自分だけの光通信機をつくって実験／仙台青陵でソニー・サイエンスプログラム

大草芳江 — Fri, 07 Mar 2014 00:29:51 +0000

【写真（上段）】RESTART JAPANによる光通信手づくり実験＝１月２１日、仙台青陵中等教育学校（仙台市青葉区）
【写真（中央左）】はんだ付けの仕方をスタッフに教わる生徒たち
【写真（中央右）】真剣な表情で部品をはんだ付けする生徒たち
【写真（下段左）】自分でつくった光通信機を使った実験のようす
【写真（下段右）】光の性質や光通信の仕組みなどについての解説のようす

　ソニーとセーブ・ザ・チルドレン・ジャパン（SCJ）の協働プロジェクト「RESTART JAPAN」は１月２１日、光通信を手作りする実験教室を、仙台青陵中等教育学校（仙台市青葉区）で実施し、中学生の希望者３０人が参加した。

　この教室は、昨年７月に東北大学で開催された『学都「仙台・宮城」サイエンス・デイ』で、仙台青陵中等教育学校科学部の出展がRESTART JAPANによる「RESTART JAPAN賞」を受賞したことをきっかけに開催されたもの。

　教室では、ソニーとSCJのスタッフたち１２人から自己紹介があった後、生徒一人ひとりに部品とはんだゴテが配られ、光通信機の電子工作がスタート。

　生徒たちは、まずハサミで切り取った銅板を、送信機と受信機の基盤に貼り付けた後、回路図に従って、抵抗やトランジスタなどの部品を一つひとつはんだ付け。はんだ付けが初めての生徒も、スタッフに教えてもらいながら、楽しそうにはんだ付けをしていた。

　こうして光通信機の組み立てが終わり、スイッチをオン。送信機のLEDから発せられた光が、受信機で音に変換され音楽が鳴ると、生徒たちは「できた！」と歓声をあげていた。

　次は、自分でつくった光通信機を使って実験だ。生徒たちは、送信機と受信機の間に手や半透明なものを置いて光をさえぎったり、鏡で光を反射させるとどうなるかや、送信機にLEDとレーザのどちらを取り付けた方が遠くまで信号が届くかなどを、予測しながら、確かめていた。

　実験後は、講師の武田順一さん（ソニーセミコンダクタ）から、光の性質や光通信の仕組みなどについて、解説があった。最後に、武田さんは「どうして光通信機が動いたのか、これから勉強して中身をぜひ知ってください」と生徒たちを激励した。

　参加した生徒たちは「本格的な機械を自分でつくれて楽しかった」「実験で予想とは違う結果が出たことがおもしろかった」「自分たちで実験して確かめたことが、先生の解説でわかって楽しかった」などと感想を話していた。担当した武田さんは「科学を好きになってもらうきっかけになってもらえれば」と話している。

半導体微細加工技術を体験／MEMSPCが仙台高専を招待

大草芳江 — Mon, 10 Feb 2014 00:25:53 +0000

戸津健太郎准教授（東北大学マイクロシステム融合研究開発センター）による説明

　MEMSパークコンソーシアムは９月２日、仙台高等専門学校リカレンジャーを招いて、東北大学西澤潤一記念研究センターの施設見学会を実施しました。
　この会は、今年７月に東北大学で開催された『学都「仙台・宮城」サイエンス・デイ』で、仙台高等専門学校リカレンジャーの出展が、MEMSパークコンソーシアムによる「MEMSパークコンソーシアム賞」を受賞したことをきっかけに、副賞の一つとして実施されたものです。

半導体はどうやって微細加工される？

　施設見学会では、まず、戸津健太郎准教授（東北大学マイクロシステム融合研究開発センター）による挨拶がありました。
　戸津准教授からは「この施設では、半導体に関する仕事をしています。例えば、スマートフォンに使われている傾きや振動に反応する加速度センサーに代表される『MEMS（※）』をつくっています。半導体の材料は、地球上に豊富に存在する元素である、ケイ素（シリコン）がよく使われます。半導体は、数十nm（ナノメートル）スケールで微細に加工されています。今日は皆さんにも全く同じ方法で半導体の加工を体験してもらいます」と説明があり、学生一人ひとりに半導体微細加工を体験する機会が提供されました。
※MEMSとは、“微小な電気機械システム”という意味の英語「Micro Electro Mechanical Systems」の略。

