果を利用した圧力センサや超小型のガスクロマトグラフの先駆的な研究が行われた。 そこには現在のマイクロマシニングの基礎になっている異方性ケミカルエッチング技術が初めて使われた。 マイクロマシニングの技術開発は、それからスタンフォード大学を中心に進められ、そこから俊英達が世界中に巣立って現在の隆盛の基礎を築いたのである。

しかし、マイクロマシニングが世界中から注目を浴びたのは、僅か数年前の1987年に東京で開かれた第4回固体センサ国際会議(Transducers'87)であった。 この国際会議は第1回が米国ボストンで開かれ、その後、隔年に1回、日欧米の3極持ち回りで開かれているセンサ関連の世界最大の国際会議である。 ちなみに、第7回が1993年に横浜で開かれることになっている。

その会議で、カリフォルニア大学バークレイ校やAT&Tから、大きさが数百μm以下のマイクロモータやマイクロアクチュエータの試作例が発表された。 従来のSiを用いたマイクロマシニングは、あくまでも、センサの中の機械―電気変換要素としての可動機構であったが、本試作はSiの純粋な微小機械要素や電気―機械変換のための微小要素であったのである。 この技術を使えば、今までは夢であった映画「ミクロの決死圏」が決して夢ではなくなってくる。 そのほか、従来は実現不可能であると思われていたマイクロなマシンが現実味を帯びてきた。 そこから今日のマイクロマシンに対する世の中の興味がにわかに高まったのである。

本書はこの分野の第一線で活躍している方々に執筆をお願いした。 材料としては最も基本的で、しかもLSI技術のベースになっているSiを選んだ。 デバイス、システムの対象としてはマイクロセンサ、マイクロアクチュエータ、マイクロマシンを総て網羅し、共通技術である加工技術について詳細に解説した。 更に、応用についても、現在考えられる分野はほとんどカバーしたつもりである。 またSi以外の材料も応用の章で取り上げている。

このように、本書はこの分野の技術開発に従来から携わっている研究者・技術者、これから参加する技術者、更には、将来の事業として本分野に参入を考えている企業の経営者にとって、総合的にマイクロマシニングおよびその応用技術を知る最適な技術入門書であり解説書であると考える。 時あたかも、マイクロマシンに関する10年がかりのナショナルプロジェクトが発足したばかりであり、本書が読者にとって必ずや多くの知見と利益をもたらすものと確信する次第である。

<五十嵐 伊勢美/藍 光郎>

■ 内容目次

序説 マイクロマシニングの技術思想とそのインパクト<五十嵐 伊勢美>

第1篇 マイクロマシニング技術の現状

第1章 マイクロセンサ<五十嵐 伊勢美>
  1. 圧力センサ
  2. シリコン小型圧力・流速複合センサ
  3. 加速度センサ
  4. シリコンの物性
    4.1 単結晶シリコン製造
    4.2 シリコンの素材物性
    4.3 今後の課題

