マイクロテクノロジーとナノテクノロジーにおける信頼できるセンサ

プロセス最適化のためのMEMS試作品の検証

マイクロエレクトロメカニカルシステム（MEMS）は、純粋な半導体デバイスとは異なる新しい製造プロセスが常に必要とされており、現時点ではまだ製造工程は標準化されておらず、最適化する必要があります。

MEMSが適切に機能するためには、システム設計と最適化されたプロセス設計の両方が不可欠です。試作品を検証することによって、設計を確認するだけでなく、製造プロセスを見直すこともできます。予想外の機械的挙動やモデル間の偏差を検出するために、レーザ振動計は役立ちます。

高い周波数帯域と、高いX-Y分解能、優れた変位分解能が特長のポリテックのレーザ振動計は、伝達関数、共振周波数、減衰および振動形状などのMEMSのモーダル特性を確実に測定できます。トポグラフィ分析は、コンポーネント開発およびプロセス最適化にとっても重要です。ステップの高さやその他の表面形状データは、MEMSコンポーネント製造プロセスの検証に確実に貢献します。

測定事例：

CMOS / MEMS共集積フローマイクロセンサ

図は、ポリテックのマイクロシステムアナライザMSA-500の表面形状測定オプションを使用してCMOS / MEMS共集積フローマイクロセンサの表面形状を測定した結果です。フローマイクロセンサは、確かにシリコンオンインシュレータ（SOI）技術を用いて作成されていることを確認することができました。

超音波トランスデューサのリアルタイム特性評価

超音波トランスデューサは、医療用超音波アプリケーションの代表事例です。一般的に、pMUT（圧電マイクロマシン超音波トランスデューサ）とcMUT（容量性マイクロマシン超音波トランスデューサ）の2種類があります。

cMUTは、曲げモードがトランスデューサの機械的インピーダンスを減少させ、エネルギーリークを防ぐという独特な特性を持っています。半導体技術を使用した微細加工により、cMUTを手頃な価格で製造することができます。半導体スイッチング回路は大型の1Dもしくはより複雑な2Dアレイ構成になるように、同じチップ上に直接組み込まれます。

超音波トランスデューサの新製品の動作評価は有限要素シミュレーションとポリテックのマイクロシステムアナライザMSAなどの顕微鏡ベースのレーザ振動計を両方を使うと効果的です。有限要素シミュレーションでは、トランスデューサの挙動を予測します。一方レーザ振動計は機械的周波数応答を直接測定します。広い周波数帯域幅で時間軸波形を測定できるため、特に過渡プロセスを確実かつ正確に測定するために有用です。

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測定事例：

cMUTの測定

ベルギーのIMEC（大学間マイクロエレクトロ二クスセンター）は、ポリテックのMSAを用いて独自のcMUTの動作検証を行い、その測定結果によって、レイリー積分法を用いたトランス空間圧力場を特定しました。その結果は後にハイドロホンによる測定でも裏付けされました。

表面弾性波（SAW）フィルタの非接触測定

表面弾性波（SAW）フィルタは、表面弾性波を応用した電子フィルタ素子で、携帯電話などの高周波アプリケーションにおいて必要不可欠です。 SAWの特性の最適化は、新しいSAWコンポーネントを開発する際に重要な課題の1つです。

SAWは高い周波数、短い伝播経路長、および微小な振動振幅のため、その測定および可視化は、容易ではありません。しかしレーザ振動計は、そのような測定も実現することができます。

ポリテックのレーザドップラ振動計は、広い周波数帯域の測定を非接触で測定し、振動形状を可視化することができます。さらに過渡現象や緩和現象を測定することも可能です。SAWフィルタの特性や性能損失（リーク）を検証するのに役立ちます。

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測定事例

SAWは、電子フィルタとしての用途に加えて、ラボオンチップなどマイクロ流体アプリケーションにおいても重要な役割を果たしています。チップ上に滴下された血液などの生体材料がチップ上の流路を流れるために表面弾性波が利用されており、その伝播ダイナミクスを検査することはラボオンチップの品質管理に繋がります。高い周波数帯域と分解能で、非接触光学測定を実現するポリテックの高周波振動計UHF-120はこのアプリケーションに最適です。

 

 

簡単で効率的なモデルの検証

コンピュータシミュレーションはMEMSコンポーネントの開発において必要不可欠です。 FEシミュレーションモデルは、実験データとの比較を通じて最適化されます。非接触の光学測定技術は、機械的特性評価を高精度に実現できます。

ポリテックのレーザドップラ振動計は、MEMSコンポーネント内のマイクロストラクチャの機械的な動きを素早く、簡単に、非接触で検出し、解析結果と測定データを比較するのに最適です。

