JP2007123866A - 薄膜デバイスおよび薄膜インダクタ - Google Patents
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Abstract
【課題】導電性膜の密着性および磁性膜の磁気特性を確保することにより作動性能を確保することが可能な薄膜デバイスを提供する。
【解決手段】基板1の表面粗さ(算術平均粗さRa)が、Xμm≦Ra≦0.1μmの範囲内である。この表面粗さRaの下限Xは、導電性膜2の内部応力σ、厚さTおよび単位長さ当たりの付着力Pを含む一連のパラメータに基づいて決定される値である。アンカー効果を利用して導電性膜2の密着性が確保されると共に、表面凹凸構造を有する基板1に磁性膜3が設けられている場合においても磁気特性(透磁率)が確保される。
【選択図】図2
【解決手段】基板1の表面粗さ(算術平均粗さRa)が、Xμm≦Ra≦0.1μmの範囲内である。この表面粗さRaの下限Xは、導電性膜2の内部応力σ、厚さTおよび単位長さ当たりの付着力Pを含む一連のパラメータに基づいて決定される値である。アンカー効果を利用して導電性膜2の密着性が確保されると共に、表面凹凸構造を有する基板1に磁性膜3が設けられている場合においても磁気特性(透磁率)が確保される。
【選択図】図2
Description
本発明は、基板に導電性膜および磁性膜が積層された薄膜デバイスおよび基板にコイルおよび磁性膜が積層された薄膜インダクタに関する。
近年、各種用途のデバイス分野において、基板に導電性膜および磁性膜が積層された薄膜デバイスが広く利用されている。この薄膜デバイスの一例としては、上記した導電性膜として、インダクタンス発生用のコイルを備えた薄膜インダクタなどが挙げられる。この薄膜インダクタは、主に、基板に、絶縁膜により埋設されたコイルと、磁性膜とが積層された構造を有している。
薄膜デバイスの作動性能を確保するためには、導電性膜の密着性および磁性膜の磁気特性の双方を確保しなければならない。この場合には、薄膜デバイスに関して作動性能の向上が益々要望されている最近の技術動向を考慮すると、密着性および磁気特性を確保するためには、もはや導電性膜および磁性膜の構成だけでなく、基板の構成まで含めて最適化する必要があると考えられる。
なお、薄膜デバイスの作動性能を確保するための技術としては、既にいくつかの技術が提案されている。具体的には、薄膜インダクタの小型化、高効率化および高出力化を図るために、0.003μm〜0.6μmの表面粗さ(算術平均粗さRa)を有する基板(フェライト基板)上にコイルをめっき形成する技術が知られている(例えば、特許文献1参照。)。また、上記した基板の表面粗さに関連して、アモルファス合金膜の密着性を高めるために、基板の表面にアモルファスコーティングする前に、表面粗さ(最大高さRmax)が0.8μm以下となるまで基板の表面を研磨する技術が知られている(例えば、特許文献2参照。)。
特開平11−168010号公報
特開平05−117838号公報
上記したように、薄膜デバイスの作動性能を確保するためには密着性および磁気特性の双方を確保しなければならないにもかかわらず、従来の薄膜デバイスでは、それらの密着性および磁気特性の観点において未だ十分とは言えないため、多分に改善の余地がある。特に、薄膜デバイスの作動性能を確保する上では、密着性および磁気特性を確保するだけでなく、その薄膜デバイスを安定に製造可能とすることも重要である。
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その第1の目的は、導電性膜の密着性および磁性膜の磁気特性を確保することにより作動性能を確保することが可能な薄膜デバイスを提供することにある。
また、本発明の第2の目的は、コイルの密着性および磁性膜の磁気特性を確保することにより作動性能を確保することが可能な薄膜インダクタを提供することにある。
本発明に係る薄膜デバイスは、下記の式(1)および式(2)で表される範囲内の表面粗さを有する基板に導電性膜および磁性膜が積層されているものである。
Xμm≦Ra≦0.1μm ……(1)
X=[(σ2 T2 W2 −W2 P2 )/16P2 ]0.5 ……(2)
但し、Raは基板の表面粗さ(算術平均粗さ;μm)、σは導電性膜の内部応力(MPa)、Tは導電性膜の厚さ(μm)、Wは基板の表面に凹凸が均一に設けられていると仮定した場合における凹凸の幅(μm)、Pは導電性膜の単位長さ当たりの付着力(MPa)である。
Xμm≦Ra≦0.1μm ……(1)
X=[(σ2 T2 W2 −W2 P2 )/16P2 ]0.5 ……(2)
但し、Raは基板の表面粗さ(算術平均粗さ;μm)、σは導電性膜の内部応力(MPa)、Tは導電性膜の厚さ(μm)、Wは基板の表面に凹凸が均一に設けられていると仮定した場合における凹凸の幅(μm)、Pは導電性膜の単位長さ当たりの付着力(MPa)である。
ここに言う「基板」とは、およそ、それ自身の上に何らかの膜構造が形成可能であり、かつ、その膜構造を支持することが可能な全ての下地部材を指すものであり、具体的には、無垢基材そのものを指す場合の他、無垢基材の上に何らかの構造体(別の無垢基材や、単一層または複数層からなる膜構造等を含む)が設けられている複合基材、さらには無垢基材の表面に何らかの改質処理が施されているもの、等を広く含む。
