JP2004320014A

JP2004320014A - 薄膜抵抗体素子

Info

Publication number: JP2004320014A
Application number: JP2004112397A
Authority: JP
Inventors: Marvin Glenn Wong; マーヴィン　グレン　ウォン
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2003-04-14
Filing date: 2004-04-06
Publication date: 2004-11-11
Also published as: GB2400751A; GB2421638A; TW200502997A; GB0604475D0; GB2421638B; GB0404811D0; GB2400751B; US20040201447A1; DE10359496A1

Abstract

【課題】基板上に形成された薄膜抵抗体へ断続的に通電をすることで生じる発熱・冷却の繰り返しにより薄膜抵抗体に亀裂が入るのを抑制する。
【解決手段】基板上にコンプライアントな材料を堆積し（３００）、そのコンプライアントな材料上に薄膜抵抗を堆積する（３０５）。そして、基板上に形成された複数の接点間をこの薄膜抵抗で接続する（３１０）。実使用時、薄膜抵抗には断続的に電流が流されて膨張・収縮が繰り返し発生する。このとき、薄膜抵抗と基板との間には温度勾配が生じることにより膨張・収縮の差が生じ、熱応力が生じる。この膨張・収縮の差をコンプライアントな材料（可撓性を有する材料）が吸収して薄膜抵抗に生じる応力を低減し、薄膜抵抗に亀裂が入るの抑制することができる。
【選択図】図２

Description

薄膜抵抗体素子は、熱の生成に使用することができる。これらの抵抗体のいくつかは、加熱されると、高温に達する（たとえば、４００〜６００℃）。環境によっては、抵抗体は周期的に温度が反復する（温度上昇・下降が周期的に繰り返される）。温度周期のランプアップ部分（昇温の過程）では、抵抗体は、多くの場合、抵抗体が上に堆積されている基板よりもはるかに迅速に加熱し、その結果、抵抗体は圧縮応力が生じる。同様に、抵抗体には、温度サイクルのランプダウン部分（冷却の過程）の間に引張応力が生じる（抵抗体は、多くの場合、抵抗体が上に堆積されている基板よりもはるかに迅速に冷却するため）。こうした繰り返し応力は抵抗体を疲労させ、場合によっては抵抗体の亀裂を生じる。

本発明の課題は、上述した加熱・冷却の繰り返しによって生じうる薄膜抵抗体の亀裂を抑制することにある。

一実施態様では、薄膜抵抗体を含む素子を開示する。この素子は、第１および第２接点を支持する基板を備える。基板上に、コンプライアントな材料を堆積する。薄膜抵抗体はそのコンプライアントな材料上に堆積され、第１および第２接点の間に結合される。

本発明の具体的な実施態様は、図面に示す。

抵抗体の亀裂を減少させるために使用される素子は、図１および図２に示されている。その製法としては、図３に示すように、この素子は、先ず、コンプライアントな（抵抗体に生じる熱応力を減じることの可能な）材料１０８を基板１００上に堆積して製造する（３００）。一例として、コンプライアントな材料１０８は、スピンコーティングまたはパターン形成により基板上に堆積（塗布）される。その他の方法も、コンプライアントな材料を基板上に堆積するために使用することができる。コンプライアントな材料１０８は、良好な耐熱性を有する任意の可撓性材料、たとえばポリイミドで良い。

次に、薄膜抵抗体１０６は、コンプライアントな材料１０８上に堆積される（３０５）。たとえば、薄膜抵抗体は、スピンコーティング、パターン形成またはその他の任意の方法でコンプライアントな材料上に堆積される。一実施態様では、薄膜抵抗体１０６は、窒化タンタルなどのセラミック抵抗体で良い。薄膜抵抗体１０６は、モリブデンまたはタングステンなどの金属抵抗体でも良い。抵抗体は、コンプライアントな材料上に堆積した後、第１接点１０２と第２接点１０４との間に結合される（３１０）。抵抗体は、コンプライアントな材料上に堆積する時点とほぼ同時に接点１０２と１０４との間に結合することもできる点に注目するべきである。

