JP2010171325A

JP2010171325A - 立体配線構造体およびその製造方法

Info

Publication number: JP2010171325A
Application number: JP2009014284A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Mizuno; 豪水野
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2009-01-26
Filing date: 2009-01-26
Publication date: 2010-08-05

Abstract

【課題】スルーホールやパターン穴など、サンドブラスト加工面に基板材料の性能を劣化させることなく密着力の強い電極膜を形成する立体配線構造体およびその製造方法を提供する。
【解決手段】単結晶材料にサンドブラスト加工によりに複数のスルーホール乃至パターン穴を形成し、その単結晶材料の摂氏温度基準で融点の８０〜９５％の温度で熱処理をし、その後、単結晶材料の少なくとも一主面及びスルーホール乃至パターン加工面に電極膜１３を形成するよう構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、力学量を検出するセンサデバイス用素子、時間制御や基準電気信号を発生する発振器用素子、任意の周波数帯域の電気信号を検出するフィルタ用素子、また、それらの素子を構成する立体配線構造体およびその製造方法に関するものである。

例えば、ビデオカメラの手ぶれ補正装置やロボットの姿勢制御装置などの分野において、物体に作用する力学量を検出するためのセンサデバイス、また、電子機器、電気通信機器の分野において時間制御や基準電気信号を発生させるための発振器デバイス、また、電話機や無線機の分野において任意の周波数帯域の電気信号を検出するフィルタデバイスなど、様々な工業分野のデバイス用素子、基板として単結晶材料が用いられている。

センサデバイスの１つに、例えば、圧電単結晶基板を加工して形成される圧電振動ジャイロ、発振器デバイスの１つに、例えば、水晶基板を加工して形成される水晶振動子がある。

これらのデバイスの素子は、近年、高性能化及び小型化を図る上で、単結晶材料基板にフォトリソ技術等を用いた微細加工を施し、振動体となる梁（ビーム）部と固定部（フレーム）とを一体的な構造とすることが多くなっている。また、素子効率の向上や素子実装の集積化を図る上で、素子の電気配線は複雑化してきており、梁部を形成するために複雑形状のパターン穴への配線や外部出力端子用のスルーホールへの配線、即ち立体配線構造の必要性が高まっている。単結晶材料基板の加工方法に関して、先行技術に特許文献１や特許文献２がある。

先行技術である特許文献１は、セラミックス基板にサンドブラスト加工でスルーホール加工すると記述されている。また、特許文献２は、セラミックス基板にレーザー加工でスルーホールを形成し、その後、サンドブラスト加工で形成されたレーザー加工面を研磨すると記述されている。

近年の単結晶材料基板の加工方法にはフォトリソ技術を併用したパターニング加工が主流である。化学的エッチング加工や超音波加工など種々の加工方法があるが、セラミックス砥粒を物理的に高速衝突させて加工するサンドブラスト加工は化学的エッチング加工に比べて加工能力が大きいため加工時間短縮ができ、装置も安価である。

サンドブラスト加工は、化学的エッチング加工が非常に困難な化学的安定性のある単結晶材料に対しての加工方法に用いられている。また、単結晶材料をサンドブラスト加工で加工した加工表面は、砥粒衝突による残留応力が付与された変質層となる。例えば、特許文献３には、セラミック焼結体を常温でショットブラスとすることにより、表面の結晶組織を塑性変形させて残留応力を付与し、且つ、熱処理することにより、微小亀裂を再結晶させると破壊靭性が格段に向上することが記述されている。

特開２０００−２２３８１０号公報特開２００１−１１１１９７号公報国際公開第０２／０２４６０５号

しかしながら、上記の従来技術である特許文献１、特許文献２の方法で加工して、それに例えばスパッタや蒸着等の手法でサブミクロンオーダーの厚みの薄膜電極膜を形成し、立体配線構造をとった場合、サンドブラスト加工面には微小亀裂が発生したり、加工表面が粗いことから、形成する電極膜の密着力が不十分となり、電極膜の剥離が発生する問題が生じていた。