本発明に係る薄膜デバイスでは、基板の表面粗さが上記した式(1)および式(2)で表される範囲内であるため、アンカー効果を利用して導電性膜の密着性が確保されると共に、表面凹凸構造を有する基板に磁性膜が設けられている場合においても磁気特性(透磁率)が確保される。
また、本発明に係る薄膜インダクタは、下記の式(5)および式(6)で表される範囲内の表面粗さを有する基板に、コイルおよび磁性膜が積層されているものである。
Xμm≦Ra≦0.1μm ……(5)
X=[(σ2 T2 W2 −W2 P2 )/16P2 ]0.5 ……(6)
但し、Raは基板の表面粗さ(算術平均粗さ;μm)、σはコイルの内部応力(MPa)、Tはコイルの厚さ(μm)、Wは基板の表面に凹凸が均一に設けられていると仮定した場合における凹凸の幅(μm)、Pはコイルの単位長さ当たりの付着力(MPa)である。
Xμm≦Ra≦0.1μm ……(5)
X=[(σ2 T2 W2 −W2 P2 )/16P2 ]0.5 ……(6)
但し、Raは基板の表面粗さ(算術平均粗さ;μm)、σはコイルの内部応力(MPa)、Tはコイルの厚さ(μm)、Wは基板の表面に凹凸が均一に設けられていると仮定した場合における凹凸の幅(μm)、Pはコイルの単位長さ当たりの付着力(MPa)である。
本発明に係る薄膜インダクタでは、基板の表面粗さが上記した式(5)および式(6)で表される範囲内であるため、上記した薄膜デバイスと同様に、コイルの密着性が確保されると共に磁性膜の磁気特性(透磁率)が確保される。
なお、本発明に係る薄膜デバイスでは、基板の表面粗さが、下記の式(3)で表される範囲または下記の式(4)で表される範囲であるのが好ましい。特に、導電性膜が基板に近い側から順にシード膜とそのシード膜を使用して成長されためっき膜とを含んでいてもよい。
Ra≦0.075μm ……(3)
0.004μm≦Ra ……(4)
Ra≦0.075μm ……(3)
0.004μm≦Ra ……(4)
本発明に係る薄膜デバイスによれば、基板が上記した式(1)および式(2)で表される範囲内の表面粗さを有しているので、導電性膜の密着性および磁性膜の磁気特性を確保することにより作動性能を確保することができる。
また、本発明に係る薄膜インダクタによれば、基板が上記した式(5)および式(6)で表される範囲内の表面粗さを有しているので、コイルの密着性が確保されると共に磁性膜の磁気特性が確保される。したがって、作動特性を確保することができる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
まず、図1および図2を参照して、本発明の一実施の形態に係る薄膜デバイスの構成について説明する。図1は薄膜デバイス10の断面構成を表しており、図2は図1に示した薄膜デバイス10のうちの一部(部分P1)を拡大して表している。
本実施の形態に係る薄膜デバイス10は、各種用途のデバイス分野において利用されるものであり、例えば、薄膜インダクタ、薄膜トランス、薄膜センサ、薄膜アクチュエータ、薄膜磁気ヘッドまたはMEMS(micro electro mechanical systems)などに適用されるものである。
この薄膜デバイス10は、図1に示したように、基板1に導電性膜2および磁性膜3が積層されたものである。なお、薄膜デバイス10の詳細な構成は、基板1に導電性膜2および磁性膜3が積層されている限り、自由に設定可能である。すなわち、導電性膜2の層構成(単層または多層)、磁性膜3の層構成(単層または多層)、ならびに導電性膜2および磁性膜3の積層構成(積層順)は、その薄膜デバイス10が適用される用途等の条件に応じて適宜設定可能である。また、薄膜デバイス10は、例えば、上記した導電性膜2および磁性膜3の他に、図示しない他の構成要素を含んでいてもよい。この「他の構成要素」としては、例えば、基板1と導電性膜2との間を電気的に分離する絶縁膜や、導電性膜2を周辺から電気的に分離する絶縁膜や、導電性膜2と磁性膜3との間を電気的に分離する絶縁膜などが挙げられる。
ここでは、例えば、薄膜デバイス10は、基板1上に、単層の導電性膜2と、単層の磁性膜3とがこの順に積層された構造を有している。
基板1は、薄膜デバイス10全体を支持するものである。この基板1の材質は、任意に設定可能である。
導電性膜2は、導電性を利用して各種機能を実行する機能膜である。この導電性膜2は、例えば、各種金属などに代表される導電性材料により構成されている。なお、導電性膜2の立体構造は、例えば、上記した各種機能に応じて自由に設定可能である。一例を挙げれば、導電性膜2が電極として機能する場合には平板状構造を有していてもよいし、あるいは導電性膜2が磁束発生用またはインダクタンス発生用のコイルとして機能する場合には巻線構造を有していてもよい。この巻線構造としては、例えば、スパイラル構造やソレノイド構造が挙げられが、これらに限定されるわけではない。図1および図2では、例えば、導電性膜2が平板状構造を有している場合を示している。
磁性膜3は、磁性を利用して各種機能を実行する機能膜である。この磁性膜3は、例えば、各種合金などに代表される磁性材料により構成されている。
