JP2008188755A - 三次元微細構造体およびその形成方法 - Google Patents

三次元微細構造体およびその形成方法 Download PDF

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Abstract

【課題】三次元微細構造体およびその形成方法が提供される。
【解決手段】微細構造体は逐次的構築プロセスにより形成され、互いに固着された微細構造体要素を含む。微細構造体は例えば、電磁エネルギーのための同軸伝送路に使用される。
【選択図】図２

Description

（特許に係る政府の権利）
本発明は、国防高等研究計画局（ＤＡＲＰＡ）より受けた契約第Ｗ９１１ＱＸ−０４−Ｃ−００９７号に基づきアメリカ合衆国政府の支援でなされたものである。当該政府は本発明について一定の権利を有する。
本願は２００６年１２月３０日に出願された米国仮出願第６０／８７８，２７８号について３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．第１１９（ｅ）条に基づく優先権の利益を請求するものであり、その全内容は参照により本書に組み込まれる。
本発明は、概して微細製造技術と三次元微細構造体の形成に関する。本発明は、電磁エネルギー伝達のための微細構造体、例えば、同軸伝送要素の微細構造体、および、かかる微細構造体を逐次的構築プロセスで形成する方法に特定の適用性を有する。
逐次的構築プロセスによる三次元微細構造体の形成は、例えばＳｈｅｒｒｅｒ等への米国特許第７，０１２，４８９号に記載されている。図１を参照すると、第’４８９号特許は、逐次的構築プロセスにより形成された同軸伝送路の微細構造体２を開示している。微細構造体は基体４上に形成され、外部導体６と、中心導体８と、中心導体を支持する一以上の誘電支持部材１０とを有する。外部導体は、外部導体の下壁を形成する導電ベース層１２、側壁を形成する導電性層１４，１６および１８、並びに上壁を形成する導電性層２０を含む。内部導体と外部導体の間の容積２２は空気または空（から）であり、それは先にその容積に充填された犠牲的材料を構造体から取り除くことで形成される。
米国特許第７，０１２，４８９号明細書
異なる材料の微細構造体、例えば、浮いた状態の微細構造体、例えば、該’４８９号特許の微細構造体における中心導体を製造するときに、特に構成要素が異なる材料で形成されている場合に、構成要素間の付着性が不十分であることによる問題が生じることがある。例えば、誘電支持部材を形成するのに有用な材料は、外部導体および中心導体の金属材料に対する低い付着性を示すことがありうる。この低い付着性のために、誘電支持部材が外部導体と中心導体のいずれかから、あるいは両方から分離してしまうことがありえ、これは、誘電支持部材が外部導体の側壁の一端部に埋め込まれていても起こりうる。このような分離は、製造中や製造後にデバイスを正常に動作させている最中にデバイスに振動が伝わったり、他の力が加わったりすると、特に問題になりうる。デバイスは、例えば、飛行機のような高速の乗り物で使用していると、極度に大きな力を受けうる。かかる分離の結果、同軸構造の伝送性能の質が落ちて、デバイスが動作不能となり得る。
したがって、最新技術水準に伴う問題に対処する三次元微細構造体およびその形成方法が求められている。
本発明の第一の実施態様に従って、提供されるのは逐次的構築プロセスで形成される三次元微細構造体である。微細構造体は、誘電材料で構成され、かつ少なくとも部分的にそれを通って伸びる開口部を有する第一微細構造要素；金属材料で構成される第二微細構造要素；前記第一微細構造要素を前記第二微細構造要素に固着させる、開口部における金属材料；並びに、前記第一微細構造要素および／または前記第二微細構造要素が露出される非固体容積：を含む。微細構造体は、第一および第二微細構造要素がその上に配置される基体を含んでもよい。本発明の一実施形態において、微細構造体は、中心導体、外部導体、および中心導体を支持するための誘電支持部材を有する同軸伝送路であって、誘電支持部材が第一微細構造要素であり、内部導体および／または外部導体が第二微細構造要素である、同軸伝送路を含んでいても良い。
本発明の第二の実施態様に従って、提供されるのは逐次的構築プロセスにより三次元微細構造体を形成する方法である。該方法は基体上に複数の層を配置することを含む。その複数の層は、誘電材料の層、金属材料の層および犠牲的材料の層を含む。誘電材料で構成され、かつ少なくとも部分的にそれを通って伸びる開口部を有する第一微細構造要素が形成される。金属材料で構成される第二微細構造要素が形成される。金属材料が開口部内に堆積され、第一微細構造要素を第二微細構造要素に固着させる。犠牲的材料が除去されて、第一微細構造要素および／または第二微細構造要素が露出される非固体容積を形成する。
本発明の他の特徴および利点は、明細書、特許請求の範囲および添付の図面を見ることで当業者には明らかになろう。
本発明は以下の図面を参照して説明され、図面において同様の参照数字は同様の特徴部を示す。
図１は、既知の同軸伝送路微細構造体の側断面図を示す。
図２は、本発明に従った典型的な三次元微細構造体の側断面図を示す。