また、特許文献３記載の技術であるサンドブラスト加工より大き目の砥粒径１００μｍ以下を用いるショットブラスト加工を行い、焼結温度の１／２以上の温度で熱処理を電極成膜工程前に施すことを試した場合、比較的容易に基板全体の強靭化は確認できたものの、加工表面の粗さが改善されず電極膜密着力の信頼性を十分確保するまでに至らなかった。

本発明の技術的課題は、上記課題を解決するため、スルーホールやパターン穴などに、基板材料の性能を劣化させることなく密着力の強い電極膜を形成する立体配線構造体およびその製造方法を提供することにある。

本発明は、単結晶材料が基材となる基板にサンドブラスト加工により複数のスルーホール乃至パターン穴を形成する。その後、前記単結晶材料の基板の融点の８０〜９５％の温度で熱処理を行う。その後、単結晶材料の少なくとも一主面及びスルーホール乃至パターン加工面に電極膜を形成するよう構成する。

本発明によれば、単結晶材料が基材となる基板にサンドブラスト加工により複数のスルーホール乃至パターン穴を形成し、その後、前記基板の融点の８０〜９５％の温度で熱処理を行い、その後、前記基板の少なくとも一主面及び該スルーホール乃至該パターン穴加工面に電極膜を形成することを特徴とする立体配線構造体が得られる。

本発明によれば、前記基板に圧電単結晶材料を使用したことを特徴とした立体配線構造体が得られる。

本発明によれば、単結晶材料が基材となる基板にサンドブラスト加工により複数のスルーホール乃至パターン穴を形成する工程と、その後、前記基板の融点の８０〜９５％の温度で熱処理をする工程と、その後、前記基板の少なくとも一主面及び該スルーホール乃至該パターン穴加工面に電極膜を形成する工程を備えたことを特徴とする立体配線構造体の製造方法が得られる。

本発明によれば、前記基板に圧電単結晶材料を使用することを特徴とした立体配線構造体の製造方法が得られる。

本発明により、単結晶材料にサンドブラスト加工の後、融点の８０〜９５％の温度での熱処理工程を行うことで、サンドブラスト加工で形成したスルーホール及びパターン穴の加工表面の微小亀裂の治癒及び、微小粗さの低減化ができ、その後の電極形成で形成する電極膜の密着力が上がり、材料特性を劣化させることなく、製造歩留りが改善することができる立体配線構造体およびその製造方法の提供が可能となった。

本発明の立体配線構造体およびその製造方法の説明図。本発明の実施例の振動子の図、図２（ａ）は上面図、図２（ｂ）は断面図。

本発明の立体配線構造体およびその製造方法は、単結晶材料にサンドブラスト加工により複数のスルーホール乃至パターン穴を形成し、熱処理温度（ｔｈ℃）を単結晶の融点（ｔｍ℃）の８０〜９５％の温度、即ち０．８０ｔｍ≦ｔｈ≦０．９５ｔｍで熱処理を行う。その後、単結晶材料の少なくとも一主面及びスルーホール乃至パターン加工面に電極膜を形成するよう構成する。その単結晶材料が電気劣化を起こさない温度での熱処理を行うことが望ましい。例えば、圧電単結晶材料の場合は、キュリー温度以上で熱処理を行うと分極反転が起こる場合があるので、前記の範囲がキュリー温度と重なるような場合は、前記の温度範囲内でキュリー温度以下の温度で熱処理を行うことが望ましい。

スルーホール乃至パターン穴を形成するサンドブラスト加工は、１０μｍ以下の砥粒の噴射が可能なサンドブラスト装置で行うことが望ましい。単結晶基板のサンドブラスト加工面等の電極膜を形成する表面を滑らかにして電極膜の密着性を上げるための熱処理には、単結晶基板に大気中、窒素雰囲気中、真空中のいずれかでの雰囲気での熱処理可能な熱処理装置が望ましい。電極膜パターンの形成は、単結晶材料表面に電極膜のパターンレジストマスクを形成した後、成膜するリフトオフ法、或いは電極膜を単結晶材料基板に全体成膜後にパターンマスク電極膜を選択的に削除するエッチング法のどちらでも適用可能である。

