具有可动部的电气设备及其制造方法 |
|||||||
| 申请号 | CN201180073766.7 | 申请日 | 2011-09-30 | 公开(公告)号 | CN103858199B | 公开(公告)日 | 2017-04-05 |
| 申请人 | 富士通株式会社; | 发明人 | 井上广章; 宓晓宇; | ||||
| 摘要 | 形成具有 翘曲 被抑制的可动部的电气设备。在形成在衬底上的第一 种子 层上并与第一空间区域相邻的 位置 ，通过 镀 敷形成至少一个第二金属材料的台座部和相向 电极 ，利用第一牺牲层填埋第一空间区域，利用相同的抗蚀图案，通过连续镀敷，形成从第一牺牲层上延伸至台座部的表面的一部分的金属材料的第二牺牲层以及在第二牺牲层上的具有与第二金属材料相同的组分、 热膨胀 系数的第三金属材料的下部结构体，露出未形成有第二牺牲层的台座部表面，在台座部、下部结构体上，通过镀敷形成与第二金属材料、第三金属材料具有相同的组分、 热膨胀系数 的第四金属材料的上部结构体，去除第一牺牲层、第二牺牲层，制成具有可动部的电气设备。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种电气设备，其特征在于，具有： |
||||||
| 说明书全文 | 具有可动部的电气设备及其制造方法技术领域[0001] 本发明的实施例涉及具有构成为MEMS（Micro Electro-mechanical System：微机电系统）结构的可动部的电气设备及其制造方法。将具有尺寸小于mm（毫米）级的结构部分的机电构件叫做MEMS。 背景技术[0002] 为了响应针对移动电话等高频（RF）部件的小型化、高性能化的要求，使用了MEMS技术的电气设备的研究、开发正在积极地盛行。在以高频用途为目的的MEMS器件中，RF开关、可变电容等使用将由低电阻的金属材料结构体形成并具有单悬臂梁（cantilever）结构或者双悬臂梁（桥状）结构的可动部。通过压电驱动、静电驱动等使可动部位移。为了实现所希望的功能，需要稳定地控制可动部的位置。 [0003] MEMS开关是一种机械开关，其具有相向配置的静止电极与可动电极，通过驱动可动电极使其接触/远离静止电极，来进行接通/断开动作，MEMS开关能够减小寄生电容，与使用半导体元件的开关相比，具有损耗小、绝缘性佳、信号失真不明显的特点。 [0004] 在高频电路中，MEMS电容与线路串联连接，或者将MEMS电容安装在线路中以确定线路的频率特性，或者调整线路的分布常数。通过使用可变电容，能够改变谐振频率或者改变分布常数。可变电容元件一般构成为：相向地配置固定电极与可动电极，通过使可动电极位移来改变电极间电容。 [0005] 在大多情况下，这些可动电极由利用通过镀敷工序形成的具有柔性的金属结构形成。电解电镀需要馈电层。通过溅镀等形成附着层与种子层的叠层的情况较多，其中，附着层用于确保与基底的附着性，种子层由与镀层相同的材料构成。附着层由例如Ti，Cr，Mo等金属层形成。镀层由例如铜（Cu）、金（Au）等导电性良好的金属形成。为了在金属结构的下方形成自由空间，使用了以下方法：在自由空间部分形成牺牲膜，在牺牲膜的上方形成金属结构，然后去除牺牲膜。例如，能够使用铜、铝等的金属膜、氧化硅、氮化硅、氧化铝等的无机电介质膜、感光性树脂等的有机电介质膜等，来作为牺牲膜。 [0006] 例如，为了在陶瓷衬底上形成单悬臂梁型可动电极，首先形成台座部，然后形成用于填充自由空间的牺牲层，然后形成单悬臂梁结构，最后去除牺牲层、不需要的附着层/种子层来形成单悬臂梁型可动电极。其中，通过以下步骤等形成台座部：通过溅镀等形成附着层/种子层；通过抗蚀图案等形成用于划定镀敷区域的结构体；通过电解电镀工序形成台座金属层；去除抗蚀图案等结构体；去除不需要的附着层/种子层等，通过以下步骤等形成用于填充自由空间的牺牲层：通过溅镀等形成附着层/种子层；通过抗蚀图案等形成用于划定镀敷区域的结构体；通过电解电镀工序形成牺牲金属层；去除抗蚀图案等结构体等，通过以下步骤等形成单悬臂梁结构：通过溅镀等形成附着层/种子层；通过抗蚀图案等形成用于划定镀敷区域的结构体；通过电解电镀工序形成可动梁部金属层；去除抗蚀图案等结构体等。 [0007] 单悬臂梁结构主要由金等的良导体形成，但作为基底还包含附着层、种子层。即使是相同金属的金属层，利用溅镀形成的层与利用镀敷形成的层的纯度等也不同，从而显示出不同的物理属性。具有不同的物理属性的金属层的叠层为热膨胀率不同的金属层的叠层。 [0008] 对电气设备实施260℃左右的回流焊工序和-20℃～+80℃的温度冲击试验。由于热膨胀率的不同，在金属叠层之间产生应力，并且产生翘曲和变形。例如，单悬臂梁结构的前端发生翘曲而朝向上方位移。单悬臂梁结构的前端有时会向上方位移10μm以上。由此，电气设备在规定的工作电压下不能够发挥作用。作为这样的翘曲的原因，认为是因结构体由不同的金属材料层的叠层结构构成而产生的。例如，在大多情况下，附着层与镀层是不同的金属层。 [0009] 在大多情况下，附着层的电阻率大于镀层的电阻率。若利用附着层覆盖开关的接触面，则电阻变大。为了减小电阻，提出了有从开关的接触面去除附着层的方案（例如，日本专利文献特开2007-196303号、日本专利文献特开2009-252672号）。 [0010] 现有技术文献 [0011] 专利文献 [0012] 专利文献1：日本专利文献2007-196303号公报； [0013] 专利文献2：日本专利文献2009-252672号公报。 发明内容[0014] 本发明的一个目的在于提供一种具有构成为新规结构的可动部的电气设备及其制造方法。 [0015] 本发明的另一个目的在于提供一种具有抑制了翘曲的可动部的电气设备及其制造方法。 [0016] 根据本发明的一个观点，提供有一种电气设备，其特征在于，具有： [0017] 衬底； [0018] 形成在所述衬底上方的第一金属材料的种子层； [0019] 形成在所述种子层上并且至少包含一个第二金属材料的台座部； [0021] 根据本发明的另一个观点，提供有一种电气设备的制造方法，其特征在于，包括以下步骤： [0022] 在衬底的上方形成第一金属材料的第一种子层； [0023] 在所述第一种子层的上方并与第一空间区域相邻的位置，通过镀敷形成至少一个第二金属材料的台座部； [0024] 在第一空间区域形成与第二金属材料的蚀刻特性不同的第一牺牲层； [0025] 形成金属材料的第二牺牲层，所述第二牺牲层从所述第一牺牲层上延伸至所述台座部的表面的一部分； [0026] 在所述第二牺牲层的上方，通过镀敷形成具有与所述第二金属材料相同的组分、热膨胀系数的第三金属材料的下部结构体； [0027] 露出未形成有所述第二牺牲层的台座部的表面，而且在所述台座部、所述下部结构体上，通过镀敷形成与所述第二金属材料、所述第三金属材料具有相同的组分、热膨胀系数的第四金属材料的上部结构体； [0029] 图1-1和图1-2中的1A～1M是衬底的剖视图，概略地示出了第一实施例的具有可变电容的电气设备的制造工序。 [0030] 图2的2A、2B、2C是示出第一实施例的主要工序的平面结构的俯视图。 [0031] 图3的3A～3D是概略地示出单悬臂梁结构的支撑方式的俯视图。 [0032] 图4的4A～4F是衬底的剖视图，概略地示出了第二实施例的具有可变电容的电气设备的制造工序。 [0033] 图5的5A、5B、5C是示出具有开关的电气设备的剖视图及其等效电路图、具有双悬臂梁结构的电气设备的剖视图。 [0034] 图6的6A、6B是示出包含可变电容的可变滤波器的结构的等效电路图。 [0035] 图7的7A、7B、7C是示出可变电容的构成例的等效电路图。 具体实施方式[0036] 参照图1-1和图1-2中的1A～1M，说明第一实施例的具有可变电容的电气设备的制造程序，其中，所述可变电容具有单悬臂梁结构。 [0037] 如图1-1的1A所示，通过溅镀，在LTCC（Low Temperature Co-fired Ceramics：低温共烧陶瓷）衬底11上形成例如由厚度为50nm（纳米）的Ti膜形成的附着层12和由厚度为500nm的Au层形成的种子层13。