図３〜１５は、本発明に従った形成の様々な段階での図２の三次元微細構造体の側断面図および上面図を示す。
図１６Ａ〜Ｄは、本発明に従った、典型的な、三次元微細構造体誘電要素および開口部の側断面図を示す。
図１７は、本発明のさらなる実施態様に従った、典型的な、三次元微細構造体の側断面図を示す。
図１８は、本発明のさらなる実施態様に従った、典型的な、三次元微細構造体の側断面図および上面図を示す。
図１９Ａ〜Ｈは、本発明に従った、典型的な、三次元微細構造体誘電要素および開口部の部分上面図を示す。
図２０Ａ〜Ｂは、本発明に従った、典型的な、三次元微細構造体の側断面図を示す。
説明される典型的なプロセスは、三次元微細構造体を構築する逐次的構築を含む。ここで、「微細構造体」という用語は、典型的にはウェハまたはグリッドレベル上に、微細加工プロセスにより形成された構造体を指す。本発明の逐次的構築プロセスにおいて、微細構造体は、様々な物質および予め定められた方法で逐次的に積層すること、および処理することによって形成される。例えば、フィルム形成、リソグラフィによるパターニング、エッチング、および他の任意的プロセス、例えば、平坦化技術で実行される場合、多様な三次元微細構造体を形成する柔軟な方法が提供される。
逐次的構築プロセスは一般に次のプロセスの様々な組み合わせを包含するプロセスを通じて達成される：それは、（ａ）金属、犠牲的材料（例えば、フォトレジスト）および誘電体の被覆プロセス；（ｂ）表面の平坦化；（ｃ）フォトリソグラフィ；および（ｄ）エッチングまたは他の層除去プロセスである。金属を堆積するには、めっき技術が特に有用であるが、他の金属堆積技術、例えば、物理蒸着（ＰＶＤ）や化学蒸着（ＣＶＤ）技術を使用することもできる。
本発明の典型的な実施形態が、電磁エネルギー用の同軸伝送路の製造の文脈でここに記載される。かかる構造は、例えば、電気通信産業において、レーダーシステムにおいて、並びにマイクロ波およびミリ波装置におけるような用途を見いだす。しかしながら、微細構造体を製造するため記載される技術は、記載の構造例や応用例に決して限定されるものではなく、圧力センサ、ロールオーバーセンサ；質量分析計、フィルタ、マイクロ流体装置、外科器具、血圧センサ、気流センサ、補聴器センサ、イメージスタビライザ、高度センサ、オートフォーカスセンサなどの様々な分野の微細装置に使用することができることは明らかであろう。本発明は、一緒に微細製造される異成分材料を機械的に一緒に固定して、新たな構造体を形成するための一般的な方法として使用することができる。例示される同軸伝送路微細構造体は、例えば、ミリ波やマイクロ波を含めて、数ＭＨｚから１００ＧＨｚ以上の周波数を有する電磁エネルギーの伝送に有効である。記載される伝送路は、更に、直流（ＤＣ）信号および電流の伝達に、例えば、集積半導体装置または取り付けられた半導体装置にバイアスを与える場合に使用することを見いだす。
図２は、本発明による、逐次的構築プロセスで形成された三次元伝送路微細構造体２０２の典型的な特徴を示す図である。微細構造体は、基体２０４、外部導体２０６、中心導体２０８、および中心導体を支持するための一以上の誘電支持部材２１０’を含む。外部導体は、下壁を形成する導電性ベース層２１２、側壁を形成する導電性層２１４，２１６，２１８、および外部導体の上壁を形成する導電性層２２０を含む。導電性ベース層２１２および導電性層２２０は、任意的に導電性基体の部分または基体上の導電性層の部分として提供されても良い。中心導体と外部導体の間を占める容積２２２は、非固体、例えば、気体、例えば空気または六フッ化硫黄、空（から）、または液体である。誘電支持部材は、中心導体および／または外部導体に近接して一以上の開口部２２４を有する。図示されるような開口部は誘電支持部材を通って、該部材の上面から底面まで延びているが、部分的にそれを通るように延びていてもよい。金属材料は開口部内に配置され、それにより誘電支持部材を中心導体および外部導体に固着する。
図２の同軸伝送路微細構造体を形成する例示的な方法が、ここで図３から図１５を参照して説明される。伝送路は図３に示されるような基体２０４上に形成され、それは様々な形態を採りうる。基体は、例えば、セラミック、誘電体、半導体例えばシリコンまたはガリウムヒ素、金属例えば銅または鋼鉄、ポリマーまたはそれらの組み合わせから構成されることができる。基体は、例えば、電子基体、例えばプリント配線板、半導体基体、例えば、シリコンウェハ、シリコンゲルマニウムウェハまたはガリウムヒ素ウェハの形態を採ることができる。基体は、伝送路を形成するのに使用する材料と類似する膨張係数を有するように選択することができ、そして該伝送路の形成過程においてその完全性を保持するように選択されるべきである。その上に伝送路が形成される基体の表面は、典型的には平坦である。基体表面は、例えば、グラインド、ラップ仕上げおよび／またはポリッシュされることができ、高い平坦度を達成することができる。形成される構造物の表面の平坦化は、プロセスの間において、いずれかの層の形成前あるいは形成後に行うことができる。通常の平坦化技術、例えば、化学的機械的ポリッシング（ＣＭＰ）、ラップ仕上げ、あるいはこれらの方法の組み合わせが典型的に使用される。他の既知の平坦化技術、例えば、機械仕上げ、例えば機械加工、ダイヤモンド旋削、プラズマエッチング、レーザアブレーションなどが追加的にまたは代替的に使用されてもよい。
