MEMS（微小電気機械システム）とは？ チップの上に、動く小さな機械をどうつくるのか

MEMSは micro electro mechanical systems の略で、日本語では微小電気機械システムといいます。意味は、チップをつくる方法で、シリコンの上に動く小さな機械をつくること。小さな梁、薄い膜、ばね、くしの歯のような構造です。押されたり、曲がったり、揺れたりすると、そばの回路がその動きを電気の信号に変えます。回路は同じチップの上につくることもあれば、別のチップにしていっしょにパッケージに入れることもよくあります。日本ではマイクロマシンと呼ばれることもあります。スマートフォンの加速度センサーやジャイロ、それに多くのマイクがMEMSです。

普通のチップとは何かは、まず「半導体チップとは？」へ。

MEMSは普通のチップと何が違う？

普通のチップの中では、動くのは電気だけです。とてもたくさんの小さなスイッチが切り替わり続けていますが（「トランジスタとは？」）、本当に動く部品は1つもありません。

MEMSの中には、本当に動くものがあります。動く構造の大きさは、数十〜数百マイクロメートルほどのことがよくあります。髪の毛1本の太さが数十マイクロメートルくらいです。やることは2種類に分かれます。

• 感じる：動き、音、圧力を電気の信号に変えます。センサーといいます。
• 動かす：電気の信号を受けて動きます。たとえばインクを1滴押し出したり、小さな鏡を傾けたりします。アクチュエーターといいます。

身の回りのどこにMEMSがある？

• スマートフォンが、横にしたのに気づく：加速度センサーのおかげです。中には細いばねでつり下げられた小さなシリコンのかたまりがあり、その横にくしの歯のような細い歯が並んでいます。スマートフォンを傾けると、重力がそのかたまりを少しだけ片側へ引き、歯と歯のすき間が変わります。とても近くにある2枚の導体のあいだには少し電気をためられ、これを静電容量といいます。すき間が変わると静電容量も変わるので、回路がそれを測れます。
• スマートフォンが、回されたのに気づく：ジャイロセンサーのおかげです。中にはいつも小さく振動している構造があり、スマートフォンが回ると、それが少し横へ押されます。
• マイク：とても薄い膜が、ごく狭いすき間をはさんで、小さな穴がたくさんあいた硬い板と向き合っています。音が膜を押すとすき間が変わり、静電容量も変わって、音に合わせて上下する電圧になります（そのあと数字に変わるところは「アナログ半導体とデジタル半導体は何が違う？」）。
• タイヤの空気圧、気圧：とても薄いシリコンの膜の裏に、密閉した空洞があります。外の圧力が変わると膜がたわみ、膜の上につくった抵抗の値も変わります。気圧は高さによって変わるので、高さの見積もりにも使えます。
• インクジェットプリンターのヘッド：とても小さなノズルが並んでいます。ノズルごとに小さなヒーターがあり、一瞬でインクを熱して小さな泡をつくり、インクを1滴押し出す方式があります。電圧をかけると形が変わる材料で押す方式もあります。
• プロジェクターの小さな鏡：表面にとても小さな鏡がびっしり並んだチップがあり、鏡の1枚1枚がそれぞれどちらかへ傾いて、その点の光を画面に届けるかどうかを決めます。

MEMSはどうやってつくる？

ほとんどの工程は普通のチップと同じです。ウェーハの上に膜を1層ずつ成長させ（「成膜とは？」）、リソグラフィでパターンを焼き付け（「フォトリソグラフィとは？」）、エッチングでいらない部分を取り除きます（「エッチングとは？」）。

違うのは、普通のチップでは、どの層も下の層にぴったりくっついていることです。MEMSでは、動けるように、ところどころ宙に浮いていなければなりません。そのために、もう1つ工程が加わります。リリースです。

動く構造をどうやって浮かせる？ 順番に見る

ステップ1：先に「犠牲層」を敷く

ウェーハの上に、あとでまるごと取り除く膜を先に成長させます。よく使うのは二酸化シリコン、つまりガラスの主な成分です。構造を固定したい場所には、この層に穴をいくつかあけておきます。上の構造は最後には浮いていてほしいのですが、つくっているあいだは下で支えるものが必要です。あけた穴は、あとで構造の足になります。この層がないと、構造は下にぴったり張り付いて動けません。

ステップ2：構造の層を重ね、形を彫る

犠牲層の上に、もう1層成長させます。よく使うのは多結晶シリコン（小さな結晶の粒がたくさん集まったシリコン）です。リソグラフィとエッチングで梁、ばね、くしの歯を彫り出し、広い部分には小さな穴をたくさんあけておきます。この穴は、次の工程で薬液が通る道です。穴がないと、薬液は端から少しずつ内側へ溶かしていくしかなく、大きな構造の下はいつまでも溶けきりません。