例えば、サンドブラスト加工及び電極形成の際のパターンマスク形成には、ドライフィルムレジストではなく、液体レジストや電着レジストを選択してもよい。また、電極膜の形成はスパッタ法ではなく、蒸着法、めっき法を選択してもよい。

以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。

図１は本発明の立体配線構造体およびその製造方法の説明図である。図１（ａ）の１０は圧電単結晶材料基板を示しており、本実施例ではニオブ酸リチウムウエハ基板（３インチ丸型）１０を用いる。尚、ニオブ酸リチウムの融点は約１２５０℃であり、電気機械結合係数が高いことでよく知られている材料である。また、ニオブ酸リチウムウエハ基板１０の結晶方位はＸ板を使用した。図１（ｂ）に示すように、ニオブ酸リチウムウエハ基板１０表面上にサンドブラスト用ドライフィルムレジスト１１（東京応化製ＢＦシリーズ）をラミネーター装置（大成ラミネータ製ラミネーター）で熱圧着ラミネートし、０．１ｍｍのラインアンドスペースのパターン穴とφ０．１ｍｍのスルーホール用レジストマスクをフォトリソ技術で形成する。図１（ｃ）に示すように、サンドブラスト加工装置（新東ブレーター製マイクロブラスターＭＢシリーズ）を用いてサンドブラスト用砥粒１２（ＧＣ＃１０００粒径約１１〜１３μm）で貫通乃至穴あけ加工し、図１（ｄ）に示すようにサンドブラスト用ドライフィルムレジスト１１を剥離液（水酸化ナトリウム水溶液）に浸漬して剥離する。

次いで図１（ｅ）に示すように熱処理装置（ヤマト科学製）にサンドブラスト加工したニオブ酸リチウムウエハ基板１０を入れ、大気中にて室温から１１００℃まで２時間で昇温し、２時間保持、２時間で室温まで冷却し、熱処理を行う。図１（ｆ）に示すように、スパッタ装置（アネルバ製ＳＰＦシリーズ）で真空度２．０×１０^-4Ｐａまで排気した後、電極膜１３（クロムを下地として０．０３μｍ成膜後、金を０．１７μｍ成膜）を形成する。次いで、図１（ｇ）に示すように、エッチング用ドライフィルムレジスト１４（日立化成製ＲＹシリーズ）をラミネーター装置（大成ラミネータ製ラミネーター）で熱圧着ラミネートし、選択的に電極膜１３を保護乃至削除可能であるレジストマスクを形成し、図１（ｈ）に示すように金エッチャント（ヨウ素とヨウ化カリウム混合液）で選択的に金を削除し、クロムエッチャント（関東科学製エッチング液）で選択的にクロムを削除し、図１（ｉ）に示すようにエッチング用ドライフィルムレジスト１４を剥離液（水酸化ナトリウム水溶液）で剥離する。

また、本実施例の効果をよりわかりやすくするため、図１（ｅ）に示す熱処理の温度を、なし、６２０℃、９５０℃、１０００℃、１１００℃、１１９０℃、１２５０℃の７種類に変えて評価を行った。電極形成後にニオブ酸リチウムウエハ基板１０を個片分割し、図２に示す形状及び電極膜パターンの振動子２０を作製した。作製した振動子２０は先ず始に容量比γを測定し、その後、２６０℃、１０回のヒートサイクル試験を実施し試験前後の断線故障率を評価し、最後に抗折強度を評価比較した。その結果を表１に示す。