犠牲的感光性材料、例えばフォトレジストの第一層２２６ａが基体２０４上に堆積され、露光および現像されて、伝送路の外部導体の下壁を後に堆積するためのパターン２２７を形成する。該パターンは、基体２０４の上面が露出しているチャネルを犠牲的材料中に含む。通常のフォトリソグラフィの工程および材料がこの目的で使用されることができる。犠牲的感光性材料は、例えば、ネガ型フォトレジスト、例えばＲｏｈｍ ａｎｄ Ｈａａｓ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ＬＬＣより商業的に入手可能なＳｈｉｐｌｅｙ ＢＰＲ（商標）１００ または ＰＨＯＴＯＰＯＳＩＴ（商標）ＳＮ（Ｌｕｎｄｙらの米国特許第６，０５４，２５２号に記載されるような）、または、ドライフィルム、例えば、同じくＲｏｈｍ ａｎｄ Ｈａａｓより入手可能なＬＡＭＩＮＡＲ（商標）ドライフィルムとすることができる。この工程および他の工程での犠牲的感光性材料層の厚さは製造される構造体の寸法によって決まるであろうが、典型的には１０から２００ミクロンである。
図４に示すように、導電性ベース層２１２は基体２０４上に形成され、最終構造体における外部導体の下壁を形成する。該ベース層は導電性の高い材料、例えば、金属あるいは合金（「金属」と総称する）、例えば、銅、銀、ニッケル、アルミニウム、クロム、金、チタン、それらの合金など、ドープされた半導体材料、あるいはその組み合わせ、例えばそのような複数材料の複数層から形成されることができる。該ベース層は従来のプロセス、例えば、めっき、例えば、電解めっき、無電解めっき、浸漬めっき；物理蒸着（ＰＶＤ）、例えば、スパッタリングまたは蒸発；または、化学蒸着（ＣＶＤ）によって積層することができる。例えば、めっきされた銅はとりわけベース層材料として好適であることができ、かかる技術は当業界で周知である。めっき処理は例えば、銅塩や還元剤を使用した無電解プロセスとすることができる。適切な材料は商業的に入手可能であり、例えば、Ｒｏｈｍ ａｎｄ Ｈａａｓ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ＬＬＣ（マサチューセッツ州，マルボロー）より入手可能なＣＩＲＣＵＰＯＳＩＴ（商標）無電解銅が挙げられる。別の方法としては、材料は、電気的に伝導性のシード層をコーティングして、続いて電解めっきを行うことにより、めっきされることができる。シード層は、犠牲的材料２２６ａのコーティング前に基体上にＰＶＤによって堆積されても良い。適切な電解材料は商業的に入手可能であり、および、例えば、Ｒｏｈｍ ａｎｄ Ｈａａｓ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓより入手可能なＣＯＰＰＥＲ ＧＬＥＡＭ（商標）酸めっき製品が挙げられる。無電解堆積および／または電解堆積の前に活性化された触媒を使用することもできる。ベース層（および後続の層）は任意の形状にパターン化されて、概説された方法を通じて所望のデバイス構造を実現させることもできる。
ベース層（および続いて形成される外部導体の他の壁）の厚さは、微細構造体への機械的安定性をもたらし、および電子が伝送路を通って移動するのに十分な導電性をもたらす様に選択される。マイクロ波周波数以上では、膜の深さが典型的には１μｍ未満であろうから、構造上および熱的な伝導率の影響がよりはっきりとする。したがって、厚さは例えば、特定のベース層材料、特定の伝搬周波数および予定している用途に依存するであろう。例えば、最終的な構造体を基体から取りはずす場合には、例えば、構造の完全性のためには、約２０〜１５０μｍまたは２０〜８０μｍの比較的厚いベース層を使用するのが有利でありうる。最終的な構造体が基体とともにそのままとどまる場合には、比較的薄いベース層を使用するのが望ましいといえ、それは使用される周波数が求める膜深さによって決定されうる。
側壁を形成するのに適切な材料と技術は、ベース層について上述したものと同じである。側壁は典型的には、ベース層２１２の形成に使用されるのと同じ材料で形成されるが、異なる材料が使用されてもよい。めっきプロセスの場合において、後続のステップにおける金属が、形成済みで露出した金属領域上のみに直接に適用されるであろう場合には、ここではシード層またはめっきベースの適用を省略することができる。しかしながら、図示する構造例は典型的にはある特定のデバイスの小さな領域のみを形成するものであり、これらおよび他の構造の金属化はプロセスシークエンスにおけるいずれの層で始められてもよく、その場合シード層が典型的には使用されるということは明らかである。
この段階および／または後続の段階での表面の平坦化は、後続処理のための平坦な表面を提供するためだけではなく、犠牲的材料の上面上に堆積した不要な金属を取り除くためにも行われうる。表面の平坦化を通じて、所定の層の全体的な厚さを、コーティングのみで達しうる以上に、厳密に制御することができる。例えば、ＣＭＰプロセスを使用して金属と犠牲的材料を同じ高さに平坦化することもできる。この後、例えば、ラップ仕上げプロセスを行い、ゆっくり金属、犠牲的材料、および誘電体を同じ割合で除去することにより、層の最終的な厚さをより正確に制御することが可能になる。
