(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の表面から離れる構造要素を有する基板上の面外構造を形成する方法であって、
基板上に剥離層を堆積する工程と、
応力勾配を有する変動応力材料層を剥離層の上に形成する工程と、
変動応力材料層をエッチングによりパターン形成して構造要素を形成する工程と、
負荷部材を変動応力材料層の上に形成し、構造要素を保護しながら負荷部材を解放マスクとして用いたエッチングによって構造要素の部分の下から剥離層の部分を除去して構造要素の下に剥離層の一部を残し、負荷部材としては構造要素の上に残る負荷部材形成工程と、
負荷部材を加熱によって軟化させて構造要素に対する負荷を軽減し、構造要素を剥離層から巻き上げられるようにする加熱工程と、
さらに加熱することで構造要素において微細構造の変化を生じさせて構造要素を剥離層からコイル状にさらに巻き上げて構造要素が基板の表面から離れる面外構造とするさらなる加熱工程と、
構造要素を導電性材料で覆う工程と、
導電性材料で覆われた上を非酸化材料で覆う工程と、
を含むことを特徴とする基板上の面外構造形成方法。
【請求項２】
請求項１に記載の基板上の面外構造形成方法において、
変動応力材料層を形成する工程は、
互いに応力特性が異なる複数の下位層をスパッタリング蒸着によって形成することを特徴とする基板上の面外構造形成方法。
【請求項３】
請求項１に記載の基板上の面外構造形成方法において、
変動応力材料層を形成する工程は、
互いに応力特性が異なる少なくとも２層を電気メッキによって形成することを特徴とする基板上の面外構造形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、半導体基板上の、応力設計されたばねに関し、特に、このようなばねによって形成される面外構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
微細加工され、応力設計されたばねは、電気的相互接続から高密度プローブカード（probe card）、オンチップ高品質係数面外インダクタ（on‐chip high quality factor out‐of‐plane inductors）に至るまでの範囲にわたる用途に用いることができる。これらのばねを製造する工程は、材料を堆積（deposit）させることを含み、この材料は、場合によって層状に堆積され、その構造の底部に向かう圧縮応力と、その構造の上部に向かう引張応力と、を受けるように堆積される。この材料は変動応力を受け、剥離層（release layer）に設けられる。この材料によって形成される構造の１つの端部又は複数の端部が剥離層から解放されると、この構造の端部は変動応力によって剥離層及び材料が設けられた基板の面外に巻き上げられる。
【０００３】
変動応力構造を形成する方法は、例えば、スパッタリング（sputtering）又は電気めっきを含む。１９９７年３月２５日発行の特許文献１「フォトリソグラフィによってパターン形成されたばね接点（Photolithographically Patterned Spring Contact）」には、スパッタリングによってこのような構造を形成する方法が記載されている。金属をスパッタリング蒸着するとき、ターゲットと呼ばれる金属の平板が陰極に設置される。陰極は高負電位に設定され、低圧気体に浸される。これによりグロー放電プラズマが点火し、このグロー放電プラズマから負に帯電したターゲットに向かって陽イオンが加速される。このイオン衝撃によってターゲットから金属原子が離れ、これらの金属原子の多くは近傍の表面上、例えば基板上に蒸着される。金属層は、いくつかの下位層が蒸着して最終的な厚さになったものとみなすことができる。金属層には応力勾配が導入される。応力勾配は、各下位層固有の応力を変えて、各下位層が異なるレベルの固有応力を有するようにすることで実現される。これらの異なる応力レベルは、スパッタリング蒸着する間に様々な手段で各下位層に導入することができる。これらの様々な手段は、反応ガスをプラズマに加えること、ある角度で金属を蒸着すること、及びプラズマガスの圧力を変えることを含む。
【０００４】