この薄膜デバイス10では、図2に示したように、微視的に見ると、表面凹凸構造を有する基板1を覆うように導電性膜2が設けられているため、その導電性膜2が基板1の表面凹凸構造を反映した表面凹凸構造を有していると共に、その表面凹凸構造を有する導電性膜2を覆うように磁性膜3が設けられている。
特に、薄膜デバイス10では、基板1が表面凹凸構造に基づく表面粗さを有している。この「表面粗さ」は、いわゆる算術平均粗さRaであり、下記の式(11)および式(12)で表される範囲内である。なお、式(11)および式(12)中に示した表面粗さRaの下限Xの算出原理については、後述する。
Xμm≦Ra≦0.1μm ……(11)
X=[(σ2 T2 W2 −W2 P2 )/16P2 ]0.5 ……(12)
但し、
Ra:基板1の表面粗さ(μm)
σ:導電性膜2の内部応力(MPa)
T:導電性膜2の厚さ(μm)
W:基板1の表面に凹凸が均一に設けられていると仮定した場合における凹凸の幅(μm)
P:導電性膜2の単位長さ当たりの付着力(MPa)
Xμm≦Ra≦0.1μm ……(11)
X=[(σ2 T2 W2 −W2 P2 )/16P2 ]0.5 ……(12)
但し、
Ra:基板1の表面粗さ(μm)
σ:導電性膜2の内部応力(MPa)
T:導電性膜2の厚さ(μm)
W:基板1の表面に凹凸が均一に設けられていると仮定した場合における凹凸の幅(μm)
P:導電性膜2の単位長さ当たりの付着力(MPa)
表面粗さRaが式(12)で表されるXμm以上の範囲(Ra≧Xμm)であることが好ましい理由は、導電性膜2の密着性が確保されるからである。この表面粗さRaに依存する「導電性膜2の密着性」とは、ここでは下地の基板1に対する密着性であり、いわゆるアンカー効果を利用したものである。なお、上記した「導電性膜2の単位長さ当たりの付着力P」とは、アンカー効果を利用しない付着力であり、すなわち材料間の相性に基づいて単純に決定されるものである。
一方、表面粗さRaが0.1μm以下の範囲(Ra≦0.1μm)であることが好ましい理由は、表面凹凸構造を有する基板1に磁性膜3が設けられている場合においても、その磁性膜3の磁気特性(透磁率μ)が確保されるからである。
この表面粗さRaが磁性膜3の磁気特性に影響を及ぼすメカニズムは、以下の通りである。すなわち、磁性膜3の膜面と平行な方向に磁場が印加されると、その磁性膜3の磁化が反転する。この磁化反転は、磁性膜3に磁場が印加されることにより磁気スピンにエネルギーが供給されるため、そのエネルギーを利用して磁気スピンが反転する現象に基づいて生じる。このときの磁化反転のしやすさが、いわゆる透磁率μである。この透磁率μは、不純物や結晶欠陥などが存在すると、磁化反転が妨げられることに起因して低下し、あるいは下地の表面凹凸が激しい(表面粗さRaが大きい)と、磁性膜3中の磁区構造が乱されることに起因してやはり低下する。これにより、基板1の表面粗さRaが磁性膜3の磁気特性に影響を及ぼすのである。より具体的には、表面粗さRaが大きくなりすぎると、透磁率μが低下することに起因して磁気特性が劣化する。
確認までに説明しておくと、図2に示した場合には、導電性膜2が基板1に直接的に密着しているため、導電性膜2の密着性は基板1に対する密着性を意味し、付着力Pは基板1に対する導電性膜2の付着力を意味する。これに対して、例えば、上記した他の構成要素としての絶縁膜(図示せず)が基板1と導電性膜2との間に設けられており、その導電性膜2が絶縁膜を介して基板1に間接的に密着している場合には、導電性膜2の密着性は実質的には絶縁膜に対する密着性を意味し、付着力Pは絶縁膜に対する導電性膜2の付着力を意味する。
この表面粗さRaは、例えば、下記の式(13)で表される範囲であるのが好ましい。表面粗さRaが0.075μm以下であると、その表面粗さRaがほぼゼロである(表面粗さRaに起因する悪影響を無視できる程度に小さい)ときの透磁率μ以上の透磁率μが磁性膜3において得られるからである。
Ra≦0.075μm ……(13)
Ra≦0.075μm ……(13)
また、表面粗さRaは、例えば、下記の式(14)で表される範囲であるのが好ましい。表面粗さRaが0.004μm以上であると、後述するように、実用的な範囲内において内部応力σ、厚さT、幅Wおよび付着力Pを設定した場合において導電性膜2の密着性が確保されるからである。
0.004μm≦Ra ……(14)
0.004μm≦Ra ……(14)
なお、薄膜デバイス10を構成するために準備した基板1の表面粗さRaが上記した式(11)および式(12)で表される範囲内でない場合には、その基板1に各種処理を施すことにより適正範囲内となるように表面粗さRaを調整することが可能である。一例を挙げれば、表面粗さRaが著しく小さいシリコン基板(いわゆるシリコンウェハ)などを基板1として使用する場合には、ドライエッチング、サンドブラストまたはイオンミリングなどに代表される加工手法を使用して基板1の表面を意図的に荒らすことにより、その表面粗さRaを適正範囲内にシフトさせることが可能である。
次に、図1〜図3を参照して、上記した式(12)中に示した表面粗さRaの下限Xの算出原理について説明する。図3は基板1の表面粗さRaの下限の算出原理を説明するためのものであり、基板1の表面凹凸構造を拡大して示している。