図５を参照して、犠牲的感光性材料の第二層２２６ｂは、ベース層２１２および第一犠牲的層２２６ａ上に堆積され、露光並びに現像されて、伝送路外部導体の下側壁部を、後に堆積するためのパターン２２８を形成する。パターン２２８にはベース層の表面が露出している二つの平行なチャネルを、犠牲的材料中に含む。
図６に示すように、伝送路外部導体の下側壁部２１４を次に形成する。側壁を形成するのに適当な材料と技術は、ベース層２１２に関して上記したものと同じであるが、異なる材料を使用することもできる。めっきプロセスの場合に、後続のステップにおける金属が直接、形成済みで露出した金属領域上にのみ適用されるであろう場合には、シード層またはめっきベースの適用を省略してもよい。上述の表面の平坦化はこの段階で行っても良い。
誘電材料の層２１０が、図７に示すように、次に、第二犠牲的層２２６ｂおよび下側壁部２１４の上に堆積される。続く処理において、支持構造体は誘電層からパターン形成され、形成されるべき伝送路の中心導体を支持する。これらの支持構造体は最終的な伝送路構造物のコア領域内に位置するので、支持層は、伝送路を通して伝送される信号に過剰な損失をもたらすことのない材料から形成されるべきである。材料はまた、中心導体を支持するのに必要な機械的強さを提供することができるべきであり、および最終的な伝送路構造体から犠牲的材料を除くために使用される溶媒中に比較的不溶性であるべきである。材料は、典型的には、感光性ベンゾシクロブテン（Ｐｈｏｔｏ−ＢＣＢ）樹脂、例えば、Ｃｙｃｌｏｔｅｎｅ（Ｄｏｗ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏ．）、ＳＵ−８ ｒｅｓｉｓｔ （ＭｉｃｒｏＣｈｅｍ Ｃｏｒｐ．）の商品名で販売されているもの、無機材料、例えば、シリカおよび酸化ケイ素、ＳＯＬゲル、様々なガラス、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、酸化アルミニウム、例えば、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）および酸化マグネシウム（ＭｇＯ）；有機材料、例えば、ポリエチレン、ポリエステル、ポリカーボネート、酢酸セルロース、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリスチレン、ポリアミド、およびポリイミド；有機・無機ハイブリッド材料、例えば、有機シルセスキオキサン材料；感光性誘電体、例えば、行われる予定の犠牲的材料除去プロセスの影響を受けることのないネガ型フォトレジストまたはフォトエポキシから選ばれる誘電体材料である。これらの中では、ＳＵ−８ ２０１５レジストが典型的である。例えば、スピンコーティング、ローラコーティング、スキージコーティング、スプレーコーティング、化学蒸着（ＣＶＤ）またはラミネーションにより容易に堆積されることができる材料を使用することが都合がよい。支持層２１０は、ひび割れや破損のないように中心導体の必要な支持を提供する厚さに堆積される。更に、厚さは、平坦化の観点から犠牲的材料層の後の適用に深刻な影響を及ぼすことのない厚さとすべきである。誘導支持層の厚さは微細構造体の他の要素の寸法および材料で決まるであろうが、該厚さは典型的には１−１００ミクロンであり、例えば約２０ミクロンである。
図８を参照して、次に、通常のフォトリソグラフィとエッチング技術を用いて誘電材料層２１０がパターン形成され、形成されるべき中心導体を支持するための一以上の誘電支持部材２１０’を提供する。図示したデバイスでは、誘電支持部材は外部導体の第一の側部から中心導体の反対側まで伸びている。他の実施の局面においては、誘電支持部材は外部導体から伸び、および中心導体で終止できる。この場合、各支持部材の一端部を一方または他方の下側壁部２１４上に形成し、反対の端部を、下側壁部の間の犠牲的層２２６ｂ上の位置までのばす。支持部材２１０’は、典型的には一定の距離で、互いに間隔をあける。誘電支持部材の数、形状および配置パターンは、過剰な信号ロスや分散を防ぎつつ、中心導体とその端部への支持を提供するのに充分であるべきである。更に、形状と、周期性または非周期性とは、低い伝搬ロスが望まれる周波数での反射を妨ぐように選択してもよく、そのような機能が望まれないならばブラッグ格子およびフィルタを形成する分野において周知の方法で計算することができる。後者の場合、かかる周期構造に注意した設計がフィルタ機能を提供しうる。
誘電支持部材２１０’のパターニング過程において、一以上の開口部２２４がそのなかに形成される。開口部は、典型的には、図示されるように、誘電支持部材の上面から底面まで通って伸びる。開口部は、中心導体および／または外部導体に付着する金属材料、あるいは中心導体および／または外部導体の部分と考えられ得る金属材料の収容のための容積を提供する目的をはたす。これにより、開口部を充てんする金属材料を通じての誘電部材と中心導体および／または外部導体との間の接触領域は、開口部が存在しない場合と比較して増大する。結果として、誘電支持部材は中心導体および／または外部導体に対してより効果的に定位置に固定されることができる。図示した実施形態では、開口部は誘電支持部材において中央と一端部に示されている。他の構成を使用してもよい。例えば、支持部材の各端部に開口部を含むことも有用でありうる。
