MEMSとセンサデバイスの製造原理

MEMSとは「動く半導体」

MEMS（Micro Electro-Mechanical Systems、微小電気機械システム）は、半導体プロセスを使って機械的に動く微小構造を作り込んだデバイスです。トランジスタが電気だけを扱うのに対し、MEMSは数µmのバネ・梁・膜・質量を基板上に作り、加速度や音圧といった物理量を電気信号に変換します。製造は前工程の成膜・リソ・エッチを土台にしますが（/semiconductor/wafer-fab-process-flow/）、決定的な違いは 可動部を基板から「浮かせる」工程が要る点です。本稿はその浮かせ方（犠牲層エッチ）、貼り付き対策（スティクション）、そして主要センサのトランスデューサ原理を掘り下げます。

犠牲層エッチング：構造を浮かせる原理

可動構造を作る核心は 犠牲層（sacrificial layer） です。発想はシンプルで、最後に消す前提の「下駄」を一度敷き、その上に本物の構造（構造層, structural layer）を作り、最後に下駄だけを選択的に溶かして構造を宙に浮かせます。

表面MEMSの犠牲層プロセス:

1. 犠牲層を成膜      ┌──────────┐ ← SiO2など（後で消す）
   （例 SiO2）       │ 犠牲層    │
                     ┴──────────┴ 基板

2. 構造層を成膜・成形  ┌─梁─────┐
                     │ 犠牲層  │ ← まだ下に犠牲層
                     ┴────────┴ 基板

3. 犠牲層を選択エッチ  ┌─梁─────┐ ← 宙に浮いた！
   （HFでSiO2溶解）    （空隙）
                     ──────── 基板

ここで効くのが選択比です。犠牲層だけが速く溶け、構造層・基板はほとんど侵されない組み合わせを選びます。代表は 構造層＝ポリシリコン、犠牲層＝SiO2、エッチ液＝フッ酸（HF）。HFはSiO2を激しく溶かす一方、ポリSiはほぼ侵さないため、梁の下のSiO2だけが横方向に溶け進み（リリースエッチ、横方向アンダーカット）、最後に梁が完全に解放されます。

バルクMEMS：DRIEとSOIで厚い構造を彫る

バルクMEMSはSi基板を貫くほど深く掘ります。これを担うのが DRIE（Deep RIE、深堀り反応性イオンエッチング）、典型的にはボッシュ（Bosch）法です。エッチ（SF6）と側壁保護膜の堆積（C4F8）を数秒ごとに交互に切り替え、保護膜で側壁を守りつつ底だけ垂直に削ることで、アスペクト比20以上の深い縦溝を立てます（原理は /semiconductor/plasma-etch-physics/ と /semiconductor/etching-deposition/）。側壁に残る微小な波打ち（スキャロップ）は交互工程の痕跡です。

厚い可動構造を綺麗に作る定番が SOI（Silicon On Insulator）ウェハの利用です。SOIは「デバイス層Si／埋め込み酸化膜（BOX）／ハンドルSi」の三層構造で、DRIEでデバイス層を貫通させ、BOX（SiO2）を犠牲層としてHFで溶かすと、厚みの揃った構造が一気に解放されます。埋め込み酸化膜がエッチストップ兼犠牲層を兼ねるため、構造の厚みを層厚で正確に決められるのが強みです。高性能ジャイロや加速度計の多くがこのSOI-MEMS（厚膜MEMS）で作られます。

スティクション：解放後の最大の敵

犠牲層をウェット（液中）で溶かすと、最後に構造を乾かす段階で深刻な問題が起きます。スティクション（stiction、貼り付き） です。

対策は「液体を介さずに解放・乾燥する」ことに尽きます。代表的な手法を挙げます。

リリース時の毛管力を断つ王道が 超臨界CO2乾燥です。液体CO2を臨界点（約31℃・7.4MPa）を超える超臨界状態にすると気体と液体の区別が消え、気液界面そのものが存在しなくなるため表面張力がゼロになります。その状態から減圧して気体へ抜けば、メニスカスを一度も作らずに乾かせます。さらに液工程ごと避ける 気相HFエッチは、ガスでSiO2を除去するので乾燥工程自体が不要になり、貼り付きの機会を根本から断ちます。

使用中の再付着（イン・ユース・スティクション）には、**反スティクションコート（SAM、自己組織化単分子膜）で接触面を疎水化して付着エネルギーを下げ、加えてダンプル（微小突起）**で実接触面積を減らすのが定石です。

容量検出：変位を静電容量で読む

主要なMEMSセンサの多くが採用する読み出し原理が 容量検出（capacitive sensing） です。土台は平行平板コンデンサの式 C = ε·A / d。ギャップ d か対向面積 A が機械的に変われば容量 C が変わる——この一点を読みます。容量検出は消費電力が低く温度ドリフトに強いため、量産センサの主流です。