表面粗さRaの下限Xは、上記したように、導電性膜2の密着性を確保する観点において規定される閾値であり、図1および図2に示した薄膜デバイス10を2次元モデルとして考えることにより算出される。
すなわち、薄膜デバイス10に関して、図2に示したように、基板1の表面粗さRa(μm)、導電性膜2の内部応力σ(MPa)、導電性膜2の厚さT(μm)および導電性膜2の単位長さ当たりの付着力P(MPa)という一連のパラメータが設定されている場合、基板1と導電性膜2との間の界面にかかるせん断応力F1(MPa・μm)は、下記の式(21)で表される。
F1=σ×T ……(21)
F1=σ×T ……(21)
ここで、導電性膜2のうちの一端近傍における1μm程度の長さ部分(部分P2)に内部応力σが集中すると考える。なぜなら、一端近傍である部分P2において導電性膜2が基板1から部分的に剥離すると、その剥離をきっかけとして導電性膜2が全体に渡って基板1から剥離し始めると考えられるからである。なお、上記した「長さ」とは、図2中の横方向の寸法である。
表面凹凸構造を有する基板1に導電性膜2が接合している場合には、平坦な基板1に導電性膜2が接合している場合と比較して、その導電性膜2の接合長さ(実効接合長さ)が大きくなるため、付着力(実効付着力)も同様に大きくなる。導電性膜2の単位長さ当たりの実効接合長さをL(μm)とすると、その導電性膜2の単位長さ当たりの実効付着力F2(MPa・μm)は、下記の式(22)で表される。
F2=P×L ……式(22)
F2=P×L ……式(22)
これらの式(21)および式(22)から、導電性膜2が基板1から剥離しない条件は、下記の式(23)で表されるため、実質的に下記の式(24)で表される。
F2≧F1 ……(23)
P×L≧σ×T ……(24)
F2≧F1 ……(23)
P×L≧σ×T ……(24)
この実効接合長さLは、下記の式(25)で表される関係を満たしている。ただし、式(25)中の「f(x)」は、基板1の表面凹凸構造に関する関数であり、すなわち特定の基準面からの高さを表す関数である。このとき、表面粗さRaは、下記の式(26)で表される関係を満たしている。この式(26)で表される表面粗さRaは、粗さ曲線から、その平均線の方向に基準長さDだけ抜き取り、その抜き取り部分の平均線から測定曲線までの偏差の絶対値を合計し、平均した値である。これらの式(25)および式(26)から、表面粗さRaを特定することにより、実効接合長さLを算出することが可能である。なお、接触式段差計などを使用して、表面粗さRaおよび実効接合長さLを実測することも可能である。
ここで、図3に示したように、基板1の表面に凹凸が均一に設けられていると仮定する。このとき、凹凸の幅をW(μm)、凹凸の高さをH(μm)とすると、単位幅(1μm幅)当たりには1/W個の凹凸が存在している。なお、上記した「凹凸の幅」とは、いわゆる凹凸のピッチ(凹部間の距離または凸部間の距離)であり、「凹凸の高さ」とは、いわゆる凸部の高さである。この場合における実効接合長さLは、下記の式(27)で表される。特に、基板1の表面に凹凸が均一に設けられている場合には、表面粗さRaが下記の式(28)で表されるため、式(27)および式(28)から、実効接合長さLは下記の式(29)で表される。
L=(2/W)×[(W/2)2 +H2 ]0.5 ……(27)
Ra=H/2 ……(28)
L=(2/W)×[(W/2)2 +4Ra2 ]0.5 ……(29)
L=(2/W)×[(W/2)2 +H2 ]0.5 ……(27)
Ra=H/2 ……(28)
L=(2/W)×[(W/2)2 +4Ra2 ]0.5 ……(29)
したがって、式(29)を導入することにより、上記した式(24)は下記の式(30)で表される。この式(30)を変形することにより、導電性膜2の密着性を確保する観点において規定される閾値である表面粗さRaは、下記の式(31)で表される。これにより、式(12)中に示した表面粗さRaの下限X(=Ra)が算出される。
P×{(2/W)×[(W/2)2 +4Ra2 ]0.5 }≧σ×T ……(30)
Ra=[(σ2 T2 W2 −W2 P2 )/16P2 ]0.5 ……(31)
P×{(2/W)×[(W/2)2 +4Ra2 ]0.5 }≧σ×T ……(30)
Ra=[(σ2 T2 W2 −W2 P2 )/16P2 ]0.5 ……(31)
具体的な表面粗さRaの範囲の一例を挙げると、実用的な薄膜デバイス10の構成として、基板1(酸化ケイ素(SiO2 ))および導電性膜2(銅(Cu))を含むと共に、内部応力σ=27.8MPa、厚さT=20μm、幅W=0.1μmおよび付着力P=270MPaである場合には、上記した式(11)および式(12)から、表面粗さRaは0.004μm≦Ra≦0.1μmであればよいことが導き出される。
本実施の形態に係る薄膜デバイスでは、基板1の表面粗さRaが上記した式(11)および式(12)で表される範囲内であるので、上記したように、導電性膜2の密着性および磁性膜3の磁気特性(透磁率)の双方を確保する観点において、基板1の表面粗さRaが適正化される。したがって、導電性膜2の密着性および磁性膜3の磁気特性を確保することにより作動性能を確保することができる。
