JP4036651B2 - 三次元ソレノイドの製造方法および同方法によるデバイス - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は概して誘導コイルと併用する三次元ソレノイドを製造する方法およびその方法によって製造されたデバイスに関し、より詳しくはCMOS技法によって製造される三次元誘導コイルがマイクロ電子機械システム(MEMS)による3−Dソレノイドを製造するための方法およびこの方法によって製造されたデバイスに関する。
【0002】
【従来の技術】
モータ、アクチュエータおよび同様の機械パーツの小型化は、これらの小さいサイズのために、これらのデバイスの新規な使用を可能にするための増大する注目を受けている。付加的に、これらのデバイスは低廉なパーツ価格で大量に製造することができる。小型化機械パーツの現在の設計はサイズとスケールに基づいて分類することができる。巨視的機械パーツが約1から10インチの範囲の長さを有しており、一方時おりMEMS(マイクロ電子機械システム)と呼ばれる、微視的機械パーツは、0.01から1インチの範囲の長さを有している。
【0003】
いずれにしても、巨視的および微視的サイズ両方の既存の小型化アクチュエータおよびモータは、本質的に大型のモータ、従って、巻線、固定子、歯車、送信回線などのような要素パーツを含むレプリカである。これらの小型化パーツは、例えば他のパーツと機械的に係合して動作を誘起するような電気的な作動要素の運動のような所望の機能を提供する可動デバイスを生成するために高精度で組み立てなければならない。係合形態に依存して、この運動は数本の軸のいずれかが直線、回転、円形等になる。多数の複雑なパーツを高い制度で組み立てなければならないので、目標とする仕様と性能に一致したパーツを生産するのに、現在の製造工程を使用することは比較的低い。これらの低い生産が次にパーツのコストを上げることになる。従って、上述の問題をなくす微視的または巨視的スケールの物体の動作を誘起する新しい形態のアクチュエータと関連する方法を提供することが望まれている。
【0004】
MEMS技術は最近半導体製造工業にまで拡大されている。当該技術の現在の状況において、半導体デバイスは通常平板構造に形成され、またこれがために半導体デバイスを製造するための処理は、概して平面処理である。例えば、異なる物質の層、すなわち、絶縁物質および金属導電性物質のような層は、一つの層の頂部に他の層が蒸着され、デバイスの外形が種々の層を介してエッチングされる。ほとんどの半導体素子およびデバイスの製造に適している平面製造処理は、三次元のある一定するデバイスの製造にはまったく適していない。例えば、3−Dソレノイド、すなわち、あるいは3−D誘導コイルは、多数の層を底部から頂部へ積層することによって製造しなければならず、タスクを完了するのに多数のフォトマスクを必要とする。例えば、CMOS技術がこの種の3−Dソレノイドを形成するのに使用されると、製造処理を完了させるために、フォトマスクを利用する少なくとも四つの他の工程を組み入れなければならない。さらに、層と層間のインターフェースに発生する種々の処理の問題を回避するために、層間の正確なアライメントが必要である。
【0005】
平面処理技術によってもたらされる別の制限は、正方形または長方形の3−Dソレノイドのみを製造することが可能なことである。円形の3−Dソレノイドはこの種の技術によっては製造することができない。半導体基板から3−Dソレノイドを成形するためには、非常に厚いフォトレジスト層と大きいアスペクト比の構造を満たすための電気メッキ技術も使用しなければならず、これがまた製造処理の複雑さをさらに増すことになる。
【0006】
