JP2007044847A - Electrodeposition method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、MEMS後術で用いられている電極部分などに、選択的に有機膜が形成された状態とする電着方法に関する。 The present invention relates to an electrodeposition method in which an organic film is selectively formed on an electrode portion or the like used in MEMS post-surgery.
MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)技術におけるシリコンや金属の構造体からなる微細な可動部の駆動は、これに対向して配置した電極の発生する静電力によって行われている。このような可動部の駆動においては、以降に説明するように、スティッキングが問題となる。例えば、図3(a)に示すMEMSでは、絶縁膜302が形成されたシリコンからなる基板301上に、支持部303により支持されたシリコンからなる可動部304が、可動部304の先端部下の基板301上に設けられた電極305と、支持部303に接続する電極307との間に印加された電気信号により駆動されている。
In the MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) technology, a fine movable portion made of a silicon or metal structure is driven by an electrostatic force generated by an electrode disposed opposite thereto. In the driving of such a movable part, sticking becomes a problem as will be described later. For example, in the MEMS shown in FIG. 3A, a
このような構成においては、電極305から発生させた静電気により可動部304を電極305方向に引き寄せ、かつ、下地の電極305との間に任意の距離を保って静止させることは、容易ではない。電極305が引きつける引力と、可動部304が元に戻ろうとする弾性力とのバランスは、不安定で崩れやすいためである。これらのバランスが崩れ、例えば、引力の方が勝れば、可動部304の先端部が電極305の表面に接触することになる。
In such a configuration, it is not easy to draw the
可動部304に導電性の材料が用いられ、接触した際に電極305と可動部304に導通があると、図3(b)に示すように、接触箇所310が反応して接合してしまい、可動部304の弾性力による反発(復元力)では元に戻らなくなる場合がある。この現象がスティッキングや固着などと呼ばれ、MEMSにおける可動部を駆動させるときの問題となっている。この現象の原因は、高い電圧が印加された状態で可動部と電極との接触が、いわゆるスポットウェルダーと全く同様の状況なので、一種の抵抗溶接が起こっているものと推測されている。
When a conductive material is used for the
マイクロマシーン(可動部)の寸法が小さくなるほど、復元力は小さくなるため、微細なマイクロマシーンより構成されているMEMSでは、可動部の復元力を大きくすることが容易ではない。このため、マイクロマシーンでは、電極と可動部とが接触すると、ほとんどの場合、上述したスティッキングの状態となる。このように、可動部の寸法が小さなマイクロマシーンほど、スティッキングが発生しやすくなり、特に問題となっている。上述したスティッキングの状態を防ぐため、有機材料の被膜(スティッキング防止膜)を、電極の表面などに形成する技術が提案されている(非特許文献1参照)。この技術では、電着により、電極の表面に選択的に有機膜を形成し、前述したスティッキングを防ぐようにしている。 Since the restoring force decreases as the size of the micromachine (movable part) decreases, it is not easy to increase the restoring force of the movable part in a MEMS configured with a fine micromachine. For this reason, in the micromachine, when the electrode and the movable part come into contact, in most cases, the above-described sticking state is obtained. Thus, as the micromachine has a smaller size of the movable part, sticking is more likely to occur, which is a particular problem. In order to prevent the above-mentioned sticking state, a technique for forming a film of an organic material (anti-sticking film) on the surface of an electrode has been proposed (see Non-Patent Document 1). In this technique, an organic film is selectively formed on the surface of the electrode by electrodeposition to prevent the sticking described above.
しかしながら、図4(a)に示すように、電着により、電極418の露出している表面を有機材料で被覆して電着膜410を形成すると、電極418の露出部分だけではなく、これを支持している絶縁層402の側部及び基板401の部分にまで延在した部分410aが形成される場合が発生していた。なお、図4(a)に部分断面を示すMEMSは、図4(b)の斜視図に示すように、シリコンからなる基板401の上に、絶縁層402を介して配置された支持部403により支持されたシリコンからなる可動部404及び支持部402の上に形成された電極409を備えている。また、これらとは異なる基板401上の他の領域で、基板401の上に絶縁層402を介して配置された金よりなる電極418を備えている。このMEMSでは、電極409と電極418との間に印加された電気信号により、可動部404が駆動制御される。
However, as shown in FIG. 4A, when the
以上に示したように、電着により選択的に有機膜(電着膜)を形成しようとしても、従来では、電圧が印加されていない絶縁材料の領域にまで、有機膜が形成される場合が発生していた。また、電着液に浸漬しただけで、電圧を印加していない状態であっても、有機膜が析出する場合もあった。 As described above, even when an organic film (electrodeposition film) is selectively formed by electrodeposition, conventionally, an organic film may be formed even in a region of an insulating material to which no voltage is applied. It has occurred. Further, the organic film may be deposited even when it is immersed in the electrodeposition solution and no voltage is applied.
