(57)【要約】【課題】  機械的強度の向上したメンブレン構造を有する高周波デバイスを提供する。【解決手段】  開口１５を有する基板１１上に、ストッパ層１２（第１誘電体層）および素子形成層としての誘電体層１３（第２誘電体層）がこの順に設けられ、誘電体層１３上の開口１５に対向する位置に高周波素子１４（インダクタ）を有する。開口１５内には、基板１１をパターニングして開口１５を形成する際に同時に補強構造１８が設けられている。この補強構造１８は開口１５内を複数の領域に分割するパターンを有する。ストッパ層１２により、基板１１をエッチングの際の誘電体層１３の損傷を防ぐことができ、補強構造１８によりメンブレン１７の機械的強度が増加する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
開口を有する基板と、
前記基板の材料に対してエッチング選択性を有する材料により形成されると共に前記基板上に前記開口を覆うように設けられた第１誘電体層と、
前記第１誘電体上の第２誘電体層と、
前記第２誘電体層上の前記開口に対向する位置に設けられた高周波素子と
を備えた高周波デバイス。
【請求項２】
前記基板の開口内に前記第１誘電体層および第２誘電体層に対する補強構造を有する、請求項１に記載の高周波デバイス。
【請求項３】
前記補強構造は、前記基板と一体化されると共に前記開口内を複数の領域に分割するパターンを有する、請求項１に記載の高周波デバイス。
【請求項４】
前記高周波素子は、インダクタ，アンテナ，キャパシタまたは伝送線路である、請求項１に記載の高周波デバイス。
【請求項５】
前記高周波素子はインダクタであり、前記補強構造は前記開口内をその中央から複数の領域に分割する放射状パターンを有する、請求項４に記載の高周波デバイス。
【請求項６】
前記高周波素子は線状の放射素子を有するアンテナであり、前記補強構造は前記放射素子の長手方向に対して垂直なパターンを有する、請求項４に記載の高周波デバイス。
【請求項７】
前記基板は導電性材料により形成されている、請求項１に記載の高周波デバイス。
【請求項８】
前記第２誘電体層は有機材料により形成されている、請求項１に記載の高周波デバイス。
【請求項９】
前記有機材料は、ＢＣＢ、パリレンまたはポリイミドである、請求項８に記載の高周波デバイス。
【請求項１０】
前記誘電体層は無機材料により形成されている、請求項１に記載の高周波デバイス。
【請求項１１】
前記無機材料は酸化シリコンまたは窒化シリコンである、請求項１０に記載の高周波デバイス。
【請求項１２】
開口を有する基板と、
前記基板上に前記開口を覆うように設けられた誘電体層と、
前記誘電体層上の前記開口に対向する位置に設けられた高周波素子と、
前記基板と一体化されると共に前記開口内を複数の領域に分割するパターンを有する、前記誘電体層に対する補強構造と
を備えた高周波デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems；マイクロマシン）に用いられる高周波デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｓｉ−ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）の微細化に伴い、トランジスタの遮蔽周波数は１００ＧＨｚ以上へと飛躍的に向上している。これにより現在の無線機器で主に使用されている数ＧＨｚ帯への適用は勿論、６０ＧＨｚ以上のミリ波帯への応用も見えてきた。いわゆるＲＦ−ＣＭＯＳ回路とよばれるもので、ベースバンド部とＲＦフロントエンド部をＣＭＯＳで１チップ化することにより大幅な低コスト化が可能となるため、活発な開発が行われている。
【０００３】
このＲＦ−ＣＭＯＳ回路開発における課題の一つに、例えばインダクタがある。ＲＦ−ＣＭＯＳでは、化合物半導体において使用される半絶縁性のＧａＡｓ基板と比較して低抵抗（数〜数ｋΩｃｍ）のＳｉ基板を用いるため、基板上にインダクタを形成すると、基板と容量性カップリングや渦電流損失などの問題が生じる。その結果、ＣＭＯＳオンチップ・インダクタのＱ値は低くなり、これがＲＦ−ＣＭＯＳ回路の低消費電力化や低コスト化の障害の一つとなっている。
【０００４】
このインダクタを含め、高周波素子のＱ値を向上させる試みとして、基板の一部を除去することにより、基板との間の寄生容量を低減したり、渦電流による損失を抑制したりする試みがなされている。例えば、水酸化カリウムによるＳｉ基板の裏面からのエッチングにより形成したメンブレン上にインダクタを設け、これにより共振周波数が向上すると共に高いＱ値（３０〜４０ＧＨｚにて５０〜６０）を実現した例が報告されている（例えば、非特許文献１）。また、高周波ＭＣＭ（Multi Chip Module）において、基板裏面からのＤＲＩＥ（Deep Reactive Ion Etching）により基板を選択的に除去し、ベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）などの有機薄膜（メンブレン）上にフィルタやアンテナを形成することで、損失が小さく急峻な周波数特性を実現した例もある（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】C. Y. Chi and G. M. Rebeiz, "Planer microwave and millimeter-wave lumped elements and coupled-line filters using micromachining techniques", IEEE Trans. Microwave Theory Tech., Vol. 43, No. 4, pp. 730-738, 1995.