3−Dソレノイドないし誘導コイルは無線周波数(RF)通信技術において広範囲に使用されている。特に、高い性質係数のインダクタに必要とされるRF受動電気通信デバイスにとって重大である。例えば、この種の高い性質係数のインダクタには、RFフィルタまたはRF発信機内に利用されるものが含まれる。現在、RF電気通信デバイスは、デバイス基板と直交する磁界を生成する平板誘導コイルである誘導コイルが利用されている。結果として、誘導電流がシリコン基板内に生成され、次に相当なエネルギー損失を生じることになり、結局、低い性質係数となる。このことが高い無線周波数においてさえもこの種のデバイスの使用を妨げている。例えば、誘導コイル、コンデンサおよび抵抗器のような受動素子のような電気通信機器のために現在製造されている要素は、能動素子を伴う同じシリコン基板上に製造することができない。その代わりに、この種の受動素子は能動素子と一緒に、回路板上に組み入れられ、受動素子を収容するのに非常に大きいエリアの回路板を生成する。受動素子が同じ半導体基板上に能動素子と一緒に組み入れられる場合は、通信モジュールのサイズは相当縮小できる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、従来の製造方法の欠点ないし欠陥のない3−Dソレノイドを製造する方法を提供することである。
【0008】
本発明の別の目的は、MEMS技術によって製造できる3−Dソレノイドを提供することである。
【0009】
本発明のさらに別の目的は、CMOS技術によって半導体基板上に製造できる3−Dソレノイドを提供することである。
【0010】
本発明のさらに別の目的は、ソレノイドが付加的な操作ないしモニターの必要性なしに自己組み入れできるようなMEMS技術によって製造される3−Dソレノイドを提供することである。
【0011】
本発明のさらに別の目的は、シリコン基板上にCMOS技術によって3−Dソレノイドを製造し、次に基板からインダクタの平板スパイラルを取り出すとともに3−Dコイルに分ける方法を提供することである。
【0012】
本発明のさらに別の目的は、チップ上にモノリッシク的に3−Dソレノイドを製造し、次に、製造された平板スパイラルを自動的に取り出す方法を提供することである。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、三次元ソレノイドを製造する方法およびこの方法で製造されたソレノイド・デバイスを開示する。
【0014】
好ましい実施例において、三次元ソレノイドを製造する方法は、事前処理された半導体基板を用意する工程と、前記基板の頂面上に第1二酸化シリコン層を蒸着する工程と、前記第1二酸化シリコン層上に金属層を蒸着する工程と、前記金属層を誘導コイルにパターン化し、前記誘導コイルの中央近くに第1端を、またその外周縁に第2端を有するようにする工程と、前記誘導コイルと第1二酸化シリコン層の頂部上に第2二酸化シリコン層を蒸着する工程と、前記誘導コイルの前記第1および第2端を露呈する前記第2二酸化シリコン層内にヴァイア開口部をパターン化する工程と、誘導コイルのそれぞれ前記第1および第2端上を二つのヴァイアを形成する第2金属で前記ヴァイア開口部を充填する工程と、前記二つのヴァイアと前記第2二酸化シリコン層上に第3二酸化シリコン層を蒸着する工程と、前記第3二酸化シリコン層内で、サスペンド・アームのための第1トレンチ開口部を、前記第2二酸化シリコン層上の二つのヴァイアの間のエリアを除いて位置するよう2箇所においてパターン化し、前記第1トレンチ開口部のそれぞれの内端を前記二つのヴァ イアに夫々露呈する工程と、前記第1トレンチ開口部に第1金属を蒸着して二つのサスペンドアームを形成する工程と、前記二つのサスペンド・アームと前記第3二酸化シリコン層上に第4二酸化シリコン層を蒸着する工程と、前記二つのサスペンド・アーム上に第2トレンチ開口部をパターン化するとともに露呈する工程と、前記第2トレンチ開口部内に、2重層サスペンド・アームを形成する前記第2金属の熱膨張係数よりも小さい熱膨張係数を有する第2金属を蒸着する工程と、前記第1、第2、第3および第4二酸化シリコン層を前記基板の頂面から除去し、前記誘導コイル、前記ヴァイアおよび前記二重層サスペンド・アームを露呈する工程によって実行することができる。