ステップ3：犠牲層をエッチングで取り除く

犠牲層だけを溶かし、構造はほとんど溶かさない薬液にウェーハを浸けます。たとえばフッ酸は二酸化シリコンを溶かしますが、シリコンにはほとんど手を出しません。薬液は横から構造の下へ回り込む必要があります。細い線を彫るときにいちばん困る「横に溶けていく」性質が、ここではちょうど役に立ちます。溶かし残しがあると、構造の下がまだつながっていて動けません。薬液を間違えると、構造までいっしょに溶けてしまいます。

ステップ4：乾かす、ただし貼り付かせない

薬液のあとは水ですすぎ、乾かします。構造と下とのすき間は数マイクロメートルしかないことが多く、水がゆっくり乾くときに、表面張力が構造を下へ引っぱります。触れたとたんに貼り付いてしまい、これをスティッキング（貼り付き）といいます。貼り付いた構造は二度と動かず、そのチップはだめになります。そこで、水がゆっくり乾いていかない乾かし方に変えたり、最初から気体でリリースしたりすることがよくあります。

なぜ深いエッチングがよく必要なの？

普通のチップでエッチングするのは、たいてい薄い膜1層です。MEMSでは、深く彫ることがよくあります。加速度センサーやジャイロの中には、動くシリコンに十分な重さが、くしの歯に十分な高さが必要なものがあり、数十マイクロメートルの厚さのシリコンをまっすぐ彫り抜きます。圧力センサーの中には、ウェーハの裏側から表へ向かって、薄い1枚が残るまで掘って膜をつくるものもあります。

深く、まっすぐ彫るためによく使われるのは、「少し彫る、側壁に保護膜をつける、また少し彫る」を何度もくり返すやり方です。側壁が守られているので下へまっすぐ進み、壁には細かい波の模様が輪のように残ります。

なぜパッケージが普通のチップと違う？

普通のチップは、モールドの樹脂でチップとワイヤをまるごと包むことがよくあります（「パッケージングとは？」）。MEMSは、そうはいきません。

• 外とつながっていなければならないもの：マイクや気圧センサーは、パッケージに小さな穴をあけて音や空気を入れつつ、ほこりや湿気は防がなければなりません。
• 閉じ込めなければならないもの：ジャイロはいつも振動しているので、空気がブレーキのように振動を弱めてしまいます。そのためしっかり封じることが多く、中を真空近くまで引くものもあります。
• 動く部分には空間が必要：樹脂で埋めるわけにはいかないので、ウェーハを切り分ける前に、ウェーハ全体の上で小さなふたをかぶせておくことがよくあります。ブレードを使うダイシングでは水をかけながら切るので、ふたのない浮いた構造は、水やくずで壊れることがあります。

なぜテストは電気を流すだけでは足りない？

普通のチップのテストは、テスターにつないで電気の信号を送り、反応を測ります（「チップはどうテストする？」）。MEMSは、それだけでは足りないことがよくあります。膜が貼り付いていないか、ばねが硬すぎないかは、電気の信号だけではわからないことがあるからです。

そこで、本当に外の世界を与えます。加速度センサーは揺れる台に載せ、ジャイロは回転台で回し、マイクには大きさのわかっている音を聞かせ、圧力センサーは圧力を調整できる箱に入れて、出力が正しいかを見ます。1つ1つ少しずつ違うので、校正もよく必要です。

fab24hrでは

ゲームにMEMSは出てきません。メインストーリー「チップの一生」は、架空の補聴器用チップ「Glowmere」を追いかけます。シェンさんの小さな会社は、補聴器の電気の使い方を減らして、同じ電池で何日も長くもたせたいと考えています。終章の第13章「父の手に」では、シェンさんの父が電池を入れると、補聴器から短い通知音がひとつ聞こえます。そのあと、壁ひとつ隔てて、台所から夕食に呼ぶ妻の声を聞き取ります。

この補聴器にどんなマイクが使われているかは、ゲームでは語られません。公開されている一般的な資料によると、補聴器のマイクは従来、別の種類（エレクトレットコンデンサマイク）が主に使われてきましたが、MEMSマイクを使うものもあります。

MEMSのつくり方にいちばん近いのは、図鑑の「装置一覧」にある「バッチ式洗浄槽」です。開いて「動きを見る」を押すと、ウェーハが希フッ酸に浸かり、表面のごく薄い酸化シリコンが溶けます。最後の乾燥槽では、IPA（アルコールの一種）の蒸気が水の膜を引きはがします。この槽で洗うのは普通のウェーハで、MEMSではありません。ただ、MEMSのリリースでも似た薬液をよく使い、溶かすのは構造の下の1層まるごとです。そのあと乾かす工程こそ、MEMSで貼り付きがいちばん心配なときです。

ゲームの会社、チップ、人物は架空です。MEMSについては、公開されている一般的な資料をもとに書いています。ほかの用語は「半導体工場の業界用語を、やさしく解説」へ。