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−２２２９１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記メンブレン構造（薄膜構造）は一般的に機械的強度が弱く、また裏面からの基板除去のエッチングの際にメンブレンが損傷することにより、さらに強度が低下するという問題があった。特に、メンブレンの設計膜厚が薄い場合や面積が大きい場合には、実装時のチップのハンドリングが困難になるだけでなく、メンブレンの自立自体にも支障が生じる。その一方、例えばインダクタやアンテナの場合では、必要な特性値を実現しようとするとほぼ一意的に素子寸法が決まる。このためインダクタやアンテナと言った比較的面積の大きな素子をメンブレン構造上に形成する場合には、強度的な問題から歩留まりが低下する。これを解決するためにはメンブレンを厚くするなどの配線設計寸法を増大させる必要があるといった問題が生じる。
【０００８】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、機械的強度の向上したメンブレン構造を有する高周波デバイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第１の高周波デバイスは、開口を有する基板と、基板の材料に対してエッチング選択性を有する材料により形成されると共に基板上に開口を覆うように設けられた第１誘電体層と、第１誘電体層上の第２誘電体層と、第２誘電体層上の開口に対向する位置に設けられた高周波素子と、を備えたものである。
【００１０】
この高周波デバイスでは、基板と素子形成層としての第２誘電体層との間にストッパ層（第１誘電体層）を有するため、基板の裏面側からのエッチングにより開口を形成する際に、素子形成層（第２誘電体層）に損傷を与えることがない。
【００１１】
本発明の第２の高周波デバイスは、開口を有する基板と、基板上に開口を覆うように設けられた誘電体層と、誘電体層上の開口に対向する位置に設けられた高周波素子と、基板と一体化されると共に開口内を複数の領域に分割するパターンを有する、誘電体層に対する補強構造と、を備えたものである。
【００１２】
この高周波デバイスでは、基板と一体化した開口内の補強構造により素子形成層としての誘電体層の機械的強度が増加する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の第１の高周波デバイスによれば、基板と素子形成層としての第２誘電体層との間にストッパ層として第１誘電体層を設けるようにしたので、基板に開口を形成する際のエッチングによる素子形成層（第２誘電体層）の損傷を防ぐことができる。よって機械的強度が向上し、製造歩留まりが向上する。
【００１４】
本発明の第２の高周波デバイスによれば、基板の開口内に基板と一体化した補強構造を設け、開口内を複数の領域に分割するようにしたので、同じく素子形成層（誘電体層）の機械的強度が増加し、製造歩留まりが向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る高周波デバイスの平面図および断面図である。
【図２】図１に示した高周波デバイスの製造方法の一例を表す断面図である。
【図３】図２に続く工程を表した断面図である。
【図４】図１に示した高周波デバイスのインダクタンスおよびＱ値を比較例と共に示した特性図である。
【図５】第２の実施の形態に係る高周波デバイスの平面図および断面図である。
【図６】第３の実施の形態に係る高周波デバイスの平面図および断面図である。
【図７】第４の実施の形態に係る高周波デバイスの断面図である。
【図８】高周波デバイスの実装例を表す断面図である。
【図９】高周波デバイスの変形例を表す平面図および断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について、以下の順に図面を参照しつつ説明する。
［第１の実施の形態］
（１）全体構成
（２）製造方法
［第２の実施の形態］
補強構造を有する高周波デバイスの全体構成
［第３の実施の形態］
高周波素子としてアンテナを有する高周波デバイス
［第４の実施の形態］
［実装例］
【００１７】
［第１の実施の形態］
（１）全体構成