たとえばMEMSウェハプローブステーションと統合することによって、単一単位またはウェハレベルで測定することができます。

広い周波数帯域と優れた変位分解能はポリテックの振動計の特長のひとつです。モデルを検証し、最適化するために必要な伝達関数を簡単かつ効率的に測定することができます。

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測定事例：

マイクロミラーアレイのモデル検証

図は、MEMSマイクロミラーアレイのFEMモデル（左）と実際の測定結果（右）を比較したものです。

さまざまなマイクロメカニクスの正確な動作解析

MEMSとマイクロストラクチャの種類や使用分野は、たとえば、自動車および航空宇宙用の圧力センサおよび慣性センサシステム、モバイルデバイス用のMEMSマイクロフォン、MEMS加速度センサおよびジャイロスコープセンサ、さまざまな用途のマイクロミラー、自律型システム用のエナジーハーベスト機構（環境発電機構）、超微量を精密に測定する微小天秤（マイクロバランス）など、非常に幅広いです。また、医療分野では超音波を発生させるためのpMUTやcMUTや、電子フィルタ、さらにはラボオンチップにおいて使われているSAWフィルタなどで応用されています。

電気的な検証だけでなく、そのデバイスの機能に直結する機械的動作をシリコンレベルで確実かつ正確に測定することは、このようなMEMSコンポーネントを開発する上で絶対に不可欠です。

ポリテックの顕微鏡ベースのシングルポイントまたはスキャニング振動計を使用すると、ピコメートル領域の変位を測定し、伝達関数を取得することができます。さらにマイクロまたはサブマイクロ単位の非常に高いX-Y分解能で1Dまたは3Dの実稼動振動形状を得ることができます。また、表面形状を測定するオプションもあります。

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測定事例：

マイクロシステムアナライザMSA-100-3Dは、pm分解能で面外（OOP）、面内（IP）の3D振動測定を可能にします。MEMSカンチレバーなどで使用されています。

MEMSの信頼性と寿命のテスト

MEMSセンサおよびアクチュエータは、多くのデバイスおよびシステムにおいて重要な機能要素であり、近年は安全性を担う機能を持ったデバイスやシステムに多く利用されています。したがって、さまざまな条件下における動作保証が必要です。

つまり、求められる条件下においてMEMSコンポーネントの動作検証が行われなければなりません。圧力負荷または空間湿度の影響をシミュレートするためには、真空チャンバまたは気圧制御チャンバ内で、機械振動またはレーザ放射などが与えられます。長期機能安定性は、加速劣化試験で検証されています。

MEMSは、従来の半導体素子とは異なり、重要な機能要素としてマイクロメカニクスを使用するため、信頼性および耐用期間のテストにおいて動的機械的システムの挙動を測定することは、非常に重要です。

ポリテックのマイクロシステムアナライザは、このような条件下においても測定をすることができる汎用性の高いシステムです。長い測定距離の特殊なレンズを装備することにより、テストチャンバの外部から、MEMSコンポーネントの静的および動的挙動を測定することもできます。

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測定事例：

真空チャンバ内でのMEMSの振動測定

真空チャンバ、または、真空プローブステーションを組み合わせることによって、ポリテックのマイクロシステムアナライザMSAは、圧力がMEMSモジュールの動的特性に及ぼす影響をウェハレベルで測定することができます。

生物学と医学におけるMEMS評価事例

MEMSとマイクロストラクチャは、医学的、生物学的分野でも応用されている根幹の重要な技術です。疾患診断の高速化を実現する「ラボオンチップ」から補聴器用のMEMSマイクロホン、医用イメージング用の超音波トランスデューサまでその応用範囲は非常に幅広いです。

ポリテックの非接触かつ顕微鏡ベースの光学測定技術を利用して、医療用MEMSセンサやアクチュエータの表面形状および動的特性を測定することができます。さらに、例えば、昆虫の聴力など、自然界のさまざまなメカニズムを機械設計に応用したバイオメカニクスの分野においても、使用されています。

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測定事例

圧電マイクロマシン超音波トランスデューサ（pMUT）は、IVUS（血管内超音波）や心エコー検査などのアプリケーションでリアルタイム3D医療画像（超音波検査）技術の向上に貢献しています。

これらのトランスデューサ素子の機能性評価には、高周波数（〜10MHz）および高空間分解能（<1μm）の測定が要求されます。ポリテックのマイクロシステムアナライザは非接触かつ高い精度でこの要求を満たすことができるため、pMUT開発においても有用です。