特に、本実施の形態では、表面粗さRaが上記した式(13)で表される範囲であれば、磁性膜3の磁気特性をより向上させることができる。
また、本実施の形態では、表面粗さRaが上記した式(14)で表される範囲であれば、実用的な範囲内において内部応力σ、厚さT、幅Wおよび付着力Pを設定した場合において導電性膜2の密着性を確保することができる。
ここで、本発明の技術的意義について説明しておく。すなわち、本発明は、導電性膜2の密着性および磁性膜3の磁気特性の双方を確保することにより薄膜デバイス10の作動性能を確保するために、上記した式(11)および式(12)に示したように、基板1の表面粗さRaの適正範囲を規定したものである。この表面粗さRaに関しては、上記した特許文献1(特開平11−168010号公報)に、基板(フェライト基板)の表面粗さRaを0.003μm〜0.6μmに設定する技術が開示されている。しかしながら、本発明は、基板の表面粗さRaを規定する観点において特許文献1の技術と類似しているものの、その特許文献1の技術とは実質的に異なるものである。なぜなら、特許文献1の技術では、フェライト基板を含む数種類の基板のみに対して限定的に適用される表面粗さRaの適正範囲を特定しており、しかも性能が向上する理由に関しては何ら論理的に考察することなく適正範囲を規定しているのに対して、本発明では、あらゆる基板に対して(基板の材質によらずに)汎用的に適用される一般式(文字式)と共に物理特性データ(透磁率μ)に基づいて表面粗さRaの適正範囲を特定しており、さらに性能が向上する理由に関して密着性および磁気特性の観点から論理的に考察することにより適正範囲を規定しているからである。
なお、本実施の形態では、導電性膜2の構成(形成方法)を自由に設定可能である。一例を挙げれば、図1に対応する図4に示したように、電解めっき法を使用して導電性膜2を形成することにより、基板1に近い側から順に、シード膜2Aと、そのシード膜2Aを使用して成長されためっき膜2Bとを含むように導電性膜2を構成してもよい。この場合における導電性膜2の単位長さ当たりの付着力Pは、シード膜2Aの単位長さ当たりの付着力である。このシード膜2Aの構成材料は、めっき膜2Bの構成材料と同一であってもよいし、あるいは異なってもよい。
この導電性膜2は、例えば、図4に対応する図5および図6に示した手順を経ることにより形成可能である。すなわち、導電性膜2を形成する際には、まず、図5に示したように、基板1を覆うようにシード膜2Aを形成したのち、そのシード膜2Aを利用して電解めっきすることによりめっき膜2Bをパターン形成する。この場合には、例えば、図示しないフォトレジストパターンを使用してめっき膜2Bを選択的に成長させたのち、使用済みのフォトレジストパターンを除去する。続いて、図6に示したように、シード膜2Aのうちの不要箇所をエッチングする。この場合には、例えば、ウェットエッチングなどを使用する。これにより、シード膜2Aおよびめっき膜2Bを含む導電性膜2が形成される。
図4〜図6を参照して説明したように導電性膜2を構成した場合においても、上記実施の形態と同様の効果を得ることができる。なお、図4に示した薄膜デバイス10に関する上記以外の構成は、図1に示した場合と同様である。
特に、図4〜図6に示した場合には、以下の理由により、製造プロセスの観点において薄膜デバイス10を安定に製造することができる。すなわち、図5および図6に示したように、ウェットエッチングを使用してシード膜2Aのうちの不要箇所をエッチングする場合には、表面粗さRaが上記した式(11)で表される範囲外であると(Ra>0.1μm)、基板1の表面凹凸が大きすぎるため、エッチング液が細部(空孔部(深い凹部))まで到達しにくくなる。この場合には、エッチング不良が生じやすくなるため、薄膜デバイス10を安定に製造することが困難である。これに対して、本実施の形態では、表面粗さRaが式(11)で表される範囲であることにより(Ra≦0.1μm)、基板1の表面凹凸が大きすぎないため、エッチング液が細部まで到達しやすくなる。したがって、エッチング不良が生じにくくなるため、薄膜デバイス10を安定に製造することができるのである。
また、本実施の形態では、図1に示したように、基板1上に導電性膜2および磁性膜3がこの順に積層された積層構造を有するように薄膜デバイス10を構成したが、必ずしもこれに限られるものではなく、その薄膜デバイス10の構成は、上記したように、適用用途等の条件に応じて適宜設定可能である。具体的な一例を挙げると、図1に対応する図7に示したように、基板1上に磁性膜3および導電性膜2がこの順に積層された積層構造を有するように薄膜デバイス10を構成してもよいし、あるいは図1に対応する図8に示したように、基板1上に磁性膜3、導電性膜2および磁性膜3がこの順に積層され、すなわち2つの磁性膜3により導電性膜2が挟まれた積層構造を有するように薄膜デバイス10を構成してもよい。これらの場合においても、上記実施の形態と同様の効果を得ることができる。なお、図7および図8に示した薄膜デバイス10に関する上記以外の構成は、図1に示した場合と同様である。
以上をもって、本発明の一実施の形態に係る薄膜デバイスについての説明を終了する。