図１（Ａ）〜（Ｃ）は本発明の第１の実施の形態に係る高周波デバイス１の構成を表すものである。図１（Ａ）は高周波デバイス１を上面から見た平面構成、図１（Ｂ）は図１（Ａ）のＩ−Ｉ線における断面構成、図１（Ｃ）は下面から見た平面構成をそれぞれ表している。この高周波デバイス１は、基板１１上にメンブレンとしてストッパ層１２および誘電体層１３をこの順に積層した構造を有する。誘電体層１３（素子形成層）上には高周波素子１４が形成されている。基板１１には一部が除去されることにより開口１５が形成されている。
【００１８】
基板１１は例えばシリコン基板であるが、その他、合成石英、ガラス、金属、樹脂または樹脂フィルムなどの材料からなるものでもよい。
【００１９】
ストッパ層１２（第１誘電体層）は例えばシリコン（Ｓｉ）を含む誘電体材料から構成されている。このストッパ層１２の材質は、基板１１をエッチングする際に基板１１との間で選択性を有するものであればよく、基板１１の材料によって適宜選択する。エッチングはドライエッチング例えばＤＲＩＥ（Deep Reactive Ion Etching ）であるが、これに限るものではなく、例えばウェットエッチングでもよい。
【００２０】
素子形成層としての誘電体層１３（第２誘電体層）は有機材料または無機材料により構成されているが、その材料は寸法や膜厚、要求される高周波特性等を勘案して選択される。有機材料としては、例えばベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）、ポリイミド（ＰＩ）、パリレンおよびダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）などの低誘電率材料を用いることができる。無機材料としては、例えばＳｉＯ２ またはＳｉＮを主成分とする材料を用いる。因みに、有機材料は高周波特性が高く、厚膜が形成し易いという長所がある。一方、無機材料は、厚膜は形成しにくいが、Ｓｉとの熱膨張の差が小さいため応力が発生しにくいという長所がある。
【００２１】
高周波素子１４は、例えばＡｌＣｕなどの金属材料を用いたコイル状のインダクタ１４Ａである。インダクタ１４Ａはここでは２層構造であるが、１層構造でもよい。この高周波素子１４は基板１１に形成された開口１５に対向する位置（開口１５内）に形成されている。
【００２２】
次に、図２および図３を参照して高周波デバイス１の製造方法について説明する。
【００２３】
（２）製造方法
まず、図２（Ａ）に示したように、基板１１上にストッパ層１２を形成する。ここでは、基板１１の材料がシリコンであるので、ストッパ層１２としてシリコンとのエッチング選択性を有するシリコン酸化膜を形成する。具体的には、例えば厚さ０．６ｍｍのシリコン基板１１を１０００℃で加熱し、水蒸気雰囲気下における熱酸化によって厚さ３μｍのシリコン酸化膜を基板１１の表面に形成する。次に、基板１１の一方の側（裏面）のシリコン酸化層を研磨除去してシリコン基板１１の厚さを例えば０．５ｍｍとする。これにより基板１１の表面にシリコン酸化膜からなるストッパ層１２が形成される。
【００２４】
続いて、図２（Ｂ）に示したようにストッパ層１２上に例えばＡｌＣｕを成膜し、例えばドライエッチングにより所定の形状に加工することにより１層目のメタル配線１４ａを形成する。続いて、図２（Ｃ）に示したようにストッパ層１２およびメタル配線１４ａ上に誘電体膜１３を形成する。ここでは、例えば高周波において損失の低い低誘電体率材料であるＢＣＢを材料としてスピンコート法により誘電体層１３を形成する。
【００２５】
次に、図３（Ａ）に示したように誘電体層１３に対してメタル配線１４ａに達する貫通孔１６ａ，１６ｂを形成した後、図３（Ｂ）に示したように、貫通孔１６ａ，１６ｂ内および誘電体膜１３上に２層目のメタル配線１４ｃを形成する。具体的には例えばメタル配線１４ａと同様にＡｌＣｕを成膜し、フォトリソグラフィおよびドライエッチングによってインダクタのコイル状パターンを形成する。このときメタル配線１４ｃはビアコンタクト１４ｂを通じてメタル配線１４ａと電気的に接続される。
【００２６】