他の１つの方法は、剥離層を導電性材料から形成し、異なる層を電気めっきするときの電極としてこの導電性材料を用いることである。異なる層は、異なる応力特性を有し、構造を形成する。例えば、第１の層は、第１の薬浴を用いたニッケルの電気めっきなどの第１の層から形成され、第２の層は、第２の薬浴を用いたニッケルの電気めっきから形成され得る。第２の薬浴は異なる原子構造を有するニッケルを生成し、第１の薬浴は第２の層について異なる応力特性をもたらす。
【０００５】
より高い安定性を有するばね構造を得るため、又はばね構造の特性をより良く制御するために、電気めっきは、ばね構造の形成の後に実行してもよい。このような電気めっきの工程の例は、２００３年３月４日発行の特許文献２「金属平板ばね構造を加工する方法（Method for Fabricating a Metal Plated Spring Structure）」に記載されている。
【０００６】
応力設計された材料がどのような方法で形成されても、この材料は選択的に剥離層から解放され、構造の端部が基板から離れて巻き上がることを可能とする。これらの巻き上げられた構造は、一般に、ばねと呼ばれる。これらのばねから作られることのできる１つの可能な構造は、面外インダクタ（inductor）である。面外インダクタは、面外インダクタを流れる電流によって生成される電磁場が、２次元インダクタによって生成される電磁場ほど多くは基板を貫通しないという点で、２次元インダクタに対して有利である。この結果として、基板における渦電流がより小さくなり、エネルギ損失がより小さくなる。
【０００７】
面外インダクタの製造工程の一例では、２つのばねが互いに鏡に映したように向き合い、２つのばねはこれらの端部に掛け金構造（latching structures）を有する。各ばねの端部が開放されると、ばねは互いに向かって巻き上がり、掛け金構造が連結し、コイルを形成する。この製造工程の例は、２００３年９月１６日発行の特許文献３「接地面構造を有する面外マイクロコイル（Out of Plane Microcoil with Ground Plane Structure）」及び２００５年９月２０日発行の特許文献４「フォトリソグラフィによってパターン形成された面外コイル構造及び製造方法（Photolithographically Patterned Out‐of‐Plane Coil Structures and Method of Making）」に記載されている。
【０００８】
【特許文献１】米国特許第５６１３８６１号明細書
【特許文献２】米国特許第６５２８３５０号明細書
【特許文献３】米国特許第６６２１１４１号明細書
【特許文献４】米国特許第６９４７２９１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ばねを解放し、巻き上げることでばねを連結する工程においては、非常に厳密な工程管理が必要であり、製造コストが増大する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
１つの態様は、面外構造を形成する方法である。この方法は、基板の表面から離れる構造要素を有する基板上の面外構造を形成する方法であって、基板上に剥離層を堆積する工程と、応力勾配を有する変動応力材料層を剥離層の上に形成する工程と、変動応力材料層をエッチングによりパターン形成して構造要素を形成する工程と、負荷部材を変動応力材料層の上に形成し、構造要素を保護しながら負荷部材を解放マスクとして用いたエッチングによって構造要素の部分の下から剥離層の部分を除去して構造要素の下に剥離層の一部を残し、負荷部材としては構造要素の上に残る負荷部材形成工程と、負荷部材を加熱によって軟化させて構造要素に対する負荷を軽減し、構造要素を剥離層から巻き上げられるようにする加熱工程と、さらに加熱することで構造要素において微細構造の変化を生じさせて構造要素を剥離層からコイル状にさらに巻き上げて構造要素が基板の表面から離れる面外構造とするさらなる加熱工程と、構造要素を導電性材料で覆う工程と、導電性材料で覆われた上を非酸化材料で覆う工程と、を含むことを特徴とする。
また、本発明に係る基板上の面外構造形成方法において、変動応力材料層を形成する工程は、互いに応力特性が異なる複数の下位層をスパッタリング蒸着によって形成することが好ましい。