【0015】
三次元ソレノイドを製造する方法は、ヴァイア開口部をWで充填する工程、またはヴァイア開口部をW CVD処理によって充填する工程をさらに含んでいる。この方法は二重層サスペンド・アームを形成する第1金属AlCuと第2金属Niを蒸着する工程をさらに含んでいる。この方法は二重層サスペンド・アームを形成する第1金属AlCuと第2金属Crを蒸着する工程をさらに含んでいる。誘導コイルがAlCuである。この方法はさらに第1、第2、第3および第4二酸化シリコン層を湿式エッチング法によって、または反応イオン・エッチング法によって除去する工程をさらに含んでいる。この方法はさらに、化学メッキ法によって第2金属Niを蒸着する工程、または、スパッタリング法によって第2金属Crを蒸着する工程をさらに含んでいる。
【0016】
本発明はさらに事前処理された半導体基板と、基板の頂面から隔置された自由端と基板の頂面に固定された固定端を各々有する二つのサスペンド・アームであって、各々二重層金属積層体で形成され、その金属底層が第1金属からなり、また金属頂層が第1金属の熱膨張係数よりも小さい熱膨張係数を有する第2金属からなり、該サスペンド・アームの両端が上方向に湾曲する二つのサスペンド・アームと、サスペンド・アームのそれぞれ自由端に各々結合された二つの端を有し、前記サスペンド・アームの二つの固定端間に電気的な連絡を提供する導電性金属からなる誘導コイルとを具備する三次元ソレノイドに向けられている。
【0017】
三次元ソレノイドにおいて、基板がSi基板であり、金属底層を形成する湾曲第1金属アームがAlCuであり、金属頂層を形成する第2金属がNiまたはCrであり、また誘導コイルがAlCuから形成される。三次元ソレノイドが、サスペンド・アームの自由端と誘導コイルの二つの端をそれぞれ中間的に連結するヴァイアをさらに含んでいる。このソレノイドが、RF通信のための接地−信号−接地形態に形成されている。この誘導コイルが円形状または長方形状に形成されている。また、ヴァイアが金属で形成されている。
【0018】
本発明のこれらの目的および他の目的、特徴と利点は次の詳細な説明と添付図面から明白となろう。
【0019】
【発明の実施の形態】
本発明はMEMS方法によって半導体基板上に誘導コイルによって形成された3−Dソレノイドおよびこの方法で形成された3−Dソレノイドを開示する。
【0020】
この方法では、シリコン基板が頂部に蒸着された二酸化シリコン層をまず提供する。次に、誘導コイルが、AlCuのような金属から写真製版によって二酸化シリコン層上に形成される。次に、誘導コイルの二つの端部において、タングステン化学蒸着技術によって金属ヴァイアが形成される。互いにその内端で金属ヴァイアに連結された二つのサスペンド・アームが、二酸化シリコン層上に形成され、この二酸化シリコン層によって絶縁される。サスペンド・アームを形成する第1金属物質よりも小さい熱膨張係数、またはこれよりも大きい残留応力を有する第2金属物質が、アームの頂部に蒸着される。適切な第2金属物質はNiまたはCr、あるいは他の適切な金属である。絶縁物質の種々の層、すなわち、二酸化シリコン層が湿式エッチング技術によって、または反応イオン・エッチングの乾式エッチング技術によって除去され、形成された三次元ソレノイドが露呈される。金属ヴァイアに結合された自由端が基板の表面から湾曲するように、二重層サスペンド・アームが湾曲し、誘導コイルが基板上方のスペース内に立ち上がり、すなわち、三次元ソレノイドが形成される。
【0021】
本発明の新規な方法を使用することにより、多角形または円形の3−Dソレノイドを製造することができる。製造処理の初期において、CMOS技術が利用される。処理の後期はフォトマスキング工程の必要性なしに実行することができる。従って、本発明の新規な方法は、従来の製造処理の複雑さをなくすとともに、本発明の新規な方法によって製造された3−Dソレノイドは、次の利点を有する。すなわち、