次に、上記した薄膜デバイスの適用例について説明する。なお、以下の説明では、薄膜デバイス10を説明するために参照した図1を随時参照する。
(第1の薄膜インダクタ)
図9および図10は薄膜デバイス10(図1参照)を適用した薄膜インダクタ100の構成を表しており、図9は平面構成を示し、図10は図9に示したX−X線に沿った断面構成を示している。
図9および図10は薄膜デバイス10(図1参照)を適用した薄膜インダクタ100の構成を表しており、図9は平面構成を示し、図10は図9に示したX−X線に沿った断面構成を示している。
薄膜インダクタ100は、例えば、図9および図10に示したように、基板11に、その基板11に近い側から順に配置された下部磁性膜12および上部磁性膜17と、それらの下部磁性膜12と上部磁性膜17との間に配置されたコイル16とが設けられたものである。このコイル16は、例えば、上部磁性膜12と下部磁性膜17との間に配置された絶縁膜20により埋設されている。すなわち、薄膜インダクタ100は、基板11上に、下部磁性膜12と、絶縁膜20により埋設されたコイル16と、上部磁性膜17とがこの順に積層された構造を有している。
基板11は、基板1(図1参照)に対応するものであり、上記した式(11)および式(12)で表される表面粗さRaを有している。この基板11は、例えば、ガラス、シリコン(Si)、酸化ケイ素、酸化アルミニウム(Al2 O3 ;いわゆるアルミナ)、セラミックス、半導体または樹脂などにより構成されている。なお、基板11の構成材料は、必ずしも上記した一連の材料に限らず、他の材料により構成されていてもよい。
特に、薄膜インダクタ100の磁気特性を向上させるためには、例えば、基板11がフェライト基板などの磁性基板であるのが好ましい。中でも、絶縁性を有するニッケル銅亜鉛合金(NiCuZn)系のフェライト基板は、基板11上にコイル16を直接形成することが可能になるため、薄膜インダクタ100の構成および製造プロセスを簡略化する上で好ましい。
下部磁性膜12および上部磁性膜17は、それぞれ磁性膜3(図1参照)に対応するものであり、インダクタンスを高める機能を有している。これらの下部磁性膜12および上部磁性膜17は、例えば、コバルト(Co)系合金または鉄(Fe)系合金などに代表される磁性材料により構成されている。一例を挙げれば、コバルト系合金としてはコバルトジルコニウムタンタル合金(CoZrTa)またはコバルトジルコニウムニオブ合金(CoZrNb)などが挙げられ、鉄系合金としてはコバルト鉄合金(CoFe)などが挙げられる。
絶縁膜20は、コイル16を周辺から電気的に分離するものである。この絶縁膜20は、例えば、下部磁性膜12に近い側から順に、コイル16を支持する下部絶縁膜13と、コイル16の巻線間およびその周囲を埋設する中間絶縁膜14と、コイル16を覆う上部絶縁膜15とが積層された3層構造を有している。これらの下部絶縁膜13、中間絶縁膜14および上部絶縁膜15は、例えば、いずれも酸化ケイ素などの絶縁性材料により構成されている。なお、絶縁膜20の構成は、必ずしも上記した3層構造に限られず、自由に変更可能である。
コイル16は、導電性膜2(図1参照)に対応するものであり、例えば、銅、ニッケル(Ni)または銀(Ag)などの金属に代表される導電性材料により構成されている。このコイル16は、例えば、一端部(端子16E1)および他端部(端子16E2)が絶縁膜20の外部へ導出されたスパイラル構造を有しており、それらの端子16E1,16E2の間にインダクタンスを発生させるものである。なお、上記した式(12)中に示した付着力P、ここでは導電性膜2に対応するコイル16の単位長さ当たりの付着力Pは、実質的には絶縁膜20(下部絶縁膜13)に対する付着力である。
この薄膜インダクタ100では、基板11の表面粗さRaが上記した式(11)および式(12)で表される範囲内であるので、上記した薄膜デバイス10と同様の作用により、コイル16の密着性が確保されると共に、下部磁性膜12および上部磁性膜17の磁気特性(透磁率)が確保される。したがって、作動性能を確保することができる。
この場合には、特に、下部磁性膜12および上部磁性膜17によりコイル16が挟まれているため、薄膜インダクタ100の磁路状態がより閉磁路に近い状態となる。したがって、後述する図12に示したように上部磁性膜17を備えずに下部磁性膜12のみを備える場合と比較して、磁気特性を向上させることができる。
もちろん、薄膜デバイス100では、図4を参照して説明した導電性膜2の構成例をコイル16に適用することにより、図10に対応する図11に示したように、シード膜16Aおよびめっき膜16Bを含むようにコイル16を構成してもよい。この場合には、上記した薄膜デバイス10と同様の作用により、薄膜インダクタ100を安定に製造することができる。図11に示した薄膜インダクタ100に関する上記以外の構成は、図10に示した場合と同様である。
また、薄膜デバイス100は、例えば、図10に対応する図12に示したように、上部磁性膜17を備えず、下部磁性膜12のみを備えるように構成されてもよい。この場合においても、図10に示した場合と同様に作動性能を確保することができる。図12に示した薄膜インダクタ100に関する上記以外の構成は、図10に示した場合と同様である。