また、本発明に係る基板上の面外構造形成方法において、変動応力材料層を形成する工程は、互いに応力特性が異なる少なくとも２層を電気メッキによって形成することが好ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１は、２つのばね構造２４，２６によって形成された面外コイル２２の実施形態を示す。基板２０上の剥離層から解放されたとき、これら２つのばねは、これらが接続する点まで基板平面の面外に巻き上げられる。ばね構造２４，２６の端部は、互いに係止し、又は互いに連結することを可能にする特性を有することができる。この構造が形成されると、この構造は第１の被膜３０によってめっきされる。第１の被膜３０は、通常、銅、ニッケル、又は銀などの導電性材料である。
【００１３】
これらのばねが形成される間、これらのばねを連結させる巻き動作（coiling motion）の速度及び範囲は、負荷層によって部分的に制御される。この負荷層は、通常、熱を加えることによって、又は、反応ガス又は蒸気にさらすことによって、軟化又はリフロー（reflow）させることができる材料である。負荷層が軟化すると、これらのばねの負荷が減少し、これらのばねは巻き上げられて接触する。これらのばねがうまく組み合わされてコイルとなった後、この負荷層は化学薬品によって取り除かれる。
【００１４】
１つの実施形態では、フォトレジストが負荷層を形成する。フォトレジスト負荷は、約２００℃の温度まで加熱することでリフローすることができる。
【００１５】
１つの実施形態では、無負荷のばねの直径が４９０マイクロメータ（μｍ）から５８０マイクロメータの間であれば、一般に、コイルの組立は成功する。この同じ実施形態において、組立工程の間により高い熱を構造に加えることで、無負荷のばねの直径が約９００μｍであっても、ばねの組立に成功できることが発見されている。これは、工程の公差において５０％以上の改善である。
【００１６】
１つの実施形態では、応力設計された金属は、モリブデンクロム合金をスパッタリングすることで形成された。応力設計された金属を２５０℃以上に加熱することが微細構造の変化を誘発し、この変化がより大きな直径の無負荷のばねを適切にコイル状に組み立てることを可能にすることが発見された。しかしながら、より高い熱を加えることは、負荷層が交差結合（cross‐linked）して硬化する原因となり、溶剤によるエッチングを通じた材料の除去を無効とする。第１の被膜の高い酸化特性に起因して、負荷層の材料は、酸素プラズマアッシング（oxygen plasma ashing）などの工程によっては除去できない。第１の被膜についてこのような工程を行うと、コイルが使用不能になることがある。
【００１７】
第１の被膜を保護して、より高い温度を適用できるようにし、（コイル）構造を破壊することなく、硬化したフォトレジストを酸素プラズマアッシングと同様の工程で除去できるようにすることができる。図１の構造は、金などの非酸化材料の第２の被膜２８を有する。第２の被膜は、コイル２２の望ましい作動周波数での電気的な表皮深さよりも小さい厚さを有する。
【００１８】
第２の被膜の厚さは電気的な表皮深さよりも小さい厚さであるとみなされ、この表皮深さは、典型的には、所定の周波数において電気回路で用いられる構造についてのみ定義されることに注意されたい。しかしながら、電気的な表皮深さは、実際に電気回路で用いられない要素についても用いることができる。ただし、この電気的な表皮深さは、たとえその構造が電気回路で用いられなくても、仮にその構造が電気回路で用いられた場合において定義されるものであってよい。
【００１９】
金被膜２８が電気的な表皮深さよりも厚ければ、電流は、強制的に金被膜へ流出させられる。金及び同様の材料は、典型的に、銅よりも高い抵抗を有するため、非酸化層が厚すぎるとコイル２２の性能は低下する。図２に示すように、さらなる保護のため、構造２２を封止樹脂４４に埋め込んでもよい。
【００２０】
非酸化層２８は、通常の状態で構造を保護するという点で、さらなる利点を有する。第１の被膜３０は、時間に従って酸化により劣化する。例えば、保護されていない第１の銅被膜を有するコイル構造を室内環境に３ヶ月間放置すると、コイル品質係数（Ｑ）が、周波数１ＧＨｚで約８０から、周波数１ＧＨｚで約５０まで低下することがある。非酸化層を加えることは、この問題を軽減する。