加速度センサ（容量検出）

加速度計は、バネで吊った 可動質量（プルーフマス） と固定電極で**くし歯（コームフィンガー）**型の可変コンデンサを構成します。加速度がかかると慣性で質量が変位し（変位は加速度に比例）、片側のギャップが縮み反対側が広がります。

            固定電極   可動電極(質量)   固定電極
              │ C1 │ ← 質量 → │ C2 │
   加速 →     │←──→│         │←─→│
            ギャップ拡大      ギャップ縮小
   → C1減少, C2増加 → 差動容量(C2 - C1)で加速度を読む

ポイントは 差動検出です。固定電極を質量の両側に置き C1 と C2 の差をとると、加速度に対する感度は2倍になり、温度膨張など両側に等しく効くコモンモードのドリフトは打ち消されます。検出回路はこの微小な容量差をスイッチトキャパシタなどで電圧に変換します。

圧力センサ（ピエゾ抵抗 or 容量）

圧力センサはバルクMEMSで**薄いダイアフラム（膜）**を作り、その下に基準圧の空洞を設けます。外圧で膜がたわむ量を読みますが、変換方式は2系統あります。

• ピエゾ抵抗式：膜のたわみで生じる機械応力を、膜上に拡散した抵抗の**抵抗値変化（ピエゾ抵抗効果）**として読み、ブリッジ回路で電圧化する。感度が高く絶対圧計に多い。
• 容量式：たわんだ膜を可動電極、対向基板を固定電極としてギャップ変化＝容量変化を読む。低消費電力で安定。

MEMSマイク（容量検出）

MEMSマイクは本質的に音圧で振動する超薄ダイアフラムと、固定の穴あきバックプレートで作るコンデンサです。音圧でダイアフラムが振動するとギャップが変わり、容量が音声波形どおりに変化します。一定電荷でバイアスしておくと Q = C·V より、容量変化がそのまま電圧変化として現れます。バックプレートに音響穴を空けるのは、薄い空気層がダンパとして効きすぎる（音響的減衰）のを逃がすためです。

ジャイロ：コリオリ力を容量で拾う

MEMSジャイロ（角速度センサ）は最も精緻なMEMSの一つです。原理は コリオリ力。質量を一定方向に駆動振動させておき、その状態でデバイスが回転すると、回転軸・駆動速度の双方に直交する方向にコリオリ力 Fc = 2·m·v×Ω が生じます（Ω が角速度）。この力で質量は駆動と直交する方向（検出モード）にも微小振動し始めます。

  駆動振動（x方向, 一定振幅で揺らし続ける）
     ←──● m ──→
          │
  回転 Ω が加わると…
          ↓ コリオリ力 Fc = 2 m v Ω（y方向, 駆動と直交）
     検出モード（y方向）の振動が誘起される
          → y方向のくし歯容量変化を読む → 角速度 Ω に比例

つまり駆動はx、検出はyと直交2軸に分け、検出モードのくし歯容量変化を読むと角速度が求まります。難しいのは、コリオリ振幅が極めて小さく、駆動振動の漏れ込み（クアドラチャ誤差）に埋もれやすい点です。実機は駆動・検出を互いに逆位相で振る2質量の差動構成にして、外部からの直線加速度（両質量に同相で効く）を打ち消し、回転由来の逆相成分だけを抽出します。共振を使って駆動振幅を稼ぐため、温度で共振周波数がずれない設計と長期安定性が信頼性上の要になります（経年劣化の考え方は /semiconductor/reliability-physics/）。

まとめ

• MEMSは半導体プロセスで可動構造を作るデバイスで、核心は犠牲層を選択エッチして構造を基板から浮かせること（ポリSi構造層＋SiO2犠牲層＋HFが定番）。
• 表面MEMSは薄膜積層＋犠牲層除去、バルクMEMSは**DRIE（ボッシュ法）**やSOIでSi基板を深掘りし、厚く重い構造を彫る。
• 解放後の最大の敵がスティクション。原因は液体乾燥時の**表面張力（毛管力）**で、超臨界CO2乾燥・気相HFで液体を介さず解放し、SAM膜・バンプで使用中の再付着を防ぐ。
• 加速度・圧力・マイクは容量検出（C = εA/d のギャップ変化）が主流で、差動構成で感度を倍化しコモンモードのドリフトを打ち消す。
• ジャイロはコリオリ力（駆動方向と回転に直交する力）が誘起する検出モード振動を容量で読み、逆相2質量の差動で直線加速度を排して角速度だけを抽出する。