作为附着层，除了Ti膜之外，也可以使用Cr膜、Mo膜。以下，为了简化，有时将附着层12、种子层13一并称作基底层或种子层14。 [0038] 如图1-1的1B所示，在基底层14上形成具有用于划定镀敷区域的开口的抗蚀图案RP1，通过电解电镀在基底层14上形成Au的第一镀层15。在第一镀层上形成第二镀层，而且，使第二镀层与第一镀层的形状不同，由此，在第一镀层上形成从上部延伸出的伸出部。然后，去除抗蚀图案RP1。 [0039] 如图1-1的1C所示，形成具有用于划定上部结构的开口的新的抗蚀图案RP2，而且通过电解电镀形成Au的第二镀层16。利用第一镀层15与第二镀层16的叠层形成具有台阶部的立体结构。在图中的左侧形成有具有矩形的剖面的台座部17，在图中的右侧形成有相向的两个部分的下侧相对延伸出的相向电极18。台座部17、相向电极18的高度在1μm～5μm左右。此外，在相向电极18中，薄壁部构成电极，厚壁部构成高频线路。第一镀层与第二镀层使用相同的电镀液，由具有相同组分、相同热膨胀系数的金属层形成。然后，去除抗蚀图案RP2。 [0040] 第一镀层和第二镀层例如由包含重量占1％～2％的Ag的Au合金、包含重量占0.1％～25％的Cu的Au合金以及另一种Au合金构成，另一种Au合金是指，包含从Co、Ni、In所构成的群中选择的至少一种元素且该元素的重量占0.1％～25％的Au合金。第一镀层与第二镀层具有相同的组分是指具有相同的组分、或者在实质上相同的组分。例如，第一镀层的组分中重量占5％以下的组分可以与第二镀层的组分不同。优选与第二镀层的组分不同的部分占重量的2％以下。第一镀层与第二镀层具有相等的热膨胀系数是指，具有相等的热膨胀系数或者在实质上相等的热膨胀系数。例如，第一镀层的热膨胀系数与第二镀层的热膨胀系数的差可以小于等于1％。优选热膨胀系数的差小于等于0.1％。 [0042] 如图1-1的1E所示，若去除抗蚀图案RP3，则在LTCC衬底11上并排配置有台座部17、控制电极19以及相向电极18。 [0043] 如图1-1的1F所示，以覆盖相向电极18的相对面的方式形成氧化硅、氮化硅、氧化铝、氧化钽等的电介质膜20。通过剥离、蚀刻等进行电介质膜的图案化处理。 [0044] 如图1-1的1G所示，以覆盖相向电极18、控制电极19，覆盖台座部的表面的一部分并露出一部分的方式，在衬底11上形成种子层21。种子层21用于在其上镀敷Cu层，并成为Ti/Cu、Cr/Cu、Mo/Cu（下层附着层/上层种子层）等中的某一叠层。 [0045] 图2的2A是图1-1的1G的状态的俯视图。利用剖面线示出的种子层21覆盖相向电极18、控制电极19以及覆盖台座部17的右侧部分并透出台座部17的剩余的表面。 [0046] 如图1-1的1H所示，形成具有划定镀敷区域的开口而且覆盖在台座部17与相向电极18的厚壁部上的抗蚀图案RP4，并进行Cu的电解电镀。利用Cu的第一牺牲层22填埋凹部。此后，去除抗蚀图案RP4。相向电极18、第一牺牲层22以及台座部17构成被平坦化的面。 [0047] 如图1-2的1I所示，形成用于划定可动电极的新的抗蚀图案RP5。利用抗蚀图案RP5覆盖相向电极18中的从厚壁部至肉薄部的一部分，而且覆盖台座部17中的未形成有种子层21的区域。Cu的第一牺牲层22、Cu镀敷用种子层21从抗蚀图案RP5的开口露出。在抗蚀图案RP5的开口内，通过电解电镀形成例如厚度为0.5μm～1μm的Cu的第二牺牲层23，通过在Cu的第二牺牲层23上连续进行镀敷，形成例如厚度为2μm～5μm的Au的可动电极24。Cu的第二牺牲层23作为Au镀层24成长的种子层发挥作用。若去除Cu的第二牺牲层，则仅剩下Au的镀层。 此后，去除抗蚀图案RP5。 [0048] 图2的2B是图1I的状态的俯视图。可动电极24包含呈矩形的主要部分和从左边向左侧延伸出的两根梁。为了使可动电极易于位移，可动电极24呈在根部具有柔性梁的形状。可动电极的可动部的长度例如大于等于200μm。两根梁与台座部17有充分的重叠长度，例如大于等于10μm。