第2章 マイクロアクチュエータ<樋口 俊郎>
  1. マイクロアクチュエータの課題
    1.1 アクチュエータと寸法効果
    1.2 マイクロアクチュエータと摩擦
    1.3 エネルギーの供給の方式と課題
  2. 静電マイクロアクチュエータ
    2.1 静電アクチュエータの歴史と形式
    2.2 静電アクチュエータのマイクロ化
  3. 静電フィルムアクチュエータ化
    3.1 フィルム静電アクチュエータの動作原理
    3.2 試作例
  4. マイクロ固体アクチュエータ
    4.1 インチワーム機構
    4.2 慣性力を利用した移動機構
第3章 流体制御マイクロデバイス<江刺 正喜>
  1. マイクロポンプ
    1.1 超小形逆止弁
    1.2 ダイアフラム形マイクロポンプ
    1.3 膜流低減形マイクロポンプ
  2. マイクロバルブ
    2.1 ガス流量制御用マイクロバルブ
    2.2 液体制御用マイクロバルブ
  3. 超小形フローセンサ
    3.1 気体用フローセンサ
    3.2 液体用フローセンサ
  4. 流体制御システム
    4.1 集積化マスフローコントローラ
    4.2 集積化化学分析システム
第4章 マイクロメカトロニクス<藤田 博之>
  1. 常識の通じないミクロの世界
  2. マイクロ静電アクチュエータ
    2.1 ICプロセスによるマイクロ静電モータ
    2.2 摩擦との戦い
  3. マイスナー効果を利用した浮上アクチュエータ
    3.1 概要
    3.2 アクチュエータの構造
    3.3 測定装置及び方法
    3.4 測定結果
    3.5 考察
  4. 並列協調型マイクロ運動システム
    4.1 並列協調型マイクロ運動システムの発想
    4.2 蠕動運動システムと繊毛運動システム
    4.3 繊毛運動アクチュエータ
第5章 マイクロメカニカルシステムにおける情報処理システム<山崎 弘郎>
  1. 情報処理システムの構造
    1.1 マイクロメカニカルデバイスと電子回路
    1.2 マイクロメカニカルシステムの自立性と情報処理機能のアロケーション
    1.3 知能化センシングシステムの階層
    1.4 機能的役割の配分
    1.5 情報処理システムの機能階層構造の例
    1.6 知能化センシングシステムの知能への期待
  2. 信号処理―下層の情報処理構造
    2.1 センサに接続される電子回路と信号処理機能
    2.2 成分センサにおける機能集積化
    2.3 センサに集積化した電子回路の問題点
    2.4 電子回路にセンサ機能を付加した場合
    2.5 信号処理デバイスをセンサして利用する場合
  3. 情報処理―中間層の処理構造
    3.1 中間層の情報処理に対するニーズとシーズ
    3.2 センサ信号のインテグレーション
    3.3 センサ信号のフュージョン
    3.4 センサの特性の最適化
    3.5 中間層のエレクトロニクスと情報処理機能
  4. 知能処理―上層の情報処理構造
    4.1 知能化センシングシステムの知識の役割
    4.2 センサ情報処理における知識の役割
    4.3 移動探索ロボットと知識獲得
  5. ミニロボット群の情報システム
    5.1 ミニロボット群
    5.2 ミニロボット群の情報処理システム

第2篇 Siマイクロマシニングのための超精密加工技術と装置

第1章 超精密加工技術の概要―サブミクロンリソグラフィー技術を中心に

第1節 光リソグラフィー技術の技術と応用<赤羽 良三>
  1. 光リソグラフィー技術
    1.1 縮小投影露光装置
    1.2 i線露光
第2節 電子線リソグラフィーの技術と応用<柳沢 章>
  1. 電子線リソグラフィー技術
  2. 電子線描画装置
  3. 電子線リソグラフィー技術の今後の展望
第2章 ケミカルエッチング技術<鈴木 健一郎/谷川 紘>
  1. 特徴
    1.1 HF-HNO3系のエッチング
    1.2 エッチング機構
    1.3 エッチング速度の制御法
    1.4 応用
  2. 異方性エッチング技術
    2.1 面方位存性
    2.2 エッチング液
    2.3 コーナー・アンダーカット
  3. 不純物濃度差を利用したエッチング技術
    3.1 エッチング速度の減少
    3.2 エッチング停止機構
    3.3 ウェハ溶解エッチング法
  4. 電気化学エッチング技術
    4.1 電気化学エッチングの構成法
    4.2 エッチング停止機構
    4.3 エッチングの留意点
  5. 犠牲層を用いたエッチング技術
    5.1 ポリシリコン膜構造体
    5.2 窒化膜構造体
  6. 今後の展望
第3章 高精度接合技術<白水 俊次/桂 正樹/新保 優>
  1. 高精度接着技術の必要性
  2. 半導体センサの接合技術
    2.1 Si圧力センサの固定台への接着と特性変化
  3. 半導体センサの各種接合技術
    3.1 半導体センサの金属接合
    3.2 金−銅−ゲルマ3元共晶合金接合
    3.3 ガラス接合
    3.4 陽極接合
  4. 直接接合技術
    4.1 直接接合技術の概要
    4.2 接合方法と接着機構
    4.3 接合界面の特性
    4.4 異種材料との接合
    4.5 直接接合の応用例
  5. 今後の課題