図示されるような開口部は円筒形の形状である。当然ながら、他の形状、例えば、正方形、矩形、三角形または卵形の断面を有する開口部が使用されてもよい。開口部の側壁は垂直でも非垂直でも良い。典型的な開口部の構造が図１６Ａ〜Ｄに示される。図１６Ａは、図８に示すような垂直の側壁２２８を有し、かつ円筒形の形状である開口部２２４を示している。開口部は非垂直の側壁２２８、例えば、図１６Ｂ〜Ｄに示されるようなリエントラント形状を有することが望まれる場合がある。このような構造は、それらが、開口部内に堆積されるべき金属を定位置に機械的に固定するので、完成した微細構造体の要素間のさらに強化された結合を提供すると考えられる。これは開口部を充填する金属のずれを最小化するか、または防ぐものである。かかる構造はまた、一より多い層、例えば図１６Ｄに示されるような層２１０’，２１０’’を使用することにより作り出されることもできる。
図９を参照して、第三犠牲的感光性層２２６ｃが基体上方に被覆され、露光および現像されて、続いて開口部２２４を充填するための、並びに、伝送路の外部導体の中間側壁部および中心導体を形成するためのパターン２３０および２３２を形成する。中間側壁部のためのパターン２３０は、二つの下側壁部２１４と同じ広がりを持つ二つのチャネルを含む。下側壁部２１４および下側壁部を覆う誘電支持部材２１０’の端部はパターン２３０によって露出させられる。中心導体のためのパターン２３２は二つの中間側壁パターンの間にあり、かつそれらに平行するチャネルであり、誘電支持部材２１０’の両端および支持部分を露出させる。例えば上述したような通常のフォトリソグラフィ技術および材料をこの目的で使用することができる。
図１０に図示されるように、犠牲的材料２２６ｃで形成されたチャネルに適当な金属材料を堆積させることによって、開口部２２４が充填され、並びに中心導体２０８および外部導体の中間側壁部２１６が形成される。開口部２２４は中間側壁部および中心導体を形成するのに使用されるのと同じプロセスで、および同じ材料を用いて充填されてもよい。任意的に、開口部は中心導体および中間側壁部に使用されるのと同じ材料または異なる材料を用いて、別々のプロセスで充填されてもよい。開口部を充填する金属材料は、誘電支持部材２１０’と中心導体および外部導体のそれぞれとの間に、微細構造要素を互いに固着させるための結合部を形成する。開口部を充填するための適切な材料および技術と、中間側壁部および中心導体を形成するための適切な材料および技術は、ベース層２１２および下側壁部２１４に関して上述したのと同じであるが、異なる材料および／または技術を用いてもよい。前に記載されているように、任意の段階で任意的に適用されても良いが、この段階で任意に表面の平坦化が行われることができ、後続処理のために平坦な表面を提供するのに加えて、犠牲的材料の上面上に堆積された不要な金属を取り除いても良い。
めっきプロセスを使用して開口部を充填する場合、ベースおよび接着層として役立つ一以上のめっきシード層が、開口部の底部表面および／または側部表面上に形成されてもよい。シード層はプロセスの様々な時点で適用されることができる。例えば、シード層は図７に示す誘電支持層２１０のコーティングの前に、図６の構造体上に適用されることができる。開口部のパターニングに続いて、シード層は開口部の底部表面上にとどまるであろう。追加的に、または代わりに、めっきシード層は誘電支持部材のパターニングに続いて、構造体上に形成されることができる。リエントラント形状の開口部を有する複数のシード層を用いた構造体の一例が図１７に示される。第一シード層２３４は犠牲的材料層２２６上および外部導体の下側壁部２１４上であって、並びに誘電支持部材２１０’の下に配置される。第二シード層２３６は誘電支持部材の側部、上部および内側（開口部側壁）表面上、開口部底部表面上、および第一シード層の他の露出領域上に配置される。このことが、誘電支持部材２１０’が第一および第二シード層の間に挟まれ、外部導体に埋め込まれる構造体を提供する。誘電支持部材における開口部の金属めっきを可能にするのに加えて、この様式で複数のシード層を使用することは、他の微細構造体要素に関して誘電支持部材を定位置に固定することを助ける。
シード層は理想的には、被覆される表面上と一体の形状となり、かつ連続する層であるが、実際には必ずしもそうでなくてもよい。非連続的なシード層は開口部２２４内で金属ボイドをもたらしうるが、そのようなボイドの存在は、十分な量の金属が開口部内に存在する限り、金属化された開口部の全体的な目的を減ずるものとはならないであろう。選択される特定のシード層材料は、例えば開口部の充填のために選択される金属材料に依存するであろう。シード層材料の例としては、例えば、金、銀、パラジウム、ニッケル、クロム、アルミニウムおよびその組み合わせがあげられる。中でも、アルミニウム／ニッケル、およびクロム／金のスタックが典型例である。シード層（単数または複数）は典型的には１０００〜３０００Åの厚さに堆積される。