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、電着による有機膜の形成において、電圧が印加されていない領域おける異常な析出が抑制された状態で、電極の部分など、電圧が印加される所望の領域に選択的に有機膜が形成できるようにすることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and in the formation of an organic film by electrodeposition, abnormal deposition in a region where no voltage is applied is suppressed, An object is to enable an organic film to be selectively formed in a desired region to which a voltage is applied, such as a portion.
本発明に係る金の電着方法は、基板の上に絶縁層が形成された状態とする第1工程と、絶縁層の上に金属からなる構造体が形成された状態とする第2工程と、基板がフッ酸溶液に浸漬された状態とする第3工程と、基板を電着溶液中に浸漬し、構造体に正電圧を印加することで、構造体の表面に電着により有機膜が形成された状態とする第4工程とを少なくとも備えるようにしたものである。フッ酸溶液による処理をした後では、電圧を印加していない状態では、構造体及び絶縁層を含むいずれの表面にも、析出も起こらない。 A gold electrodeposition method according to the present invention includes a first step in which an insulating layer is formed on a substrate, and a second step in which a metal structure is formed on the insulating layer. The organic film is formed on the surface of the structure by electrodeposition on the surface of the third step by immersing the substrate in the electrodeposition solution and applying a positive voltage to the structure. And at least a fourth step that is formed. After the treatment with the hydrofluoric acid solution, no precipitation occurs on any surface including the structure and the insulating layer when no voltage is applied.
上記電着方法において、構造体の表面に形成された有機膜を加熱する第5工程を備えるようにしてもよい。この第5工程では、有機膜のガラス転移温度から20℃高い範囲の温度で加熱すればよい。また、構造体は、マイクロマシーンをこうせいするものである。 The electrodeposition method may include a fifth step of heating the organic film formed on the surface of the structure. In the fifth step, the heating may be performed at a temperature in the range of 20 ° C. higher than the glass transition temperature of the organic film. In addition, the structure is what causes the micromachine.
以上説明したように、本発明によれば、フッ酸溶液による処理をした後に電着を行うようにしたので、電圧が印加されていない領域おける異常な析出が抑制された状態で、電極の部分など、電圧が印加される所望とする領域に選択的に電着による有機膜が形成できるようになるという優れた効果が得られる。 As described above, according to the present invention, since electrodeposition is performed after the treatment with the hydrofluoric acid solution, the abnormal deposition in a region where no voltage is applied is suppressed, and the electrode portion For example, it is possible to obtain an excellent effect that an organic film can be selectively formed by electrodeposition in a desired region to which a voltage is applied.
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図1は、本発明の実施の形態における電着方法例を説明する工程図である。なお、図1において、(a)と(a’),(b)と(b’),(c)と(c’),(d)と(d’),(e)と(e’),(f)と(f’),(g)と(g’)は、各々同一の工程における、異なる領域を示しているものである。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a process diagram illustrating an example of an electrodeposition method according to an embodiment of the present invention. In FIG. 1, (a) and (a ′), (b) and (b ′), (c) and (c ′), (d) and (d ′), (e) and (e ′) , (F) and (f ′), (g) and (g ′) respectively indicate different regions in the same process.