第4章 マイクロ構造体における強度設計技術

第1節 マイクロ構造体における強度設計上の技術課題<河合 末男>

第2節 半導体製造プ回セスの応力シミュレーション技術<斉藤 直人/坂田 寛>
  1. 応力に起因した不良の発生
  2. 半導体製造プロセス中の応力シミュレーション
  3. 酸化プロセスシミュレーション
  4. 成膜・熱処理プロセス応力シミュレーション
第3節 ICパッケージの構造設計技術<西村 朝雄>
  1. ICパッケージの構造と技術課題
    1.1 ICパッケージの構造とその組立プロセス
    1.2 パッケージの動向と技術課題
  2. パッケージ材料の強度特性
    2.1 シリコンチップの強度
    2.2 レジンの強度
    2.3 ボンディングワイヤの強度
  3. 強度信頼性評価手法
    3.1 パッケージの強度信頼性評価における問題点
    3.2 温度サイクル下のパッケージクラック寿命予測
    3.3 リフローはんだ付け時のパッケージクラック強度評価
    3.4 界面接着強度評価
第4節 通信用半導体レーザパッケージの構造設計技術<嶋岡 誠>
  1. 半導体レーザパッケージと光結合
  2. 先球ファイバを使った半導体レーザパッケージ
    2.1 構成
    2.2 固定棒の弾性余効
    2.3 有限要素法による応力評価
    2.4 信頼性評価
  3. 単一レンズを使った半導体レーザパッケージ
    3.1 構成
    3.2 マイクロレンズ付きキャップおよびパイプ固定
    3.3 反射戻り光
    3.4 信頼性評価
  4. 複合レンズを使ったレーザパッケージ
    4.1 構成
    4.2 光軸合せ機構
    4.3 反射戻り光
    4.4 パッケージ出力特性
第5節 電子部品の応力・ひずみ計測技術<熊沢 鉄雄>
  1. ラマン応力測定
  2. 応力測定素子
  3. レーザ干渉測定
    3.1 スペックル法
    3.2 ホログラフィー法

第3篇 期待されるマイクロマシニング技術の応用

第1章 マイクロメカトロニクスの今後の動向<藤田 博之>
  1. マイクロメカトロニクスの発展の歴史
  2. マイクロメカトロニクスの応用
    2.1 概要
    2.2 光学への応用
    2.3 マイクロ流体制御システム
    2.4 走査トンネル顕微鏡および類似技術とMEMS
    2.5 細胞操作や生体への応用
    2.6 マイクロメカニカル論理素子
  3. MEMS実現の問題点
    3.1 強力なマイクロアクチュエータ
    3.2 マイクロ領域における潤滑
    3.3 材料データベースとCAD
    3.4 MEMSの制御
  4. 必要な技術開発課題
    4.1 マイクロ磁気ヘッド
    4.2 能動内視鏡
    4.3 自走センサ
第2章 走行微小機械(マイクロワーム)<林 輝>
  1. 走行機械の位置づけ
  2. 走行微小機械モデルの試作例
    2.1 管内走行微小機械
    2.2 平面走行微小機械
    2.3 曲面走行微小機械
    2.4 天井・壁面走行微小機械
  3. 走行機械の速度、走行原理、性能評価
  4. 走行微小機械の特徴と問題
  5. 走行微小機械の用途と研究の現状
第3章 水晶への応用<植田 敏嗣>
  1. 水晶のエッチング異方性
  2. エッチングレイトとエッチング形状の関係
  3. エッチング形状の予測法
  4. 水晶のマイクロ加工のデバイス加工への応用
    4.1 水晶のマイクロメカニカルデバイス具体例
第4章 セラミック(PZT)への応用<一ノ瀬 昇>
  1. 圧電アクチュエータ
    1.1 圧電アクチュエータの分類
    1.2 各種圧電アクチュエータ
    1.3 傾斜機能を用いたモノモルフ型アクチュエータ
  2. 超音波モータ
    2.1 超音波モータの分類
    2.2 各種超音波モータ
第5章 マイクロオプティックスヘの応用<西澤 紘一>
  1. シリコン系ハイブリッド光集積回路
    1.1 シリコン基板上石英系光導波路の製法
    1.2 光回路への適用
    1.3 光ファイバとの接続
    1.4 ハイブリッド集積化
    1.5 シリコンを利用した光導波路
  2. マイクロオプト素子
  3. 光部品実装
  4. シリコンレンズ
  5. シリコン基板発光素子
  6. 今後の展望
第6章 光ファイバヘの応用<服部 肇>
  1. 光ファイバの周辺技術
    1.1 コネクタ
    1.2 微小光学デバイス
  2. 光ファイバセンサの現状
    2.1 温度センサ
    2.2 液体濃度センサ
    2.3 速度センサ
    2.4 光ファイバジャイロ
  3. 今後の動向
第7章 バキューム・マイクロエレクトロニクス<伊藤 順司>
  1. 微小フィールドエミッタの構造と作製法
  2. 微小フィールドエミッタの応用
    2.1 超高速・耐環境素子
    2.2 微小電子源
  3. 今後の展望
第8章 分析機器(GC、LC)への応用<宮城 宏行>
  1. マイクロマシニングの分析機器への応用
  2. マイクロマシニングによるガスクロマトグラフ
    2.1 ガスクロマトグラフィー
    2.2 シングルチップGC
    2.3 シングルチップGCの性能
  3. 液体クロマトグラフ(LC)センサ
    3.1 液体クロマトグラフィー
    3.2 キャピラリーLCの性能予測
    3.3 LCセンサ
第9章 細胞融合への応用<佐藤 一雄/鷲津 正夫>
  1. 細胞融合
  2. マイクロチャンバを用いた1対1細胞融合
    2.1 構造および製法
    2.2 融合の手順
    2.3 装置の性能と融合実験の結果
  3. 流体集積回路による1対1細胞融合
    3.1 流体集積回路の製法
    3.2 融合の手順および結果
第10章 医療への応用<藤正 巌>
  1. 医療用マイクロマシンのための技術
  2. 医用微小工学の世界
  3. ナノ技術と医療用マイクロマシン技術の開発
  4. 医療用マイクロマシンと医療産業市場
  5. 医療用マイクロマシンの具体的な応用領域
    5.1 マイクロサージェリーとマイクロオペレーション
    5.2 埋め込み治療臓器
    5.3 マイクロマシンピル
    5.4 小口径内視鏡
  6. 医療用マイクロマシン技術を支える基幹技術
  7. 医療用マイクロロボットの未来