最後に、図３（Ｃ）に示したように、基板１１の裏面側から開口１５を形成する。具体的には例えば基板１１の裏面上にハードマスクを形成したのち、例えばＤＲＩＥ（Deep Reactive Ion Etching ）によって基板１１をエッチングして開口１５を形成し、所望のメンブレン構造を得る。ここでのエッチング条件は、一般にＢＯＳＣＨ法と呼ばれている、ＳＦ６ガスによるエッチングステップと、Ｃ４Ｆ８によるパッシベーションステップを交互に繰り返して、垂直な加工形状を得る方法を用いる。このとき基板１１と誘電体層１３との間にストッパ層１２が介在しているので、このストッパ層１２においてエッチングが停止し、誘電体層１３が損傷することはない。なお、エッチング方法はこれに限ったものではなく、水酸化テトラメチルアンモニウム水溶液（ＴＭＡＨ）等によるウエットエッチング法を用いてもよい。
【００２７】
このように本実施の形態の高周波デバイス１は、基板１１上にストッパ層１２、誘電体層１３および高周波素子１４（インダクタ１４Ａ）が形成され、この高周波素子１４に対向する位置の基板１１に開口１５を有するメンブレン構造を有する。図４（Ａ），（Ｂ）はこの開口１５を有する高周波デバイス１と、開口を有しない（メンブレン構造を持たない）デバイス（比較例）とのインダクタンス（図４（Ａ））とＱ値（図４（Ｂ））を比較したものである。図４（Ａ）では、比較例が周波数の上昇に伴ってインダクタンスも徐々に上昇しているのに対して、高周波デバイス１ではほぼ一定である。図４（Ｂ）からは、比較例では５ＧＨｚ付近においてＱ値が４０程度で頭打ちとなっているのに対して、高周波デバイス１ではＱ値は８ＧＨｚ以上まで上昇を継続し、７０に達していることがわかる。このことから基板１１に開口１５を設けたメンブレン構造を有することにより、広範囲の周波数、特に高周波領域において使用可能であることがわかる。
【００２８】
また、本実施の形態の高周波デバイス１では、基板１１と誘電体層１３との間にストッパ層１２を設けるようにしたので、基板１１に開口１５を形成する際にこのストッパ層１２においてエッチングが停止する。従って、メンブレン１７を構成する誘電体層１３に損傷を与えることなく、メンブレン１７の機械的強度を向上させることが可能となる。これにより製造歩留まりが向上する。
【００２９】
また、誘電体層１３の材料や膜厚等の設定を基板１１のエッチング条件とは独立して自由に行うことが可能となる。
【００３０】
［第２の実施の形態］
図５は本発明の第２の実施の形態に係る高周波デバイス２の断面構成を表すもので、図５（Ａ）は高周波デバイス２の断面構成、図５（Ｂ）は同じく下面から見た平面構成をそれぞれ表している。本実施の形態はより大面積のメンブレン１７（ストッパ層１２、誘電体層１３）が必要な場合に好適である。なお、第１の実施の形態と同一の構成部分は同一符号を付してその説明は省略する。
【００３１】
この高周波デバイス２は、基板１１上にストッパ層１２、誘電体層１３および高周波素子１４（インダクタ１４Ａ）を有することは第１の実施の形態と同様であるが、開口１５内に補強構造１８を有する点で異なる。この補強構造１８は基板１１と一体化したものであり例えば上記ＤＲＩＥにより基板１１に開口１５を形成すると同時に形成される。高周波素子１４が、このような補強構造１８として基板１１を残すことによって特性劣化が生じる場合には、補強構造１８のパターンを特性劣化を最小限に抑えるものとする。
【００３２】
補強構造１８のパターンは開口１５内（つまり誘電体層１３上の高周波素子１４）を複数の領域に分割するものであり、ここでは例えば開口１５の中央から放射状に伸びたパターン（図５（Ｂ）) 、あるいは開口１５を十字に４等分するパターンとする（図５（Ｃ）) 。これにより渦電流の発生を低減し、Ｑ値の低下を抑制することができる。その他の構成は実質的に第１の実施の形態と同様である。
【００３３】
インダクタ１４Ａとしてより大きなインダクタンスが必要な場合には、インダクタ１４Ａのループ径を拡大すればよいが、そのためにはメンブレン１７（すなわち開口１５）もそのループ径に対応するように面積を拡大する必要がある。しかし単純にメンブレン１７の面積を拡大するとその機械的強度は低下する。
【００３４】
本実施の形態の高周波デバイス２では、基板１１をエッチングして開口１５を形成する際に、開口１５内の基板の一部を残して補強構造１８を設ける。この補強構造１８のパターンによってメンブレン１７は複数の小さい領域に分割されるため、たわみや破損につながる機械的強度の低下を抑えることができるものである。よって、高周波デバイス２として大面積のメンブレン１７を有する場合においても、所望の機械的強度を得ることができると共に製造歩留まりが向上する。また、補強構造１８を設けることにより同時にチップ自体の機械的強度も向上するため実装時のハンドリングも容易になる。基板１１と誘電体層１３との間にストッパ層１２を設けることによりエッチングの誘電体層１３の損傷を防ぐことは第１の実施の形態と同様である。