台座部例如呈一条边为一百几十μm的矩形形状。在为单悬臂梁结构的情况下，优选其根部以10μm～100μm左右的长度与台座部17重叠。 [0049] 如图1-2的1J所示，利用抗蚀图案RP5划定Au的可动电极24与Cu的第二牺牲层23的界面的端部，从而获得希望的形状。此外，还尝试了不镀敷第二牺牲层23，而在抗蚀图案RP5的开口处直接镀敷Au的可动电极24。在该情况下，发现会在作为目标的形状的外侧形成Au镀层的毛刺（burr）。铜层的表面容易被氧化，铜的镀敷工序的前置处理包括去除氧化膜。认为在第一牺牲层22的表面上也存在铜的氧化膜。若从抗蚀图案RP5与Cu的第一牺牲膜22的界面去除Cu的氧化膜，则会形成间隙，以至于允许Au电镀液侵入。由于考虑到这种情况会成为产生毛刺的原因，所以在通过Cu镀敷将镀敷表面升高至抗蚀图案与Cu的第一牺牲层22的界面以上之后，再进行Au的镀敷。 [0050] 通过连续镀敷Cu和Au，例如，如图1-2的1J所示，即使Cu电镀液侵入到抗蚀图案RP5与Cu的第一牺牲层22的界面，也只会在Cu的第一牺牲层22的表面上追加一层薄的Cu镀层，在去除牺牲层时，能够同时去除该薄的Cu镀层。通过这种连续镀敷，能够解决毛刺问题。 [0051] 如图1-2的1K所示，形成在台座部17的上方具有开口的抗蚀图案RP6。台座部17的Au表面和可动电极24的Au表面在开口内露出。在该状态下，进行Au的电解电镀，形成厚度大于等于可动电极24的厚度的Au的固定层26。 [0052] 图1-2的1L示出去除了抗蚀图案RP6的状态。图2的2C示出该状态的俯视图。固定层26可靠地按压可动电极24的根部的梁。在可动电极24的下方，存在有Cu的第一牺牲层22、第二牺牲层23，而且存在有Cu镀敷用的种子层21。例如通过湿法蚀刻来去除这些层。在蚀刻Cu时，若使用包含氨铜络合物的蚀刻液，则蚀刻速度加速至大于等于1μm/min，并且粘性很低，因此，即使是数百nm的狭小间隙也能够蚀刻，而且很少腐蚀其他材料。在去除镀敷形成的Cu层的同时，还能够一并去除溅镀形成的Cu层、附着层。 [0053] 图1-2的1M示出去除了第一牺牲层22、第二牺牲层23以及种子层21的状态。台座部17经由种子层14固定在衬底11上。在种子层14的上方，台座部17、可动电极24以及固定层26全部由Au的镀层形成，具有相同的组分和相同的热膨胀系数。因此，即使发生温度变化，也能够抑制由于热膨胀系数的差而产生的应力，并且能够抑制翘曲。在可动电极24的下表面与台座部17的上表面之间存在具有规定高度的狭缝。这是一种由于曾存在种子层21、第二牺牲层23而产生的特征结构。 [0054] 此外，可动电极的形状能够进行各种变更。 [0055] 图3的3A是上述第一实施例的形状。可动电极24在呈矩形的主要部分的根部具有多个梁，这些梁通过固定层26固定在台座部17上。 [0056] 在图3的3B中，整个可动电极呈矩形形状，其端部通过固定层26固定在台座部17上。 [0057] 图3的3C示出可动电极具有旋转轴的情况。在可动电极24中，两根梁从呈矩形的主要部分的左边延伸，而且利用与左边平行的旋转轴部结合这两根梁。固定层26将旋转轴部固定在台座部17上，但是对旋转轴部的宽度进行限制，允许进行某种程度的旋转。 [0058] 在图3的3D中，就两根梁从可动电极24延伸而且通过固定层26固定在台座部17上这一点来说，与图1A相同，但是在可动电极24内形成有狭缝状的开口，并追加形成有具有柔性的梁结构。 [0059] 图4的4A～4F示出第二实施例的具有可变电容的电气设备的制造工序。在本实施例中使用电介质牺牲层。进行与第一实施例的图1-1的1A～1F的工序相同的工序，获得图4的4A的结构。在衬底11上形成有台座部17、控制电极19以及具有绝缘膜20的相向电极18。 [0060] 如图4的4B所示，利用电介质牺牲层31填埋凹部。例如，旋涂感光性有机树脂。也可以利用层压装置（laminator）来粘贴抗蚀膜（film resist）。根据需要进行光刻工艺来形成希望的图案。