図２は、本発明の実施例の振動子の図、図２（ａ）は上面図、図２（ｂ）は断面図である。振動子は、固定部（フレーム）２１と片持ち梁（ビーム）２２がニオブ酸リチウムで一体的に構成されており、主面で且つビームに平行に電極２３ａ、２３ｂ、２４ａ、２４ｂが形成されている。電極２３ａと電極２３ｂはフレーム２１端面スルーホール２５で短絡し１端子とし、同様に電極２４ａと電極２４ｂはフレーム２１端面スルーホール２６で短絡し１端子としてある。また、容量比γの測定は、前述の２端子間に交流電圧を印加し、ビ−ム２２が１次の屈曲振動をする共振周波数近傍の帯域のインピーダンス周波数特性から算出した。更に抗折強度はフレーム２１を固定した状態でビーム２２に荷重を印加しビーム２２が破損する荷重を抗折強度とした。

表１に示すように、熱処理温度が融点の７５％以下即ち９５０℃以下では断線故障が発生するのに対し、８０％以上即ち１０００℃以上ではヒートサイクル試験前後に関わらず断線故障が発生しないことがわかる。断線故障は全てブラスト加工を施した加工面の電極が剥離したことで発生したものであった。図示しないが、各温度の熱処理品のブラスト加工面を電子顕微鏡で観察すると、融点の７５％の温度の熱処理から加工面が若干滑らかになっており、８０％以上の温度の熱処理から、加工面には大きなうねりはあるものの、あたかもポリシング加工を施したかのようなナノレベルの平坦性が確認できた。また、融点の９５％を超える温度での熱処理は、熱変形が大きくなるため、適さない。

また、融点の９５％即ち１１９０℃までの熱処理温度では、容量比γが約２００で特性的な変化は無く、融点の１２５０℃では容量比γが約３２０を示し、約１．５倍の効率劣化が確認できた。これは、部分的に分極反転が生じ特性劣化につながったものと思われる。

更に、抗折強度を測定した結果、融点の５０％程度から抗折強度の向上が確認でき、熱処理温度を上げるに伴い更に抗折強度が向上する結果となった。従い、圧電単結晶材料の電気的性能を劣化させることなく、スルーホールやパターン穴など、サンドブラスト加工面に密着力の強い電極膜を形成する製造方法として、単結晶材料にサンドブラスト加工の後、融点の８０〜９５％の熱処理工程を行い、その後、電極を成膜する工法が従前の工法と比較し優れていることが言える。

以上、本発明をその好適な実施の形態、実施例に基づいて説明したが、本発明の製造方法は上述した実施の形態と実施例のみに制限されるものではなく、本願発明の要旨を変更しない範囲で種々の変化を施した製造方法も、本発明の範囲に含まれる。

本発明は、センサデバイス用素子、発振器用素子、フィルタ用素子の製造分野での利用が可能である。

１０ニオブ酸リチウムウエハ基板
１１サンドブラスト用ドライフィルムレジスト
１２サンドブラスト用砥粒
１３電極膜
１４エッチング用ドライフィルムレジスト
２０振動子
２１固定部（フレーム）
２２片持ち梁（ビーム）
２３ａ、２３ｂ電極
２４ａ、２４ｂ電極
２５、２６スルーホール

Claims

単結晶材料が基材となる基板にサンドブラスト加工により複数のスルーホール乃至パターン穴を形成し、その後、前記基板の融点の８０〜９５％の温度で熱処理を行い、その後、前記基板の少なくとも一主面及び該スルーホール乃至該パターン穴加工面に電極膜を形成することを特徴とする立体配線構造体。
前記基板に圧電単結晶材料を使用したことを特徴とする請求項１に記載の立体配線構造体。
単結晶材料が基材となる基板にサンドブラスト加工により複数のスルーホール乃至パターン穴を形成する工程と、その後、前記基板の融点の８０〜９５％の温度で熱処理をする工程と、その後、前記基板の少なくとも一主面及び該スルーホール乃至該パターン穴加工面に電極膜を形成する工程を備えたことを特徴とする立体配線構造体の製造方法。
前記基板に圧電単結晶材料を使用することを特徴とする請求項３に記載の立体配線構造体の製造方法。