【００２１】
これらの構造の組立工程の調節を変更して、この第２の被膜を設けることができる。図１に関する議論はコイルに焦点が合わせられ、工程に関する議論も同様にコイルに焦点が合わせられていることに注意されたい。これは、本発明のいずれの実施形態の適用についても、面外インダクタコイルに限定することを意図するものではない。例えば、ばね及び片持ち梁などのすべての面外構造は、ここで議論する実施形態の利益を受けることができる。
【００２２】
図３から図８は、非酸化被膜を有する面外構造を製造する工程の実施形態を示す。図３を参照すると、例えばシリコン又はガラスなどの基板２０は、堆積された剥離層３２を備える。この製造工程は、典型的に、電気めっきを伴うため、剥離層は導電性材料であることが好適であり得る。１つの実施形態では、チタニウムが用いられる。
【００２３】
図３を参照すると、その後、構造材料層３４が剥離層上に設けられる。前述のとおり、この構造材料は応力設計された材料である。これは、当該材料が応力勾配を有することを意味し、又は、剥離層上に位置する当該材料の底部から当該材料の上部までにおいてその応力が変動することを意味する。当該材料は、変動応力材料と呼ぶこともできる。
【００２４】
前述のように、ばね材料を剥離層上にスパッタリング蒸着する間に、各下位層において異なる応力レベルを実現できる。この応力レベルは、様々な手段で制御できる。これらの手段は、反応ガスをプラズマに加えること、ある角度で金属を蒸着すること、及びプラズマガスの圧力を変えることを含む。他の１つの方法は、剥離層を導電性材料から形成し、異なる層を電気めっきするときの電極としてこの導電性材料を用いることだろう。異なる層は、異なる応力特性を有し、構造を形成する。例えば、第１の層は、ニッケルなどの第１の層から形成され、第２の層は、ニッケル合金から形成されることができる。第２の層のニッケル合金は、わずかに異なる化学組成を有し、結果として第２の層について異なる応力特性をもたらす。どのように形成されたとしても、応力設計された層は、剥離層から解放されたときに、基板の面外に巻き上げられる特性を備えるべきである。
【００２５】
図４を参照すると、構造マスク３６が設けられ、パターン形成され、個々の構造が形成される。この構造マスクは、構造材料層３４の部分を保護し、この保護された部分は、後に構造を形成する。例えば２つのばねから形成されるコイルなど、複数の下位構造を備える構造については、個々の構造は構造要素と呼ばれ、構造とは、基板、構造を形成するのに用いられる層の様々な部分、及び構造要素を意味する。
【００２６】
図５は、構造のエッチングの結果を示す。図５を参照すると、構造材料層３４は、例えば隙間３８内など、選択的に構造から除去される。構造のエッチングの結果、構造マスク３６の残りの部分も除去されるだろう。
【００２７】
図６は、解放マスクの適用を示す。解放マスクは、構造材料層３４の部分を保護し、コイルの構造組立に用いられる負荷部材を形成するだろう。解放マスクのエッチングは、剥離層３２の部分についても、構造材料層３４の部分の下から選択的にエッチング除去する。この結果として得られる構造の例を図７に示す。
【００２８】
図７を参照すると、負荷部材４０は構造材料層３４上に残り、一方、剥離層３２の部分は構造要素の下に残り、剥離層３２と構造材料層３４との間の電気的接続及び機械的接続を提供する。この剥離層３２の残った部分は、構造に対する電気めっきの接点としても機能する。
【００２９】
図８は、構造を加熱して負荷部材４０が軟化又はリフローするようにした結果の実施形態を示す。さらに加熱して、構造において微細構造の変化を生じさせ、より大きなばね動作を誘発することも、負荷の軟化だけでは不十分である環境において採用できる。負荷部材によって生じる負荷の減少及び微細構造の変化の結果、構造がコイルである実施形態においては、２つのばね構造がコイルを形成する。ここで開示された工程の中には、他の構造を形成するためには必要ない工程もあり得ることに注意されたい。例えば、負荷部材は、ばね又は片持ち梁を形成するには必要ない場合がある。これらの構造は、他の手段で制御できるような方法で基板の面外に動くことができるからである。さらに、加熱してリフローさせることは、必要ない場合がある。
【００３０】