一実施態様では、薄膜抵抗体１０６は、熱を生成するために使用される。抵抗体は、加熱して膨張すると、コンプライアントな材料１０８と、抵抗体が結合されている２個の接点１０２、１０４とによって生じる圧縮応力に暴露される。しかし、コンプライアントな材料は可撓性であるため、圧縮応力は、コンプライアントな層が存在しない場合に比べて低い。基板１００内の局所領域は、熱伝導により加熱されて膨張するため、抵抗体内の圧縮応力はさらに低下する。

抵抗体１０６は、電源が切れて冷却を開始すると収縮する。基板１００内の局所領域はまだ高温で膨張しているため、抵抗体には引張応力が加わる。しかし、コンプライアントな層１０８は引張応力を最小限にする。なぜなら、材料の可撓性により材料は変形し、抵抗体および基板がコンプライアントな材料に対して拡張力および圧縮力をそれぞれ独立して加えることを可能にするからである。

もう１つの実施態様では、薄膜抵抗体１０６およびコンプライアントな材料１０８は、抵抗体がコンプライアントな材料上に堆積されることにより（３０５）、抵抗体がコンプライアントな材料に対して脆弱な結合を形成するように選択する。抵抗体が加熱すると、抵抗体１０６およびコンプライアントな材料１０８の異なる膨張による応力により、抵抗体は部分的または完全にコンプライアントな層から剥離し、その結果、抵抗体に加わる圧縮応力が低下する。抵抗体が冷却して収縮すると、引張応力も低下する。なぜなら、コンプライアントな層からの剥離によって、抵抗体は、高温基板により加わる拡張力に対する非依存性が増加するからである。

薄膜抵抗体４０６を含む素子の第２の例示的な実施態様を図４および図５に示す。ポリイミドなどのコンプライアントな材料４０８は、基板４００上に堆積される。コンプライアントな材料は、コンプライアントな材料が波形を形成するように堆積する。一実施態様では、これは、コンプライアントな材料の層を堆積し、マスク層を堆積およびパターン形成し、マスクを通してコンプライアントな材料を部分的にエッチングしてから、マスク層を除去することにより行われる。あるいは、２つ以上のコンプライアントな材料層を堆積してパターンを形成する。次に、薄膜抵抗体４０６をコンプライアントな材料上に堆積して、第１接点４０２と第２接点４０４との間に結合する。一例として、薄膜抵抗体はセラミック抵抗体（たとえば、窒化タングステン）または金属（たとえば、モリブデンまたはタングステン）で良い。

一実施態様では、薄膜抵抗体４０６は、熱を生成するために使用する。薄膜抵抗体が加熱および膨張を開始すると、コンプライアントな層４０８の波形は、アコーディオン状に収縮することができる。したがって、薄膜抵抗体に対する圧縮応力が減少する。抵抗体の電源が切れて冷却し始めると、コンプライアントな層の波形はアコーディオン状に膨張することができ、まだ高温の基板４００により生じる引張応力が減少する。コンプライアントな材料の波形は、抵抗体の両端における応力も減少させる。

別の実施態様では、薄膜抵抗体４０６およびコンプライアントな層４０８の構成は、抵抗体が、コンプライアントな層に対して脆弱な結合を形成するように選択する。抵抗体が加熱し始めると、膨張する抵抗体および基板４００によって加わる力が異なるため、抵抗体は、コンプライアントな層から完全または部分的に剥離する。抵抗体の剥離によって、抵抗体は、加熱および冷却サイクル時に一般に抵抗体に加わる圧縮応力および引張応力からさらに自由になる。