図１１を参照して、第四犠牲的材料層２２６ｄが基体上方に堆積され、露光および現像され、外部導体の上側壁部を後に堆積させるためのパターン２３８を形成する。上側壁部用のパターン２３８には、二つのチャネルが含まれ、そのチャネルは二つの中間側壁部２１６と同じ広さで、かつ中間側壁部を露出させている。上述のような通常のフォトリソグラフィ工程および材料をこの目的で使用することができる。
次に、図１２に図示されるように、外部導体の上側壁部２１８は、第四犠牲的層２２６ｄ内に形成されたチャンネルに適当な材料を堆積させることによって形成される。上側壁部の形成に好適な材料および技術は、ベース層および他の側壁部について上述した材料や技術と同じである。上側壁部２１８は典型的には、ベース層および他の側壁を形成するのに使用されるのと同じ材料および技術で形成されるが、別の材料および／または技術を使用することもできる。表面の平坦化を、後続処理のために平坦な表面を提供することに加えて、犠牲的材料の上面上に堆積した不要な金属を取り除くために任意的にこの段階で行うことができる。
図１３を参照して、第五感光性犠牲的層２２６ｅは基体上方に堆積され、露光および現像されて、伝送路の外部導体の上壁を後に堆積させるためのパターン２４０を形成する。上壁のためのパターン２４０は上側壁部２１８と、その間の第四犠牲的材料層２２６ｄを露出させる。犠牲的層２２６ｅをパターン形成する際には、上側壁部の間の領域中に犠牲的材料の一以上の領域２４２を残すのが望ましい場合がある。これらの領域では、後の外部導体の上壁を形成している過程における金属堆積が防げられる。以下に説明するが、これにより、結果として、外部導体の上壁に開口部が生じ、微細構造体から犠牲的材料を除去するのを容易にする。この犠牲的材料の残った部分は例えば、円筒状、多面体例えば四面体、あるいは他の支柱形状２４２とすることができる。
図１４に示されるように、次に、適切な材料を上側壁部２１８上とその間の露出領域に堆積させることによって、外部導体の上壁２２０が形成される。犠牲的材料の支柱２４２が占める体積において金属化が防げられる。上壁２２０は、典型的には、ベース層および他の側壁を形成するときに使用されるのと同じ材料および技術で形成されるが、別の材料および／または技術を使用することもできる。この段階で、表面平坦化を任意的に行うことができる。
伝送路の基本構造を完成させると、次いで更なる層を追加したり、あるいは構造中に残っている犠牲的材料を取り除いたりしてもよい。犠牲的材料は、使用される材料の種類に基づき既知のストリッパにより除去されうる。材料を微細構造体から取り除くために、ストリッパを犠牲的材料に接触させる。犠牲的材料を伝送路構造体の端面で露出させてもよい。上述のような伝送路における追加の開口部を設けて、構造全体でストリッパと犠牲的材料との間の接触を容易にすることができる。犠牲的材料とストリッパとの間の接触を可能にするための他の構造が考えられる。例えば、開口部は、パターン形成プロセスの間に、伝送路の側壁に形成されることができる。これらの開口部の寸法はガイドされる波の散乱または漏出による妨害を最小化するように選択することができる。寸法は、例えば、使用される最も高い周波数の波長の１／８，１／１０または１／２０未満にするように選択することができる。かかる開口部の影響は、Ａｎｓｏｆｔ，Ｉｎｃ．により製造されたＨＦＳＳなどのソフトウェアを使用して簡単に計算されることができ、最適化されうる。
犠牲的レジストの除去後の最終的な伝送路構造体２０２が図１５に示される。伝送路の外側壁で、また外側壁内で犠牲的材料により、従前に占有されていた空間が、外部導体中の開口２４４、および伝送路コア２２２を形成している。コア容積は典型的には、気体、例えば空気により占められている。よりすぐれた誘電特性を有する気体をコア中に使用できることも考えられる。任意的に、例えば、構造体が密封パッケージの部分を形成する場合には、コア中に真空を作ることもできる。結果として、伝送路の表面に吸着されるはずの水蒸気からの吸収を低減することが実現できる。中心導体と外部導体との間のコア容積２２２を液体が占め得ることもさらに考えられる。
図１８は本発明の追加的な実施形態を図示し、それは微細デバイスの微細構造体要素が互いに固定されてかみ合った状態に維持されることを可能にする。この図は、上述した様式において誘電支持部材２１０’をパターニングした後の微細構造体を示している。誘電支持部材は、外部導体からの、その引き離しの可能性も低減する形状に形作られる。例示した微細構造体において、誘電支持部材は、パターニングプロセスの間に「Ｔ」字の形に形作られる。上述のような後続の処理の間、該「Ｔ」の上部２４６は外部導体の壁に埋め込まれて、アンカー型の固定構造体として作用する。図示された構造体は、誘電支持部材の一端部にアンカー型の固定構造体を含むが、複数のかかる構造を使用してもよく、例えば、誘電支持部材の各端部における一つが「Ｉ」字型であってよいことは明らかである。説明したアンカー型の構造は、誘電部材と金属微細構造体要素とを一緒に固定するための金属化された開口部の１以上に追加して、または代替的に使用されてもよい。