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■ 執筆者一覧(執筆順・敬称略、肩書等は発刊時のものです)
■ 監修
五十嵐 伊勢美
(株)豊田中央研究所 顧問(前 取締役 副所長)
藍 光郎
センサ工学研究所 代表/日製エンジニアリング(株)取締役
 
■ 執筆者
五十嵐 伊勢美
(株)豊田中央研究所 顧問(前 取締役 副所長)
樋口 俊郎
東京大学 工学部精密機械工学科 教授
江刺 正喜
東北大学 工学部機械電子工学科 教授
藤田 博之
東京大学 生産技術研究所 助教授
山崎 弘郎
東京大学 工学部計数工学科 教授
赤羽 良三
(株)日立製作所 計測器事業部半導体装置システム設計部 主任技師
柳澤 章
(株)日立製作所 計測器事業部半導体装置システム設計部 主任技師
谷川 紘
日本電気(株)生産材料技術本部 本部長
鈴木 健一郎
日本電気(株)マイクロエレクトロニクス研究所センサ研究部 主任
桂 正樹
(株)東芝 総合研究所ディスプレイシステム研究所 所長
白水 俊次
(株)東芝 総合研究所電子部品研究所 主任研究員
新保 優
東芝セラミックス(株)中央研究所 主幹
河合 末男
(株)日立製作所 機械研究所第3部 部長
坂田 寛
(株)日立製作所 機械研究所第3部 主任研究員
斉藤 直人
(株)日立製作所 機械研究所第3部 研究員
西村 朝雄
(株)日立製作所 機械研究所第3部 主任研究員
嶋岡 誠
(株)日立製作所 機械研究所第3部 主任研究員
熊沢 鉄雄
(株)日立製作所 機械研究所第3部 主任研究員
林 輝
東京工業大学 精密工学研究所 教授
植田 敏嗣
横河電機(株)技術開発本部 研究開発3部長
一ノ瀬 昇
早稲田大学 理工学部材料工学科 教授
西澤 紘一
日本板硝子(株)研究開発室 主幹技師
服部 肇
名古屋市工業研究所 電子部長
伊藤 順司
工業技術院 電子技術総合研究所 電子デバイス部プロセス基礎研究室 主任研究官
宮城 宏行
(株)日立製作所 中央研究所 メディカルエレクトロニクス研究センタ センタ長
鷲津 正夫
成蹊大学 工学部電気工学科 助教授
佐藤 一雄
(株)日立製作所 中央研究所開発部 主任研究員
藤正 巌
東京大学 先端科学技術研究センター 教授 兼 医学部・医用電子研究施設 教授

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