抵抗体の亀裂を減少するために使用する素子の第３の例示的な実施態様を図６に示す。図７に示すように、この素子は、基板６００上に材料を堆積することにより製造される（７０５）。次に、薄膜抵抗体６０６を材料上に堆積する（７１０）。抵抗体は、第１接点６０２と第２接点６０４との間に結合する（７１５）。次に、材料を除去する（７２０）。

薄膜抵抗体は、セラミック抵抗体（たとえば、窒化タンタル）または金属抵抗体（たとえば、モリブデンまたはタングステン）で良い。一例として、薄膜抵抗体は、スピンコーティング、パターン形成またはその他の方法で材料上に堆積（塗布）することができる。抵抗体は、堆積７１０の時点またはその後に接点に結合することができる。

材料は、エッチング、または材料を除去するためのその他のタイプの方法により除去することができる。図６に示すように、その結果、抵抗体６０６と基板６００との間に波形領域が画定される。別の実施態様では、材料は、波形材料ではないため、抵抗体と基板との間に画定される領域に波形は形成しなくて良い。

薄膜抵抗体６０６は、熱を生成するために使用することができる。抵抗体が加熱すると、抵抗体と基板６００との間の領域によって、抵抗体は、加熱過程で抵抗体に加わる圧縮力に対する非依存性が増加する。抵抗体が冷却および収縮を開始すると、この領域によって、抵抗体は、まだ高温の基板からもさらに自由になり、その結果、抵抗体に対する引張応力が減少する。

一実施態様では、薄膜抵抗体は、液体ベースのスイッチ、たとえば液体金属マイクロスイッチ（ＬＩＭＭＳ）の一部で良い。こうしたスイッチに使用される基板の例示的な実施態様を図８および図９に示す。

基板８００は、スイッチング流体チャネル８０４と、一対の作動流体チャネル８０２、８０６と、作動流体チャネル８０２、８０６の対応する一方をスイッチング流体チャネル８０４に接続する一対のチャネル８０８、８１０とを備える。使用するスイッチの構成に応じて、より多数またはより少数のチャネルを基板内に形成することも考えられる。たとえば、作動流体チャネル８０２、８０６の対、および接続チャネル８０８、８１０の対は、１個の作動流体チャネルおよび１個の接続チャネルと置き換えることができる。

コンプライアントな材料８２２は、作動流体チャネル８０２内のある場所において基板８００上に堆積される。次に、薄膜抵抗体８２０はコンプライアントな材料上に堆積されて、第１接点８２１と第２接点８２３との間に結合される。類似の構成のコンプライアントな材料８１８、薄膜抵抗体８１５および接点８１７、８１９は、作動流体チャネル８０６と共に配置される。

以下に詳細に記載するとおり、薄膜抵抗体８１５、８２０は、作動流体を加熱するために使用される。コンプライアントな材料８１８、８２２は、加熱および冷却過程においてそれぞれの抵抗体によって加わる圧縮応力および引張応力の量を減少させる。別の実施態様では、コンプライアントな材料は図４、図５および図６に関して説明するように波形を形成するか、および／または除去できると解釈すべきである。

図１０は、スイッチ１０００の第１の例示的な実施態様を示す。スイッチ１０００は、互いに組み合わされる第１基板１００２および第２基板１００４を備える。基板１００２および１００４は、これらの基板の間に複数のキャビティ１００６、１００８および１０１０を画定する。１個または複数のキャビティ内には、複数の電極１０１２、１０１４、１０１６が露出している。１個または複数のキャビティ内に保持されているスイッチング流体１０１８（たとえば、水銀などの導電性液体金属）は、スイッチング流体１０１８に加わる力に応じて少なくとも一対の複数の電極１０１２〜１０１６を開閉する機能を果たす。１個または複数のキャビティ内に保持されている作動流体１０２０（たとえば、不活性気体または液体）は、スイッチング流体１０１８に力を加える機能を果たす。