なお、薄膜インダクタ100に関する上記以外の構成、作用および効果は、上記した薄膜デバイス10と同様であるので、その説明を省略する。
(第2の薄膜インダクタ)
図13〜図16は薄膜デバイス10を適用した薄膜インダクタ200の構成を表しており、図13は平面構成および図14〜図16は断面構成をそれぞれ示している。ここで、図14〜図16は、それぞれ図13に示したIIV−IIV線、XV−XV線およびXVI−XVI線に沿った断面構成を示している。
図13〜図16は薄膜デバイス10を適用した薄膜インダクタ200の構成を表しており、図13は平面構成および図14〜図16は断面構成をそれぞれ示している。ここで、図14〜図16は、それぞれ図13に示したIIV−IIV線、XV−XV線およびXVI−XVI線に沿った断面構成を示している。
薄膜インダクタ200は、図13〜図16に示したように、基板21上に、下部磁性膜22と、絶縁膜25により埋設された上部磁性膜23およびコイル24とが積層された構成を有している。下部磁性膜22および上部磁性膜23は、互いに対向配置されており、コイル24は、上部磁性膜23に巻き付けられたソレノイド型構造を有している。
基板21は、基板1(図1参照)に対応するものであり、上記した式(11)および式(12)で表される表面粗さRaを有している。この基板21は、例えば、上記した薄膜インダクタ100における基板11と同様の材料により構成されている。
下部磁性膜22および上部磁性膜23は、それぞれ磁性膜3(図1参照)に対応するものであり、インダクタンスを高める機能を有している。これらの下部磁性膜22および上部磁性膜23は、例えば、上記した薄膜インダクタ100における下部磁性膜12および上部磁性膜17と同様の磁性材料や、ニッケル鉄合金(NiFe)などの導電性磁性材料により構成されている。
コイル24は、導電性膜2(図1参照)に対応するものであり、例えば、銅などの導電性材料により構成されている。このコイル24は、一端部(端子24T1)と他端部(端子24T2)との間にインダクタを発生させるものであり、それらの端子24T1,端子24T2は、絶縁膜25の外部へ導出されている。
このコイル24は、複数の短冊状の下部コイル部分24Aおよび上部コイル部分24Bと、複数の柱状の中間コイル部分24Cとが直列に接続されたものである。下部コイル部分24Aは、下部磁性膜22と上部磁性膜23との間の階層(下階層)に配列されている。上部コイル部分24Bは、上部磁性膜23を挟んで下部コイル部分24Aと反対側の階層(上階層)に配列されており、下部コイル部分24Aの一端部または他端部と重なるように配置されている。これらの下部コイル部分24Aおよび上部コイル部分24Bは、例えば、矩形型の断面形状を有しており、互いに等しい幅Wを有している。中間コイル部分24Cは、下階層と上階層との間の階層に配置されており、下部コイル部分24Aおよび上部コイル部分24Bが互いに重なる箇所に位置している。なお、上記した式(12)中に示した付着力P、ここでは導電性膜2に対応するコイル24(下部コイル部分24A,上部コイル部分24B)の単位長さ当たりの付着力Pは、実質的には絶縁膜25(下部絶縁膜25A,上部絶縁膜25C)に対する付着力である。
コイル24のターン数は、任意に設定可能である。図13〜図16では、例えば、コイル24のターン数=4ターンである場合を示している。この場合には、例えば、下部コイル部分24Aを端子24T1,24T2として利用することにより、5つの下部コイル部分24A(24A1〜24A5)が配列されていると共に、4つの上部コイル部分24B(24B1〜24B4)が配列されている。
下部コイル部分14Aの厚さTAおよび上部コイル部分14Bの厚さTBは、任意に設定可能である。図14〜16では、例えば、厚さTAおよび厚さTBが互いに等しい場合を示している。
絶縁膜25は、コイル24を下部磁性膜22および上部磁性膜23から電気的に分離するものであり、例えば、酸化ケイ素などの絶縁性非磁性材料や、ポリイミドまたはレジストなどの絶縁性樹脂材料により構成されている。この絶縁膜25は、例えば、下部磁性膜22上に設けられた下部絶縁膜25Aと、その下部絶縁膜25A上に下部コイル部分24Aを埋設するように設けられた下部コイル絶縁膜25Bと、その下部コイル絶縁膜25B上に上部磁性膜23を埋設するように設けられた上部絶縁膜25Cと、その上部絶縁膜25C上に上部コイル部分24Bを埋設するように設けられた上部コイル絶縁膜25Dとを含んでいる。これらの下部コイル絶縁膜25Bおよび上部絶縁膜25Cでは、下部コイル部分24Aおよび上部コイル部分24Bが互いに重なる位置ごとにコンタクトホール25Hが設けられており、各コンタクトホール25Hに中間コイル部分24Cが埋め込まれている。なお、一連の絶縁膜25A〜25Dの構成材料は、必ずしも同一に限らず、個別に設定可能である。
この薄膜インダクタ200では、基板21の表面粗さRaが上記した式(11)および式(12)で表される範囲内であるので、上記した薄膜デバイス10と同様の作用により、コイル24の密着性が確保されると共に、下部磁性膜22および上部磁性膜23の磁気特性(透磁率)が確保される。したがって、作動性能を確保することができる。なお、薄膜インダクタ200に関する上記以外の効果および変形は、上記した薄膜インダクタ100と同様である。