【００３５】
［第３の実施の形態］
図６は第３の実施の形態に係る高周波デバイス３を表すもので、図６（Ａ）は高周波デバイス３を上面から見た平面構成、図６（Ｂ）は図６（Ａ）のII−II線における断面
構成、図１（Ｃ）は下面から見た平面構成をそれぞれ表している。
【００３６】
この高周波デバイス３は、高周波素子１４としてアンテナ１４Ｂを備えたものである。アンテナ１４Ｂは、線状の放射素子１４ｄ、この放射素子１４ｄへの給電線１４ｅおよびＧＮＤ領域１４ｆからなる逆Ｆ型オンチップアンテナである。補強構造１８としては放射素子１４ｄの長手方向に対して垂直なパターンを有するものとし、放射素子１４ｄを複数の領域に分割する。これによりアンテナ１４Ｂの指向性や周波数変動に対する影響を抑制しつつ、メンブレン１７の強度を向上させることが可能となる。その他の構成は実質的に第１の実施の形態と同様である。
【００３７】
［第４の実施の形態］
図７は第４の実施の形態に係る高周波デバイス４を表している。第２の実施の形態では補強構造１８と共にストッパ層１２を有する構造としたが、本実施の形態はストッパ層１２を設けることなく補強構造１８のみを備えるようにしたものである。この場合、開口１５は必ずしも基板１１を貫通するものでなくてもよく、溝構造あるいは凹部構造としてもよい。このような構成によってもメンブレン１７の機械的強度を向上させることが可能となる。
【００３８】
［実装例］
図８は一例として例えば高周波デバイス２のＰＣＢ（Printed circuit board ；プリント基板）１９への実装例を表したものである。高周波デバイス２は、耐環境性や長期信頼性の面から気密的に封止された状態で実装されることが望ましい。そのためメンブレン１７の上部には、例えばガラス、石英、シリコン等の基板を用いてウェハレベルパッケージのキャップ層２０を設けてメンブレン１７を封止する。メンブレン１７の下部の基板１１には、例えば貫通電極（ＴＳＶ）２１を形成し、この貫通電極２１と半田バンプ２２を用いてＰＣＢ１９にチップ実装したのち、モールド樹脂２３により気密封止する。なお、高周波デバイス２の実装方法はこれに限定するものではなく、様々な気密封止方法を組み合わせた実装が可能であることは言うまでもない。
【００３９】
以上、第１〜第４の実施の形態および実装例を挙げて説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく種々変形が可能である。例えば、上記実施の形態では、高周波素子１４の位置を開口１５内の領域に対向する位置としたが、実質的にその特性に影響を与えない範囲であれば、高周波素子１４が開口１５からはみ出す態様としてもよい。
【００４０】
また、補強構造１８のパターンは上記実施の形態のものに限るものではなく、その他のパターンでもよい。更に、高周波素子１４としてはインダクタ１４Ａやアンテナ１４Ｂに限るものではなく、その他、例えばキャパシタや高周波伝送線路でもよい。図９は、例えば、コプレーナ線路に適用した高周波デバイス５を表すものである。図９（Ａ）はこの高周波デバイス５の平面構成、図９（Ｂ）は図９（Ａ）のIII−III線における断面
構成、図９（Ｃ）は下面から見た平面構成を表している。特に高周波領域においては基板材料であるＳｉに起因する誘電損失の影響が大きいため、コプレーナ線路１４Ｃの中心導体１４ｈとその両側のスロット１４ｇ，１４ｉ付近をメンブレン構造にすることで、損失を抑制することができる。その際、メンブレン構造は線路方向に長く伸びることになるため、線路方向に対して垂直な補強構造１８を形成することにより、メンブレンの強度を維持することができる。
【符号の説明】
【００４１】
１，２，３，４，５…高周波デバイス、１１…基板、１２…ストッパ層、１３…誘電体層、１４…高周波素子、１５…開口、１６ａ，１６ｂ…貫通孔、１７…メンブレン、１８…補強構造、１９…プリント基板、２０…キャップ層、２１…貫通電極、２２…半田バンプ、２３…モールド樹脂。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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