薄膜抵抗体１０３０（セラミック抵抗体など）は、コンプライアントな材料１０３６（ポリイミドなど）の上に堆積され、第１および第２接点１０３２、１０３４の間に結合される。薄膜抵抗体１０３０は、作動流体のキャビティ１００６内に配置される。薄膜抵抗体１０４０と、コンプライアントな材料１０４６と、接点１０４２および１０４４との間の類似の構成は、作動流体のキャビティ１０１０内に配置される。図示のとおり、コンプライアントな材料１０３６、１０４６は、基板１００４上に堆積される。別の実施態様では、コンプライアントな材料は基板１００２上に堆積できると解釈すべきである。

別の実施態様では、コンプライアントな材料１０３６、１０４６は、波形を形成されるか、および／またはコンプライアントな材料１０３６、１０４６と、それぞれの薄膜抵抗体１０３０、１０４０との間に脆弱な結合が形成される組成物から製造される。さらに、コンプライアントな材料は、それぞれの薄膜抵抗体１０３０、１０４０と基板１００４との間に領域（空隙）を画定するようにエッチングにより除去することができる。コンプライアントな材料をエッチングにより除去する場合、材料はコンプライントである必要はない（つまり、非コンプライアントで良い）。あるいは、この空隙を非コンプライアントな材料と解釈することもできる。

スイッチ１０００の一実施態様では、スイッチング流体１０１８に加わる力は、作動流体１０２０内の圧力の変化から生じる。作動流体１０２０内の圧力の変化は、スイッチング流体１０１８の圧力を変化させ、その結果、スイッチング流体の形態を変化させ、移動および分裂させる。図１０には、キャビティ１００６内に保持されている作動流体１０２０の圧力は、図示のようにスイッチング流体１０１８を分裂させる力を加える。この状態では、スイッチ１０００の電極１０１４、１０１６の一番右側の対は互いに接続（導通）される。キャビティ１００６内に保持されている作動流体１０２０の圧力が緩和されて、キャビティ１０１０内に保持されている作動流体１０２０の圧力が増加し、スイッチング流体１０１８は分裂および結合して、電極１０１４および１０１６の導通は断たれ、電極１０１２および１０１４が接続（導通）する。

一例として、作動流体１０２０内の圧力の変化は、作動流体７２０を薄膜抵抗体１０３０、１０４０で加熱することにより行われる。この過程は、コンドー（Ｋｏｎｄｏｈ）等の米国特許第６，３２３，４４７号「電気接点ブレーカスイッチ、集積電気接点ブレーカスイッチ、および電気接点スイッチング法」（ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＣｏｎｔａｃｔＢｒｅａｋｅｒＳｗｉｔｃｈ、ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＣｏｎｔａｃｔＢｒｅａｋｅｒＳｗｉｔｃｈ、ａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＣｏｎｔａｃｔＳｗｉｔｃｈｉｎｇＭｅｔｈｏｄ）により詳しく記載されており、この特許は、引用することにより全体を本願に援用する。流体ベースのスイッチの別法による他の構成は、２００２年５月２日に出願されたマーヴィン・グレン・ウォン（ＭａｒｖｉｎＧｌｅｎｎＷｏｎｇ）の米国特許出願第１０／１３７，６９１号「圧電作動液体金属スイッチ」（ＡＰｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙＡｃｔｕａｔｅｄＬｉｑｕｉｄＭｅｔａｌＳｗｉｔｃｈ）に開示されており、この特許出願も、引用することにより全体を本願に援用する。上記の特許および特許出願は二重プッシュ／プル作動流体キャビティによるスイッチング流体の移動を開示しているが、有意な十分のプッシュ／プル圧力の変化が、こうしたキャビティからスイッチング流体に付与される場合、単一プッシュ／プル作動流体キャビティで十分である。

図１０に示されているようなスイッチの構造および動作に関するその他の詳細は、上記のコンドー（Ｋｏｎｄｏｈ）等の特許およびマーヴィン・ウォン（ＭａｒｖｉｎＷｏｎｇ）の特許出願に記載されている。