まず、図1(a)及び図1(a’)に示すように、単結晶シリコンからなる基板101の上に絶縁層102が形成され、図1(a’)に示すように、所定の領域に不純物が高濃度にドーピングされたn形のシリコンからなる支持部103及び図示しない可動部が形成された状態とする。可動部は、支持部103に連続(接続)して形成されている。これらは、例えば、SOI(Silicon on Insulator)基板を用い、SOI基板の埋め込み絶縁層上のSOI層を、公知のフォトリソグラフィ技術とエッチング技術とにより加工することで形成すればよい。SOI基板の埋め込み絶縁層が絶縁層102に対応し、SOI層を加工することで、可動部及び支持部103が得られる。
First, as shown in FIGS. 1A and 1A ′, an
次に、図1(b)及び図1(b’)に示すように、絶縁層102及び支持部103を覆うように、例えばチタンからなる膜厚0.1μm程度の下部シード層105が形成され、引き続いて下部シード層105上に、例えば金からなる膜厚0.3μm程度の上部シード層106が形成された状態とする。続いて、これらの上にフォトレジストを塗布し、形成したフォトレジスト膜を公知のフォトリソグラフィ技術によりパターニングすることで、所定の領域に開口部107aを備えたレジストパターン107が形成された状態とする。
Next, as shown in FIGS. 1B and 1B ′, a
次に、図1(c)に示すように、レジストパターン107の開口部107aに露出した上部シード層106の上に、電解メッキ法により金を析出させて金属パターン108が形成された状態とする。形成された金属パターン108は、絶縁層102の表面からの高さが、支持部103と同程度となるようにする。なお、このとき、図1(c’)に示すように、支持部103などのレジストパターン107で覆われている領域には、金の膜は形成されない。
Next, as shown in FIG. 1C, gold is deposited on the
次に、レジストパターン107を除去した後、図1(d)及び図1(d’)に示すように、金属パターン108をマスクとし、ヨウ素/ヨウ化アンモニウム溶液を用いたウエットエッチング法により上部シード層106を選択的にエッチング除去され、続いて、フッ酸溶液によるウエットエッチングで下部シード層105が選択的に除去された状態とする。このことにより、金属パターン108及び残った下部シード層105,上部シード層106からなる制御電極118が、絶縁層102の上に形成された状態となる。
Next, after removing the
次に、図1(e)及び図1(e’)に示すように、支持部103の上に、可動部電極109が形成された状態とする。例えば、支持部103の一部正面が開放したレジストパターンが形成され、このレジストパターンの開放部に電解メッキ法により金のメッキ膜が形成された状態とし、この後、レジストパターンが除去された状態とすることで、可動部電極109が形成された状態とすることができる。
Next, as shown in FIG. 1E and FIG. 1E ′, the
次に、制御電極118及び可動部電極109の表面に残渣するカーボン系汚染物(有機物)を除去するために、これらの酸素プラズマが照射された状態とする。例えば、RFパワー100Wで生成された酸素プラズマに、基板101の全域が6分間程度暴露された状態とすればよい。次に、この酸素プラズマによる処理がなされた基板101が、例えば、pH4.8程度とされた塩酸溶液に浸漬された状態とし、塩酸が、制御電極118及び可動部電極109の表面に作用する状態とする。この酸処理により、金からなる制御電極118及び可動部電極109の表面に、酸素を含むプラズマが照射されたことにより形成された酸化金が、除去されるようになる。
Next, in order to remove carbon-based contaminants (organic matter) remaining on the surfaces of the
ついで、制御電極118及び可動部電極109が形成されている基板101が、フッ酸溶液に浸漬された状態とする。例えば、基板101が、0.5%濃度のフッ酸溶液に、約30秒間浸漬された状態とする。この後、基板101を水洗し、直ちに、以下に示す電着処理を行い、図1(f)及び図1(f’)に示すように、制御電極118の露出している表面のみに、電着により有機薄膜110が形成された状態とする。以下、有機薄膜110の形成について、より詳細に説明すると、まず、エポキシ基を有するスルフォニウムカチオンが分散する電着液(例えば、日本ペイント(株)、INSULEED3020)を30℃に調整し、この電着液の中に、上述した制御電極118が形成された基板101及び白金からなる対向電極が浸漬された状態とする。この状態で、制御電極118に負電圧を印加するとともに、上記対向電極に正電圧を印加する。すなわち、制御電極118を負極とし、対向電極を正極として電着液中に浸漬し、定電圧源を用いて電圧を印加し、カチオン電着を行う。なお、他の電着を用いて有機薄膜が選択的に形成されるようにしてもよい。
Next, the
この電着により、電着液に分散している有機薄膜形成材料が、負電圧が印加された制御電極118の表面に析出し、膜厚数十nm〜5μm程度の有機薄膜110が形成される。上記電着液に分散している材料は、負電圧が印加されていない絶縁層102,可動部電極109,支持部103、及び図示していない可動部の表面には付着せず、負電圧が印加されている制御電極118の部分に選択的に析出する。この結果、制御電極118の露出している表面に、選択的に有機薄膜110が形成されるようになる。前述したように、電着処理の前にフッ酸による処理を行うようにしたので、電圧が印加されていない領域における異常な析出がなくなり、高い選択性が保持された状態で、有機膜110が形成された状態が得られる。
By this electrodeposition, the organic thin film forming material dispersed in the electrodeposition liquid is deposited on the surface of the