也能够旋涂无机绝缘材料液，来取代有机树脂。 [0061] 如图4的4C所示，以覆盖台座部17的希望区域以外的区域的方式形成种子层32。种子层32是Ti/Cu、Cr/Cu、Mo/Cu等某一种叠层结构。 [0062] 如图4的4D所示，在种子层32、台座部17上形成划定镀敷区域的抗蚀图案RP5。利用抗蚀图案RP5连续进行Cu的第二牺牲层23、Au的可动电极层24的电解电镀。就Cu层23构成第二牺牲层这一点与第一实施例相同，但是利用电介质形成第一牺牲层而且在其上形成Cu镀敷用的种子层32这一点与第一实施例不同。Cu的第二牺牲层23与Au的可动电极层24的界面升高至抗蚀图案RP5的底面以上，利用抗蚀图案RP5来划定该界面的端部。此后，去除抗蚀图案RP5。 [0063] 如图4的4E所示，形成固定层26用的抗蚀图案RP6，电解电镀Au的固定层26，以固定Au的可动电极24。此后，去除抗蚀图案RP6。 [0064] 如图4的4F所示，去除Cu的第二牺牲层23、种子层32以及电介质的第一牺牲层31。除了通过蚀刻的方式去除电介质的牺牲层以外，若电介质的牺牲层是有机树脂，则也能够通过灰化（ashing）的方式去除电介质的牺牲层。虽然一部分的制造工序不同，但是通过实施例2，也能够获得与实施例1相同的结构。 [0065] 以上，针对制造可变电容的情况进行了说明，还能够以同样的方式制造开关。 [0066] 图5的5A是示出开关的结构的剖视图。在衬底11上形成有台座部17、相向电极18以及控制电极19。在此，相向电极由具有相同厚度的部件构成。以在台座部17的上表面的上方并与该上表面分离的方式配置有可动电极24，从台座部17的上表面向可动电极24的上表面延伸的固定层26支撑可动电极24。可动电极24因施加至控制电极19的电压而下降，当其与相向电极18抵接时，开关变为“接通”。当电压解除，可动电极24因弹力而向上方远离相向电极18时，开关成为“断开”。种子层14以上的部分全部由具有相同组分、相同热膨胀系数的相同金属层形成，因此，还能够抑制由于温度变化产生的翘曲。 [0067] 图5的5B是开关的等效电路。能够通过电阻与电感的串联连接来近似等效线路部分，能够通过电阻与电容的并联连接来近似等效接点部。 [0068] 图5的5C示出双悬臂梁结构的例子。在可动电极24的两侧配置有台座部17-1、17-2，固定层26-1、26-2将可动电极24的两端固定于台座部17-1、17-2。在可动电极24的中央部下方配置有相向电极18，在其两侧配置有控制电极19-1、19-2。若相向电极与可动电极经由空气间隙彼此相向，则构成开关。若在相向电极18表面上形成绝缘层20，则构成可变电容。 [0069] 图6的6A、6B示出了使用以上述方式形成的可变电容的可变滤波电路的例子。C1、C2、Cm是可变电容，利用矩形示出的装置是包含可变电容的可变分布常数线路。 [0070] 图7的7A、7B、7C示出了可变电容电路的例子。能够使用上述可变电容，来作为图中所示的可变电容。 [0071] 以上，针对实施例进行了说明，但是本发明并不仅限于这些实施例。例如，能够使用环氧玻璃衬底，来取代陶瓷衬底。可以将以Au的镀层为例进行了说明的层替换成添加了几个百分比的Cu、Pd等的硬度变高的Au合金层。还能够加厚第二牺牲膜的厚度来使其具有平坦化功能。此外，本领域技术人员容易想到：还能够进行的各种变更、替换、改良、组合等。 [0072] 附图标记的说明 [0073] 11：LTCC衬底； [0074] 12：附着层； [0075] 13：种子层； [0076] 14：基底层； [0077] 15：第一镀层； [0078] 16：第二镀层； [0079] 17：台座部； [0080] 18：高频线路（相向电极）； [0081] 19：控制电极； [0082] 20：绝缘膜； [0083] 21：种子层； [0084] 22：第一牺牲层； [0085] 23：第二牺牲层； [0086] 24：可动电极； [0087] 26：固定层； [0088] RP：抗蚀图案。 |
||||||