1. 3−Dソレノイドが半導体基板から二つのサスペンド・アームによって立ち上げられ、これによってソレノイドと基板間の距離が長くなり、ソレノイドと基板間の寄生容量が小さくなる。
2. 円形ソレノイドが本発明の新規な方法によって製造されると、長方形ソレノイド内に存在する90°回転でのエネルギー損失が低減され、ソレノイドの品質を改善することができる。
3. 本発明の3−Dソレノイドにおいて、発生された磁界の方向が基板の表面と平行であり、これによって基板上の不要な誘導電流の生成の確率と、生じるエネルギー損失を低減することができる。
【0022】
本発明の新規な方法は、その組込み中、自動化でき、従って、付加的な操作またはモニター操作を必要としない。例えば、図1は機構の解放前に、基板12上に製造された本発明の3−Dソレノイド10の平面図を示す。このソレノイド10は、インダクタの適用例のためのAlCu、または他の適切な金属のような金属物質から形成される。誘導コイル10のそれぞれ中央近傍と外周にある二つの端14、16が、それぞれ二つのサスペンド・アーム18、20に連結されている。自由端14、16の他端は、半導体基板12に固定された固定端22と24である。本発明の誘導コイル10は、サスペンド・アーム18、20を形成するのに使用されるものと同じ金属物質で形成された二つの金属バー26、28で囲まれている。金属バー26、28は各々固定端30、32、34および36に連結されている。
【0023】
本発明の誘導コイル10の製造工程を図2(A)−図2(G)に示す。本発明の新規な方法は、図2(A)に示したように、その上に蒸着された二酸化シリコン層42を伴うシリコン基板40から開始することができる。図2(B)に示したように処理の次の工程において、金属層(図示省略)がまず蒸着され、次に誘導コイル10にパターン化され、また次に第2の二酸化シリコン層44によって覆われる。ヴァイア開口部(図示省略)が第2二酸化シリコン層44に形成された後、金属ヴァイア46、48が、第1金属をヴァイア開口部に蒸着されて形成され、こうしてヴァイアが形成される。ヴァイア46、48を形成するための最適な処理はタングステンCVD方法、または他の適切な金属の蒸着である。次に、タングステン・ヴァイア46、48の頂部に、図2(D)に示したようにサスペンド・アーム52、54を形成するために第3二酸化シリコン層50が蒸着され、サスペンド・アーム52、54が形成される。次に、第4二酸化シリコン層56が、第3二酸化シリコン層50、サスペンド・アーム52、54上に蒸着される。
【0024】
処理の次の工程において、図2(E)−図2(F)に示したように、トレンチ開口部58、60が、第4二酸化シリコン層56に写真製版的に形成される。次に第2金属物質が蒸着され、サスペンド・アーム52、54に積層される金属層62、64が形成される。金属層62、64を形成する第2金属物質は、サスペンド・アーム52、54を形成するのに使用される第1金属物質のCTEまたは熱応力とは異なるCTE、または熱応力を有している。例えば、AlCuはサスペンド・アーム52、54を形成するのに使用され、また第2金属物質はAlCuと比較してより低いCTEまたはより高い残留応力を有するNiまたはCrでなければならない。一度二酸化シリコン層42、44および56が湿式エッチング処理によって、または反応イオン・エッチング処理によって除去されると、サスペンド・アーム52、54のより大きいCTEまたはより低い残留応力、すなわち、第2金属物質によって形成された金属層62、64とサスペンド・アーム52、54間の差CTEまたは残留応力が、アームをして基板の頂面から上方へ湾曲せしめる。これを図2(G)と図3に示す。
【0025】
図3において、簡略化する理由で、サスペンド・アーム18と20の二重層構造は示していないが、NiまたはCrの金属層はAlCuのベース金属層上に蒸着され、アームの湾曲作用を許容することに注意しなければならない。一度、サスペンド・アーム18、20がその自由端14、16で上方に湾曲すると、誘導コイル10がシリコン基板40の頂面12から引き上げられ、次に、コイル10が二つのサスペンド・アーム18と20によって引き分けられると、3−D形態になる。