次に、本発明の実施例について説明する。
上記実施の形態において図7を参照して説明した薄膜デバイスの磁気特性を調べたところ、図17に示した結果が得られた。図17は表面粗さと透磁率との間の相間を表しており、横軸は基板の表面粗さRa(μm)を示し、縦軸は磁性膜の透磁率μ(−)を示している。この磁気特性を調べる際には、基板(酸化ケイ素)/磁性膜(コバルトジルコニウムタンタル合金)/導電性膜(銅)となるように薄膜デバイスを構成したと共に、遮蔽ループコイル法を使用して透磁率を測定した。
図17に示した結果から判るように、透磁率μは、表面粗さRaが大きくなるにしたがって、ほぼ一定となったのちに低下した。より具体的には、透磁率μは、初期段階(Ra=0.002μm〜0.075μm)においてほぼ一定となり、引き続き中期段階(Ra=0.075μm〜0.1μm)において緩やかに低下したのち、後期段階(Ra=0.1μm〜0.12μm)において急激に低下した。このことから、本発明の薄膜デバイスでは、表面粗さRaが0.1μm以下の範囲(Ra≦0.1μm)において透磁率μが確保されることが確認された。この場合には、特に、表面粗さRaが0.075μm以下の範囲(Ra≦0.075μm)において、その表面粗さRaがほぼゼロであるときの透磁率μ以上の透磁率μが得られることも確認された。
以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記した実施の形態に限定されず、種々の変形が可能である。具体的には、本発明の薄膜デバイスまたは薄膜インダクタの構成は、基板の表面粗さが上記した式(11)および式(12)で表される範囲内であり、導電性膜またはコイルの密着性および磁性膜の磁気特性を確保することにより作動特性を確保することが可能な限り、自由に変更可能である。
特に、上記実施の形態では、本発明の薄膜デバイスを薄膜インダクタに適用する場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、薄膜インダクタ以外の他のデバイスに適用してもよい。この「他のデバイス」としては、例えば、上記したように、薄膜トランス、薄膜センサ、薄膜抵抗、薄膜アクチュエータ、薄膜磁気ヘッドまたはMEMSなどが挙げられる。これらの他のデバイスに本発明の薄膜デバイスを適用した場合においても、上記実施の形態と同様の効果を得ることができる。
本発明に係る薄膜デバイスは、薄膜インダクタなどに適用することが可能である。
1,11,21…基板、2…導電性膜、2A,16A…シード膜、2B,16B…めっき膜、3…磁性膜、10…薄膜デバイス、12,22…下部磁性膜、13,25A…下部絶縁膜、14…中間絶縁膜、15,23…上部絶縁膜、16,24…コイル、16E1,16E2,24T1,24T2…端子、17,25C…上部磁性膜、20,25…絶縁膜、24A(24A1〜24A5)…下部コイル部分、24B(24B1〜24B4)…上部コイル部分、24C…中間コイル部分、25B…下部コイル絶縁膜、25D…上部コイル絶縁膜、25H…コンタクトホール、100…薄膜インダクタ、H…高さ、P…付着力、P1,P2…部分、Ra…表面粗さ、T,TA,TB…厚さ、W…幅、σ…内部応力。
Claims (5)
- 下記の式(1)および式(2)で表される範囲内の表面粗さを有する基板に、導電性膜および磁性膜が積層されている
ことを特徴とする薄膜デバイス。
Xμm≦Ra≦0.1μm ……(1)
X=[(σ2 T2 W2 −W2 P2 )/16P2 ]0.5 ……(2)
但し、
Ra:基板の表面粗さ(算術平均粗さ;μm)
σ:導電性膜の内部応力(MPa)
T:導電性膜の厚さ(μm)
W:基板の表面に凹凸が均一に設けられていると仮定した場合における凹凸の幅(μm)
P:導電性膜の単位長さ当たりの付着力(MPa) - 前記基板の表面粗さが、下記の式(3)で表される範囲である
ことを特徴とする請求項1記載の薄膜デバイス。
Ra≦0.075μm ……(3) - 前記基板の表面粗さが、下記の式(4)で表される範囲である
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の薄膜デバイス。
0.004μm≦Ra ……(4) - 前記導電性膜が、前記基板に近い側から順に、シード膜と、そのシード膜を使用して成長されためっき膜とを含む
ことを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の薄膜デバイス。 - 下記の式(5)および式(6)で表される範囲内の表面粗さを有する基板に、コイルおよび磁性膜が積層されている
ことを特徴とする薄膜インダクタ。
Xμm≦Ra≦0.1μm ……(5)
X=[(σ2 T2 W2 −W2 P2 )/16P2 ]0.5 ……(6)
但し、
Ra:基板の表面粗さ(算術平均粗さ;μm)
σ:コイルの内部応力(MPa)
T:コイルの厚さ(μm)
W:基板の表面に凹凸が均一に設けられていると仮定した場合における凹凸の幅(μm)
P:コイルの単位長さ当たりの付着力(MPa)
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