いざ、クリーンルームへ

　数十nmスケールで半導体を微細に加工する過程では、わずかな塵が物質の表面に付着するだけでも故障の原因となります。そのため作業は、「クリーンルーム」と呼ばれる、空気中の塵を追い出したクリーンな空間で行われます。なお、配布資料も、クリーンルーム内で使用可能な塵が出ない紙（無塵紙）が使われていました。
　学生らもクリーンルーム用のスーツに着替え、いざ、クリーンルームへ。これから体験するのは、「単結晶シリコン」という材料でつくられた、厚さ525μm、直径100mmのウェハに、実際に微細加工をしていく作業です。

シリコンウェハにフォトレジストを塗布する学生

第一の工程／光で目的のパターンを形成

　シリコンウェハに思い通りのパターンを微細に加工する工程は、大きく２つに分かれます。
　第１の工程は、「フォトレジスト」と呼ばれる感光性の材料に、光を使って目的のパターンを焼き付ける作業です（図）。具体的には、まずシリコンウェハに適量のフォトレジストを垂らし、高速回転する専用装置に入れて、遠心力で2μmの厚さに均一に塗ります。
　そして、ウェハを加熱してフォトレジストを固めた後、目的のパターンが描かれた「マスク」をかけて、紫外線を当てます（露光）。
　今回使ったフォトレジストは、光が当たった部分だけ樹脂分子が細かくなり、アルカリ溶液に溶けやすくなる性質があるそうです。すると、光が当たるマスクの窓の部分だけアルカリ溶液に溶けやすくなるため、後で溶液で洗ってやることで、マスクのパターン通りにフォトレジストを残すことができる、という仕組みです（現像）。

ウェハを溶液で洗い、余分な部分のフォトレジストを除去する（現像）。

　「レジスト」（resist）とは「抵抗する、耐える」の意味ですから、フォトレジストは、この後に続くエッチングなどの処理から、まさに物質表面を保護する役目を負うわけです。
　今回のマスクは、サイエンスデイAWARD受賞を記念した特別デザインを作成いただきました。実際の半導体素子の製造では、このマスクに回路パターン等が描かれるのですね。
　ちなみに、これらの作業は「イエロールーム」と呼ばれる、（波長の長い）黄色い照明を使用したクリーンルームで行われます。蛍光灯に含まれる（波長の短い）紫外線をカットし、フォトレジストの感光を防ぐためです。そのためイエロールーム内はフラッシュ禁止。まさに「光で遊ぼう！」で受賞したリカレンジャーの皆さんに、ぴったりの内容ですね。

「エッチング」について学生に説明する戸津准教授

第二の工程／剥き出し部分を掘る

　フォトレジストのパターンができた次は、第２の工程として、フォトレジストで保護されていない剥き出し部分を掘る「エッチング」という作業があります。
　エッチングにも目的等に応じて色々な種類があるそうですが、今回は「シリコンの深掘り反応性イオンエッチング（Si DeepRIE：RIE=Reactive Ion Etching）」を体験しました。
　RIEとは、真空容器中で、ガスに電圧をかけてつくり出したイオン（プラズマ）を基板にぶつけることで、物理的・化学的に掘っていく技術です。
　MEMSはより狭く深く掘ることが要求されるため、この深掘りRIEがよく用いられるとのこと。ただし、垂直方向だけでなく同時に水平方向も掘ってしまうため、ではどうするかと言うと、エッチングと保護膜形成を繰り返し行うことで、もとのマスクの形状を保持した厚い構造を作成するそうです。

深掘り反応性イオンエッチング装置。エッチングと保護の2種類のガスを交互に使う。

　具体的には、２種類のガスを交互に使います。まず、フッ素系のガス (SF6など) で垂直かつ水平方向にエッチングを行います。次に、テフロン系のガス（C4F8など）で側壁を保護し横方向のエッチングを抑制します。
　ガスの種類によってプラズマの色も異なるので、実際に、エッチング装置を見ると、どちらのプロセスが行われているかがわかります。こうして狭く深く掘ることを実現する技術は、開発した会社の名前をとって、「ボッシュプロセス」と呼ばれているそうです。
　こうして、30μmの深さまで、狭く深く彫って、エッチングが終了しました。あとは不要になったフォトレジストを薬品で取り除いて、完成です。

半導体に触れる貴重な体験に

　半導体の微細加工技術は、現代の高度情報化社会を支える根幹の科学技術です。しかし、私たちはその恩恵にあずかっているにもかかわらず、それがどんな科学や技術のプロセスでつくられるかは、意外と知らないもの。
　参加した学生らは、「パソコンの部品はこうしてできているんだ」「大学の本格的な研究設備に大変驚いた」といった感想を述べていました。
　戸津准教授は「実際に半導体に触れる機会は少ないと思います。半導体とはどんなものかを知ってもらう機会になれば」と話していました。