構造を加熱することで、負荷部材を軟化させ、又は微細構造の変化を生じさせることは、コイルを形成する構造を確立するのに好適な方法である。他の構造は、負荷部材又はコイルの形成を伴わない場合があるものの、ばね及び片持ち梁など、これらの構造もまた、上述のように、この技術及び非酸化層を用いて導電性層を酸化から保護する技術の利益を受けることができる。この構造は、第１の材料から形成されると言える。この第１の材料の候補となる材料の例は、モリブデンクロム、ニッケルジルコニウム、ニッケル、銅、タングステン、金、及びプラスチックを含む。
【００３１】
構造が組み立てられると、例えば、図８に示すようなコイルに組み立てられると、この構造は第２の材料で覆われる。第２の材料は、例えば、銅、銀、又はニッケルである。この構造は、その後、金などの非酸化材料でめっきされ、保護される。この非酸化被膜は、先行する工程で用いられたマスク及び電極と同じものを用いて適用することができる。したがって、非酸化被膜は、製造工程の複雑さを増大させることはない。
【００３２】
コイルの組立の間、典型的にはフォトレジストである負荷層材料が焼失されるまで、構造を加熱することができる。そのような高温になるまで構造を加熱する１つの理由は、微細構造の変化を誘発することであり得る。微細構造の変化は、負荷層を軟化させただけの場合に可能であるよりもさらに基板から離れて構造が巻き上げられることを可能にする。より高い処理温度は、工程の公差を増加させ、構造材料層３４が広く変動する応力勾配で設けられ、それでもうまくコイルに組み立てられることを可能とする。しかしながら、望ましくない副作用は、負荷層材料を通常の溶剤を用いて除去することが難しくなることである。この状況では、フォトレジスト負荷層は、図１に示す導電性層３０を損傷から保護する非酸化層２８について積極的な酸素プラズマアッシングを用いることで除去できる。いくつかの実施形態では、第１の材料と非酸化被膜との間にニッケルなどの拡散障壁を加えることが好適だろう。実験においては、非酸化層を有するコイルにおいて、Ｑ係数（品質係数）の顕著な低下は見られなかった。
【００３３】
上述の説明では、コイルインダクタの形成及び被膜について重点的に述べたが、他の可能な構造を形成し、被膜で覆うことができる。他の可能な構造は、例えば、プローブ、ばね、及び片持ち梁などである。さらに、非酸化層のめっきは、他の工程で形成された他の構造に適用することもできる。この工程では、第１の材料からなる第１の被膜は、構造要素に適用されるだろう。第２の材料からなる第２の被膜は、第１の被膜に適用されるだろう。この結果として得られる構造は、このような構造でなければ第１の被膜にとって破壊的であるような、さらなる処理に耐えることができるだろう。
【００３４】
上述の態様の様々な変形並びに他の特徴及び機能、又はこれらの変形は、望ましく組み合わせて他の多くの異なるシステム又は応用とすることが可能であることは理解できるだろう。また、上述の態様における、現在は予見されていない又は予想されていない様々な代替物、変形、変更、又は改良が、今後当業者によってなされる可能性があり、これらについても特許請求の範囲に包含されることが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】応力設計されたばね材料から形成された面外構造の実施形態の垂直断面図である。
【図２】応力設計されたばね材料から形成された面外構造の実施形態の垂直断面図である。
【図３】面外構造を製造する工程を示す垂直断面図である。
【図４】面外構造を製造する工程を示す垂直断面図である。
【図５】面外構造を製造する工程を示す垂直断面図である。
【図６】面外構造を製造する工程を示す垂直断面図である。
【図７】面外構造を製造する工程を示す垂直断面図である。
【図８】面外構造を製造する工程を示す垂直断面図である。
【符号の説明】
【００３６】
２０  基板、２２  コイル、２４，２６  ばね構造、２８  非酸化層、３０  導電性層、３２  剥離層、３４  構造材料層、３６  構造マスク、３８  隙間、４０  負荷部材、４４  封止樹脂。
【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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