本明細書の他の場所に記載されているように、薄膜抵抗体１０３０および１０４０をコンプライアントな材料１０３６および１０４６上に堆積することにより、加熱および冷却サイクル時に抵抗体に加わる圧縮応力および引張応力を減少させることができる。したがって、薄膜抵抗体の疲労寿命は増加する。

図１１は、スイッチ１１００の第２の例示的な実施態様を示す。スイッチ１１００は、互いに組み合わされる基板１１０２および第２基板１１０４を備える。基板１１０２および１１０４は、これらの基板の間に複数のキャビティ１１０６、１１０８および１１１０を画定する。１個または複数のキャビティ内には、湿潤可能な複数のパッド１１１２、１１１４、１１１６が露出している。スイッチング流体１１１８（たとえば、水銀などの液体金属）は、パッド１１１２、１１１４、１１１６に対して湿潤性であり、１個または複数のキャビティ内に保持される。スイッチング流体１１１８は、スイッチング流体１１１８に加わる力に応じて、１個または複数のキャビティを介して光路１１２２／１１２４、１１２６／１１２８を開放および遮断する機能を果たす。一例として、光路は、導波管１１２２〜１１２８により画定され、スイッチング流体を保持するキャビティ１１０８内の、光を透過させるウィンドウと整列される（位置が合わされる）。光路１１２２／１１２４、１１２６／１１２８の遮断は、スイッチング流体１１１８が光を通さないようにすることにより行われる。１個または複数のキャビティ内に保持される作動流体１１２０（たとえば、不活性気体または液体）は、スイッチング流体１１１８に力を加える機能を果たす。

薄膜抵抗体１１３０（セラミック抵抗体など）は、コンプライアントな材料１１３６（ポリイミドなど）の上に堆積され、第１および第２接点１１３２、１１３４の間に結合される。薄膜抵抗体１１３０は、作動流体のキャビティ１１０６内に配置される。薄膜抵抗体１１４０と、コンプライアントな材料１１４６と、接点１１４２および１１４４との間の類似の構成は、作動流体キャビティ１１１０内に配置される。図示のとおり、コンプライアントな材料１１３６、１１４６は、基板１１０４上に堆積される。別の実施態様では、コンプライアントな材料は基板１１０２上に堆積できることを評価するべきである。

別の実施態様では、コンプライアントな材料１１３６、１１４６は、波形を形成するか、および／またはコンプライアントな材料１１３６、１１４６と、それぞれの薄膜抵抗体１１３０、１１４０との間に脆弱な結合が形成される組成物から製造する。さらに、コンプライアントな材料は、それぞれの薄膜抵抗体１１３０、１１４０と、基板１１０４との間に領域を画定するようにエッチングすることができる。コンプライアントな材料をエッチングにより除去する場合、材料を除去する前に、代わりにその他のタイプの非コンプライアントな材料を堆積しても良いと解釈すべきである。

力は、図１０のスイッチング流体１０１８および作動流体１０２０に加えられる方法と同様に、スイッチング流体１１１８および作動流体１１２０に加えることができる。本明細書の他の場所に記載されている薄膜抵抗体素子を使用することにより、加熱および冷却サイクル時に抵抗体に加わる圧縮応力および引張応力が減少する。したがって、薄膜抵抗体の疲労寿命を増加させることができる。

本発明の具体的な、現在好ましい実施態様について本明細書で詳細に説明したが、本発明の概念は、他の方法で様々に実施および利用することができ、添付の請求の範囲は、先行技術により制限されない限り、こうした変形を含むように解釈することを意図されていると考えるべきである。