図１９Ａ〜Ｈは「Ｔ」固定構造にかわって誘電体支持に使用することができる更なる形状の例を示す。説明の都合上、構造は支持構造の部分的な表現である。支持構造は、任意的に、反対の端部にアンカー構造を含めることができ、それは例示したアンカー構造の鏡像とすることもでき、あるいは異なる形状とすることもできる。選択した形状は、外部導体からの分離に対して抵抗性であるように、支持部材の少なくとも一部にわたり、切断面の形状において変化を提供すべきである。図示するように、深さ方向における断面形状の増加を提供する、リエントラント形状および他の形状が典型的である。この様式において、誘電支持部材は正しい位置に機械的に固定されることとなり、そして外部導体壁からの引き離しについて、非常に低減された可能性を有する。図示された構造は単一のアンカー部分をその一端部に含むが、複数のアンカー、例えば誘電支持体のそれぞれの端部における、が考えられる。任意の特定の理論により拘束されることを望むものではないが、機械的な固定効果を提供することに加えて、アンカー固定構造が、露光および現像過程における応力を低減させる結果として付着性を改良すると考えられる。また、製造過程における熱的に引き起こされた応力は、例えば、鋭い角部を取り除いて曲線形状、例えば図１９Ｂや図１９Ｇを使用することによって改良されることができる。
ある用途については、最終的な伝送路構造を、その構造が取り付けられている基体から取りはずすことが有利であることもある。これにより、解放された相互接続ネットワークの両端部で、他の基体、例えば、ガリウムヒ素ダイ、例えば、モノリシックマイクロ波集積回路または他のデバイスに結合することが可能となる。基体からの構造体の取り外しは、様々な技術、例えば、構造体を完成させた後に、適切な溶媒中で取り除くことができる基体とベース層の間の犠牲的層の使用により成し遂げることができる。犠牲的層に適切な材料には、例えば、フォトレジスト、選択的にエッチング可能な金属、高温ワックスおよび様々な塩が含まれる。
例示した伝送路は金属化された開口部を有する誘電支持部材上に形成された中心導体を含むが、金属化された開口部を有する誘電支持部材が下層の誘電支持部材に加えて更に中心導体上に形成されたり、下層の誘電支持部材の代わりに中心導体上に形成されたりすることも考えられ、それを図２０Ａおよび図２０Ｂに示す。なお、図２０Ａには非リエントラント金属化開口部が、図２０Ｂにはリエントラント金属化開口部が示されている。更に、誘電支持部材は、中心導体内に、例えば分割した中心導体内に、様々な形状を用いて、例えばプラス（＋）型、Ｔ型、ボックス型あるいは図１６および図１９に示す形状で配置されることもできる。
本発明の伝送路は、典型的には、断面が正方形である。しかしながら、他の形状も考えられる。例えば、他の矩形の伝送路は、伝送路の幅と高さを異ならしめることを除いて、正方形の伝送路を形成するのと同じ方法で得られることができる。丸くした伝送路、例えば円形や部分的に丸みのついた伝送路は、グレースケールのパターン形成の使用により形成されることができる。かかる丸くした伝送路は、例えば、垂直の変化については従来のリソグラフィを通じて作られることができ、接続インターフェースなどを作るために、より簡単に外部のマイクロ同軸導体に連結して使用されることができる。上述したように複数の伝送路は積層配置で形成されることができる。積層配置は各積層を通して逐次的構築プロセスの連続により達成されることができ、または伝送路を別個の基体上で予め形成し、剥離層を使用してそのそれぞれの基体から伝送路構造体を分離して、該構造体を積層することによって達成されることができる。かかる積層構造体を、はんだまたは導電性接着剤の薄層で結合することができる。理論上は、上述のプロセス工程を使用して積層することができる伝送路の数に制限はない。しかしながら、実際は、層の数は、厚さおよび応力の扱う能力、並びに各追加の層に関連するレジスト除去によって制限されるであろう。
三次元微細構造体とその形成方法を例示した伝送路を参照して説明してきたが、金属微細構造体要素を誘電微細構造体要素に固着させるために微細加工プロセスを使用することから恩恵を受けうる多様な技術分野に、本微細構造体および方法が広く適用可能であることは明らかであろう。本発明の微細構造体および方法は、例えば、以下の産業：マイクロ波およびミリ波のフィルタや結合器における電気通信産業；レーダおよび衝突回避用システム並びに通信システムにおける航空宇宙産業および軍事産業；圧力センサおよびロールオーバーセンサにおける自動車産業；質量分析計およびフィルタにおける化学産業；フィルタ、マイクロ流体デバイス、外科器具および血圧センサ、気流センサおよび聴力センサにおける生命工学並びに生物医学産業；並びに画像安定器、高度センサおよびオートフォーカスセンサにおける家庭用電子機器産業での使用を見いだす。
本発明をその特定の実施形態を参照し詳細に説明してきたが、特許請求の範囲を逸脱することなく、様々な変更や修正がなされ得ること、および同等物が使用され得ることは当業者には明らかであろう。