以上に説明したように、電着により有機薄膜110が形成された後、基板101を水洗処理(10分間)し、また、乾燥させた後、窒素雰囲気において190℃・25分間の加熱処理を行い、有機薄膜110が熱硬化された状態とする。前述した条件の電着により形成される有機薄膜110は、ガラス転移温度が178℃であり、加熱温度がこれより20℃までの範囲にある。このように、有機薄膜110のガラス転移温度をある程度超える温度で加熱することで、有機薄膜110に流動性を持たせ、有機薄膜110の膜厚に均一性を持たせることができる。また、上述した温度条件の範囲であれば、上述した熱硬化における有機薄膜110の過度の流動が抑制された状態で、高い均一性で有機薄膜110が形成されるようになることが確認されている。
As described above, after the organic
なお、電着(析出)した有機膜110にあまり膜厚均一性が必要のない場合や、電着のみで均一性が得られる場合などは、ガラス転移温度以上に加熱する必要はなく、例えば、熱硬化がされる150℃程度に加熱すればよい。また、電着に用いる有機材料によっては、溶媒(水)を除去できる程度の低温の加熱のみでもよく、加熱による硬化は必ずしも必要なものではない。例えば、100〜110℃程度に加熱し、有機膜110に含まれている水分を除去したのみの状態でもよい。
In addition, when the film thickness uniformity is not required for the electrodeposited (deposited)
最後に、フッ酸溶液によるウエットエッチングで絶縁層102が選択的に除去された状態とすることで、図1(g)及び図1(g’)及び図2の斜視図に示すように、基板101の上において、制御電極118が絶縁支持部113に支持され、支持部103が、膜厚2μm程度の絶縁支持部112に支持されたMEMSが得られる。図2に示すように、可動部104は、支持部103に連続して接続形成されている。また、可動部104は、制御電極118の側部に近設した状態で配置されている。
Finally, the insulating
また、可動部104は、支持部103より細く形成されているため、前述したフッ酸溶液による絶縁層102の選択除去において、可動部104の下の絶縁層102が除去され、基板101の上に2μm程度離間して配置された状態となる。また、可動部は、断面形状が2×2μm程度、長さが10μm〜1mm程度に形成され、制御電極118の側部に2μm程度離間して配置されている。可動部104は、一端が支持部103に支持されて基板101の上に所定距離(2μm)離間し、変位(変形)可能な状態に形成されている。また、支持部103は、基板101の上において、制御電極118と同じ高さに配置されている。このように、前述した製造方法により、微細な可動部104よりなるマイクロマシーンが形成され、このマイクロマシーンによるMEMSでは、制御電極118に電気信号を印加することで、電界の作用により、可動部104を所定の方向に作動すさせることができる。
In addition, since the
なお、上述では、制御電極118のみに有機薄膜110を形成するようにしたが、これに限定されるものではない。例えば、可動部電極109を形成する前に、支持部103、及び、可動部104のみに負電圧を印加することで、支持部103及び可動部104のみに有機薄膜を形成するようにしてもよい。また、可動部電極109を形成する前に、可動部104(支持部103を含む)に負電圧が印加された状態とし、可動部電極109が形成された後、制御電極118に負電圧が印加された状態とすることで、可動部104(支持部103を含む)及び制御電極118の両方に有機薄膜が形成された状態としてもよい。
In the above description, the organic
ところで、図1を用いて説明した方法では、処理対処の制御電極118が、下層との密着性向上のため、チタンからなる下部シード層105を用いている。この場合、チタンが金の中に拡散しないようにするためには、加熱の温度は300℃以下とした方がよい。ただし、チタンの拡散を抑制する拡散バリアとしての機能を持つ材料からなる層を用いるようにすれば、より高温の条件で加熱処理を行うことが可能となる。例えば、酸化チタンなどの層を用いればよい。
By the way, in the method described with reference to FIG. 1, the
なお、上述では、n形不純物が高濃度にドーピングされたn形シリコンから可動部を構成し、制御電極を金/チタンから構成したが、これらは、電着により有機薄膜が形成できる導体から構成されていればよい。上述の導体として、例えば、金/クロム、銅/クロムもしくは銅/チタン、或いは、SUS、鉄などの金属や、或いは、p形不純物が高濃度にドーピングされたp形シリコンもしくはポリシリコン、或いは、ポリアセチレン、ポリアズレン、ポリフェニレン、ポリフェニレンビニレン、ポリアセン、ポリフェニルアセチレン、ポリジアセチレンなどの炭化水素系導電性ポリマーや、或いは、ポリピロール、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリチエニレンビニレンなどのヘテロ原子含有系導電性ポリマーや、或いは、電荷移動錯体であってもよい。 In the above description, the movable part is made of n-type silicon doped with a high concentration of n-type impurities, and the control electrode is made of gold / titanium. These are made of a conductor capable of forming an organic thin film by electrodeposition. It only has to be done. As the above-mentioned conductor, for example, gold / chrome, copper / chromium or copper / titanium, metal such as SUS, iron, or p-type silicon or polysilicon doped with a high concentration of p-type impurities, or Hydrocarbon conductive polymers such as polyacetylene, polyazulene, polyphenylene, polyphenylene vinylene, polyacene, polyphenylacetylene, polydiacetylene, or heteroatom-containing conductive polymers such as polypyrrole, polyaniline, polythiophene, polythienylene vinylene, Alternatively, it may be a charge transfer complex.