【0026】
サスペンド・アームの有効な曲率半径は、Cr/Al厚比に基づくAlの頂部上に積層されたCr層によって形成される。所与の例において、蒸着されたベース金属層Alの厚みは約0.8μm厚である。Crの頂層の厚みは、Alの厚みの0.05と0.4の間である。
【0027】
3−Dソレノイドを半導体基板上に製造する本発明の新規な方法および製造されたソレノイドにつき上記説明と添付図面1から4で説明した。
【0028】
本発明は実例として説明したものであり、使用した用語はこれに限定するものではなく、表現上の語句そのものの意味を意図している。
【0029】
さらに、本発明は好ましい実施例につき説明したが、当該技術に習熟した人にとっては、これらの技術を本発明の他の可能な変形例に容易に適用できることは理解できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】構造を解放する前の本発明の3−D誘導コイルの平面図。
【図2】(A)基板とその上に蒸着された二酸化シリコンの第1層を伴う本発明の基板の拡大断面図。
(B)二酸化シリコン層に蒸着され、形成された誘導コイルを伴う図2(A)に示す本発明の半導体基板の拡大断面図。
(C)誘導コイルの二つの端部上に形成された金属ヴァイアを伴う図2(B)に示す本発明の半導体基板の拡大断面図。
(D)二つのヴァイアにそれぞれ結合されるように形成された二つのサスペンド・アームを伴う図2(C)に示す本発明の半導体基板の拡大断面図。
(E)パターン化されたSiO2層を伴う図2(D)に示す本発明の半導体基板の拡大断面図。
(F)二重層構造を形成するサスペンド・アームの頂部上に蒸着された異なる金属を伴う図2(E)に示す本発明の半導体基板の拡大断面図。
(G)二酸化シリコン層を全てエッチング処理によって除去した図2(F)に示す本発明の半導体基板の拡大断面図。
【図3】サスペンド・アームが、金属層のCTE内の差またはサスペンド・アームを形成する残留応力のために、自由端で立ち上げられた後の本発明の3―Dソレノイドを示す斜視図。
Claims (21)
- スパイラル型の誘導コイルを有する、三次元ソレノイドを製造する方法であって、
事前処理された半導体基板を用意する工程と、
前記基板の頂面上に第1二酸化シリコン層を蒸着する工程と、
前記第1二酸化シリコン層上に金属層を蒸着する工程と、
前記金属層を誘導コイルにパターン化し、前記誘導コイルの中央近くに第1端を、またその外周縁に第2端を有するようにする工程と、
前記誘導コイルと第1二酸化シリコン層の頂部上に第2二酸化シリコン層を蒸着する工程と、
前記誘導コイルの前記第1および第2端を露呈する前記第2二酸化シリコン層内にヴァイア開口部をパターン化する工程と、
前記ヴァイア開口部に金属を充填して、前記誘導コイルのそれぞれ前記第1および第2端上に二つのヴァイアを形成する工程と、
前記二つのヴァイアと前記第2二酸化シリコン層上に第3二酸化シリコン層を蒸着する工程と、
前記第3二酸化シリコン層内に、サスペンド・アームのための第1トレンチ開口部を、前記第2二酸化シリコン層上の二つのヴァイアの間のエリアを除いて位置するよう2箇所においてパターン化し、前記第1トレンチ開口部のそれぞれの内端を前記二つのヴァイアに夫々露呈する工程と、
前記第1トレンチ開口部に第1金属を蒸着して二つのサスペンドアームを形成する工程と、
前記二つのサスペンド・アームと前記第3二酸化シリコン層上に第4二酸化シリコン層を蒸着する工程と、
前記二つのサスペンド・アーム上に第2トレンチ開口部をパターン化するとともに露呈する工程と、
前記第2トレンチ開口部内に、2重層サスペンド・アームを形成する前記第1金属の熱膨張係数よりも小さい熱膨張係数を有する第2金属を蒸着する工程と、