既知の同軸伝送路微細構造体の側断面図を示す。 本発明に従った典型的な三次元微細構造体の側断面図を示す。 本発明に従った、形成のある段階での、図２の三次元微細構造体の側断面図および上面図を示す。 本発明に従った、形成のある段階での、図２の三次元微細構造体の側断面図および上面図を示す。 本発明に従った、形成のある段階での、図２の三次元微細構造体の側断面図および上面図を示す。 本発明に従った、形成のある段階での、図２の三次元微細構造体の側断面図および上面図を示す。 本発明に従った、形成のある段階での、図２の三次元微細構造体の側断面図および上面図を示す。 本発明に従った、形成のある段階での、図２の三次元微細構造体の側断面図および上面図を示す。 本発明に従った、形成のある段階での、図２の三次元微細構造体の側断面図および上面図を示す。 本発明に従った、形成のある段階での、図２の三次元微細構造体の側断面図および上面図を示す。 本発明に従った、形成のある段階での、図２の三次元微細構造体の側断面図および上面図を示す。 本発明に従った、形成のある段階での、図２の三次元微細構造体の側断面図および上面図を示す。 本発明に従った、形成のある段階での、図２の三次元微細構造体の側断面図および上面図を示す。 本発明に従った、形成のある段階での、図２の三次元微細構造体の側断面図および上面図を示す。 本発明に従った、形成のある段階での、図２の三次元微細構造体の側断面図および上面図を示す。 本発明に従った、典型的な、三次元微細構造体誘電要素および開口部の側断面図を示す。 本発明に従った、典型的な、三次元微細構造体誘電要素および開口部の側断面図を示す。 本発明に従った、典型的な、三次元微細構造体誘電要素および開口部の側断面図を示す。 本発明に従った、典型的な、三次元微細構造体誘電要素および開口部の側断面図を示す。 本発明のさらなる実施態様に従った、典型的な、三次元微細構造体の側断面図を示す。 本発明のさらなる実施態様に従った、典型的な、三次元微細構造体の側断面図および上面図を示す。 本発明に従った、典型的な、三次元微細構造体誘電要素および開口部の部分上面図を示す。 本発明に従った、典型的な、三次元微細構造体の側断面図を示す。 本発明に従った、典型的な、三次元微細構造体の側断面図を示す。
符号の説明
２０２ 三次元伝送路微細構造体
２０４ 基体
２０６ 外部導体
２０８ 中心導体
２１０’誘電支持部材
２１２ 導電性ベース層
２１４ 導電性層
２１６ 導電性層
２１８ 導電性層
２２０ 導電性層
２２２ 中心導体と外部導体の間を占める容積
２２４ 開口部
２２６ａ 第一犠牲的層
２２６ｂ 第二犠牲的層
２２６ｃ 犠牲的感光性材料
２２６ｄ 第四犠牲的材料層
２２６ｅ 第五犠牲的材料層
２２７ パターン
２２８ パターン
２３０ パターン
２３２ パターン
２３４ 第一シード層
２３６ 第二シード層
２３８ パターン
２４０ パターン
２４２ 支柱
２４４ 外部導体と伝送路コアの開口
２４６ 「Ｔ」字型

Claims (10)

  1. 逐次的構築プロセスによって形成される三次元微細構造体であって、
    誘電材料を含み、かつ少なくとも部分的にそれを通って伸びる開口部を有する第一微細構造要素；
    金属材料を含む第二微細構造要素；
    第一微細構造要素を第二微細構造要素に固着させる、開口部内の金属材料；および
    第一微細構造要素および／または第二微細構造要素が露出される非固体容積：
    を含む三次元微細構造体。
  2. 基体をさらに含み、第一および第二微細構造要素が基体上に配置される、請求項１記載の三次元微細構造体。
  3. 微細構造体が同軸伝送路を含み、当該同軸伝送路が中心導体、外部導体、および当該中心導体を支持するための誘電支持部材を含み、誘電支持部材が第一微細構造要素であり、並びに内部導体および／または外部導体が第二微細構造要素である、請求項１記載の三次元微細構造体。
  4. 非固体容積が真空または気体状態下にあり、および中心導体と外部導体との間に配置される、請求項３記載の三次元微細構造体。
  5. 同軸伝送路が概して矩形の同軸形状を有する、請求項３記載の三次元微細構造体。
  6. 開口部が、第一微細構造要素の第一表面から第二表面まで、第一微細構造要素を完全に通って伸びる、請求項１記載の三次元微細構造体。
  7. 開口部がリエントラント形状である、請求項１記載の三次元微細構造体。
  8. 第二微細構造要素の金属材料と開口部内の金属材料が同じ材料である、請求項９記載の三次元微細構造体。
  9. 基体上に複数の層を配置すること、ここで当該層は、誘電材料の層、金属材料の層および犠牲的材料の層を含む；
    誘電材料を含み、かつ少なくとも部分的にそれを通って伸びる開口部を有する第一微細構造要素を形成すること；
    金属材料を含む第二微細構造要素を形成すること；
    開口部内に金属材料を堆積させ、第一微細構造要素を第二微細構造要素に固着させること；並びに
    犠牲的材料を除去して、第一微細構造要素および／または第二微細構造要素が露出される非固体容積を形成すること：
    を含む、逐次的構築プロセスにより三次元微細構造体を形成する方法。
  10. 微細構造体が同軸伝送路を含み、当該同軸伝送路が中心導体、外部導体、および当該中心導体を支持するための誘電支持部材を含み、誘電支持部材が第一微細構造要素であり、並びに内部導体および／または外部導体が第二微細構造要素である、請求項９記載の方法。
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