また、図1,図2においては、3次元構造を有するマイクロマシーンよりなるMEMSを例に説明したが、これに限るものではなく、LSIなどで見られる絶縁分離した配線パターンのような2次元(平面)構造のマイクロマシーンの場合であっても、同様である。上述したように、フッ酸による処理をした後で電着を行うようにすることで、電圧が印加されていない領域への異常な析出が抑制され、高い選択性が保持された状態で、電着膜(有機膜)が形成できるようになる。なお、このフッ酸処理は、前述した塩酸の処理の前に行うようにしてもよい。 In FIGS. 1 and 2, the MEMS made up of a micromachine having a three-dimensional structure has been described as an example. However, the present invention is not limited to this, and two-dimensional (such as an isolated wiring pattern found in an LSI or the like) The same applies to a micromachine having a planar structure. As described above, by performing electrodeposition after the treatment with hydrofluoric acid, abnormal deposition in a region where no voltage is applied is suppressed, and high selectivity is maintained. A deposited film (organic film) can be formed. The hydrofluoric acid treatment may be performed before the hydrochloric acid treatment described above.
101…基板、102…絶縁層、103…支持部、104…可動部、105…下部シード層、106…上部シード層、107…レジストパターン、107a…開口部、108…金パターン、109…可動部電極、110…有機薄膜、112,113…絶縁支持部、118…制御電極。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記絶縁層の上に金属からなる構造体が形成された状態とする第2工程と、
前記基板がフッ酸溶液に浸漬された状態とする第3工程と、
前記基板を電着溶液中に浸漬し、前記構造体に正電圧を印加することで、前記構造体の表面に電着により有機膜が形成された状態とする第4工程と
を少なくとも備えることを特徴とする電着方法。 A first step in which an insulating layer is formed on the substrate;
A second step in which a structure made of metal is formed on the insulating layer;
A third step in which the substrate is immersed in a hydrofluoric acid solution;
At least a fourth step of immersing the substrate in an electrodeposition solution and applying a positive voltage to the structure to form an organic film on the surface of the structure by electrodeposition. A characteristic electrodeposition method.
前記構造体の表面に形成された前記有機膜を加熱する第5工程
を備えることを特徴とする電着方法。 The electrodeposition method according to claim 1,
A fifth step of heating the organic film formed on the surface of the structure.
前記第5工程では、前記有機膜のガラス転移温度から20℃高い範囲の温度で加熱する
ことを特徴とする電着方法。 The electrodeposition method according to claim 2, wherein
In the fifth step, the electrodeposition method is characterized by heating at a temperature in the range of 20 ° C. higher than the glass transition temperature of the organic film.
前記構造体よりマイクロマシーンが構成される
ことを特徴とする電着方法。
In the electrodeposition method of any one of Claims 1-3,
The electrodeposition method, wherein a micromachine is constituted by the structure.
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