前記第1、第2、第3および第4二酸化シリコン層を前記基板の頂面から除去し、前記誘導コイル、前記ヴァイアおよび前記二重層サスペンド・アームを露呈する工程を含み、
前記誘導コイルの軸が、加工済みの半導体基板の表面に対して並行であって、かつ当該軸がサスペンドアームの自由端間を結ぶ方向に延在するように形成されることを特徴とする、
三次元ソレノイドを製造する方法。 - 前記ヴァイア開口部にWを充填してヴァイアを形成する、請求項1に記載の三次元ソレノイドの製造方法。
- 前記ヴァイア開口部にW CVD処理を行ってヴァイアを形成する、請求項1に記載の三次元ソレノイドの製造方法。
- 前記二重層サスペンド・アームを、第1金属AlCuと第2金属Niを蒸着して形成する、請求項1に記載の三次元ソレノイドの製造方法。
- 前記二重層サスペンド・アームを、第1金属AlCuと第2金属Crを蒸着して形成する、請求項1に記載の三次元ソレノイドの製造方法。
- 前記誘導コイルを、AlCuを蒸着して形成する、請求項1に記載の三次元ソレノイドの製造方法。
- 前記第1、第2、第3および第4二酸化シリコン層は、湿式エッチング法によって除去される、請求項1に記載の三次元ソレノイドを製造する方法。
- 前記第1、第2、第3および第4二酸化シリコン層は、反応イオン・エッチング法によって除去される、請求項1に記載の三次元ソレノイドを製造する方法。
- 第2金属Niは、化学メッキ法によって蒸着される、請求項1に記載の三次元ソレノイドの製造方法。
- 第2金属Crは、スパッタリング法によって蒸着される、請求項1に記載の三次元ソレノイドの製造方法。
- 事前処理された半導体基板と、
前記基板の頂面から隔置された自由端と基板の頂面に固定された固定端を各々有する二つのサスペンド・アームであって、前記サスペンドアームの固定端は、各々前記基板の上面についており、各々二重層金属積層体で形成され、その金属底層が第1金属からなり、また金属頂層が第1金属の熱膨張係数よりも小さい熱膨張係数を有する第2金属からなり、該サスペンド・アームの両端が上方向に湾曲する二つのサスペンド・アームと、
異なる熱膨張係数の前記第2金属と前記第1金属とが残留応力差を生み出すことにより前記二重層サスペンド・アームが変形して誘導コイルを形成するサスペンド・アームのそれぞれ前記自由端に各々結合された二つの端を有し、前記サスペンド・アームの前記二つの固定端間に電気的な連絡を提供する導電性金属からなり、加工済みの前記半導体基板の表面に対して並行な軸を有し、かつ当該軸がサスペンドアームの自由端間を結ぶ方向に延在してある、スパイラル型の誘導コイルと、を具備する三次元ソレノイド。 - 前記基板がSi基板である、請求項11に記載の三次元ソレノイド。
- 前記金属底層を形成する前記第1金属がAlCuである、請求項11に記載の三次元ソレノイド。
- 前記頂層を形成する前記第2金属がNiまたはCrである、請求項11に記載の三次元ソレノイド。
- 前記誘導コイルがAlCuから形成される、請求項11に記載の三次元ソレノイド。
- 前記サスペンド・アームの前記自由端と前記誘導コイルの二つの端をそれぞれ中間的に連結するヴァイアをさらに有する、請求項11に記載の三次元ソレノイド。
- 前記ソレノイドが、RF通信のための接地−信号−接地形態に形成されてある、請求項11に記載の三次元ソレノイド。
- 前記誘導コイルが円形状に形成されてある、請求項11に記載の三次元ソレノイド。
- 前記誘導コイルが矩形状に形成されてある、請求項11に記載の三次元ソレノイド。
- 前記ヴァイアが金属で形成されてある、請求項11に記載の三次元ソレノイド。
- 前記サスペンドアームがひきあげられることにより、熱膨張係数の異なる第2金属と前記第1金属とによって応力が生み出されることにより前記二重層サスペンド・アームが変形して誘導コイルを形成する、請求項1に記載の三次元ソレノイドの製造方法。
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