なお、本発明は例として次の態様を含む。（）内の数字は添付図面の参照符号に対応する。
［１］第１（１０２）および第２（１０４）接点を支持する基板（１００）と、
前記基板上に堆積されるコンプライアントな材料（１０８）と、
前記コンプライアントな材料上に堆積され、前記第１接点と第２接点との間に結合される薄膜抵抗体（１０６）とを備えることを特徴とする素子。
［２］前記コンプライアントな材料が波形の材料（４０６）であることを特徴とする、上記［１］に記載の素子。
［３］前記コンプライアントな材料が、前記薄膜抵抗体が前記コンプライアントな材料と脆弱な結合を形成する材料を含むことを特徴とする、上記［１］または［２］に記載の素子。
［４］前記コンプライアントな材料がポリイミドを含むことを特徴とする、上記［１］〜［３］の何れかに記載の素子。
［５］前記薄膜抵抗体がセラミック抵抗体であることを特徴とする、上記［１］〜［４］の何れかに記載の素子。
［６］前記セラミック抵抗体が窒化タンタル抵抗体であることを特徴とする、上記［５］に記載の素子。
［７］前記薄膜抵抗体が、モリブデンおよびタングステンの一方を含むことを特徴とする、上記［１］〜［４］の何れかに記載の素子。
［８］材料を基板上に堆積し（７０５）、
薄膜抵抗体を前記材料上に堆積して（７１０）、前記基板により支持される第１および第２接点間に前記薄膜抵抗体を結合し（７１５）、前記材料を除去すること（７２０）により製造されることを特徴とする素子。
［９］前記材料が波形の材料であることを特徴とする、上記［４］に記載の素子。
［１０］第１基板（１００４）およびこれに組み合わされる第２基板（１００２）であって、複数のキャビティ（１００６、１００８、１０１０）の少なくとも一部を、前記第１基板および前記第２基板の間に画定する、第１基板および第２基板（１００２）と、
前記キャビティの１個または複数内に保持され、前記スイッチング流体に加わる力に応じて少なくとも第１および第２スイッチ状態の間で移動可能なスイッチング流体（１０１８）と、
前記キャビティの１個または複数内に保持され、前記力を前記スイッチング流体に加える作動流体（１０２０）と、
前記作動流体を保持するキャビティのうち、１つのキャビティ内のある場所において前記第１基板上に堆積されるコンプライアントな材料（１０４６）と、
前記コンプライアントな材料上に堆積され、前記第１基板により支持される第１および第２接点間に接続される薄膜抵抗体加熱器（１０４０）とを備えることを特徴とするスイッチ（１０００）。

薄膜抵抗体素子の例示的な平面図を示す図である。図１に示す素子の立面図である。図１の素子を製造するための方法を示す図である。薄膜抵抗体素子の第２の例示的な実施態様を示す平面図である。図４に示す素子の立面図である。薄膜抵抗体素子の第３の例示的な実施態様の立面図である。図６の素子を製造するための方法を示す図である。薄膜抵抗体素子を含むスイッチのための基板の例示的な平面図である。図８の基板の立面図を示す図である。薄膜抵抗体の加熱器を含むスイッチの第１の例示的な実施態様を示す図である。薄膜抵抗体の加熱器を含むスイッチの第２の例示的な実施態様を示す図である。

符号の説明

１００、４００、６００基板
１０２、４０２、６０２第１接点
１０４、４０４、６０４第２接点
１０６、４０６、６０６薄膜抵抗体
１０８、４０８、１０３６、１０４６、１１３６、１１４６コンプライアントな材料
４０８波形材料
１０００、１１００スイッチ
１００２、１１０２第１基板
１００４、１１０４第２基板
１００６、１００８、１０１０キャビティ
１０１８、１１１８スイッチング流体
１０２０、１１２０作動流体
８１５、８２０、１０３０、１０４０薄膜抵抗体の加熱器
１０３６、１０４６、１１３６、１１４６コンプライアントな材料

Claims

第１（１０２）および第２（１０４）接点を支持する基板（１００）と、
前記基板上に堆積されるコンプライアントな材料（１０８）と、
前記コンプライアントな材料上に堆積され、前記第１接点と第２接点との間に結合される薄膜抵抗体（１０６）とを備えることを特徴とする素子。