JP4139891B2

JP4139891B2 - Method for manufacturing RF module

Info

Publication number: JP4139891B2
Application number: JP2003077286A
Authority: JP
Inventors: 敬章鶴見; 純明渡; ソンミンナン
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2003-03-20
Filing date: 2003-03-20
Publication date: 2008-08-27
Anticipated expiration: 2023-03-20
Also published as: WO2004100625A1; JP2007173257A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、受動部品であるキャパシター、レジスター、インダクターを一つのモジュール内に集積化したＲＦモジュールの作製方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子機器の小型化、高周波化にともない受動部品であるキャパシター、レジスター、インダクターを一つのモジュール内に集積化した集積化ＲＦモジュールを作製するための従来技術として、ＬＴＣＣ（Low Temperature Cofired Ceramics：セラミックス部材の低温同時焼成法）を用いる方法（例えば、非特許文献１、非特許文献２参照）や、セラミックス粒子をポリマー中に分散したポリマーコンポジットを利用する方法がある。
【０００３】
【非特許文献１】
今中佳彦、高周波用ＬＴＣＣ材料、マテリアルインテグレーション、Vol.15,No.12,44-48 (2002)
【非特許文献２】
セラミックス電子部品・材料の技術開発、監修山本博孝、第３章高周波部品著者萬代治文、中井信也、常野宏シー・エム・シー (2000)
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＬＴＣＣ技術においては、焼成時の異種物質間の拡散や反応、焼成収縮の違いによる基板そりや剥離、熱膨張率差による内部ひずみなど、多くの問題点が存在する。例えば、ＬＴＣＣでは、モジュール内部でのノイズ、外部に対し発生するノイズ、および、外部からのノイズに対して、有効な対策を講じることはできない。また、ＬＴＣＣでは、焼結による材料収縮をさけることが原理的に不可能で寸法精度の確保が困難で、特性周波数の調整やインピーダンス整合を採るのが困難になる。さらに、この技術では能動デバイスをモジュール内部に三次元実装することは不可能である。これらの問題はセラミックスを室温で形成することができれば全て解決可能である。
【０００５】
一方、ポリマーコンポジットでは、室温成形が可能なために上述のＬＴＣＣによる問題点は回避できるものの、セラミックスをポリマーに分散させるため、セラミックス本来の高い物性を引き出すことができない。一例として、高誘電率材料であるＢａＴｉＯ₃をポリマーに分散した材料では、ＢａＴｉＯ₃の比誘電率が３０００を越えるにもかかわらず、ポリマー分散後の比誘電率は１００にも満たないのが現状である。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、請求項１に係る発明は、受動部品であるキャパシター、レジスター、インダクターを一つのモジュール内に集積化したＲＦモジュールの作製方法であって、任意形状のＡｌ薄板である金属ベース上に、エアロゾルデポジション法によりＡｌ₂Ｏ₃微粒子を用い室温で厚さ１〜５０〔μｍ〕の厚さの絶縁膜を形成することにより、表面粗さが１０〔ｎｍ〕以上で、尚且つ高周波領域での伝送特性の劣化が起こらない範囲に抑制した絶縁膜と成し、この絶縁膜上にマイクロストリップラインを含む二次元回路を形成し、前記マイクロストリップラインは、絶縁膜上にマイクロストリップライン用のＰｔ下地配線を形成し、該Ｐｔ下地配線上にのみ電界を印加して銅をメッキすることで形成するようにしたことを特徴とする。
【０００７】
また、請求項２に係る発明は、上記請求項１に記載のＲＦモジュールの作製方法において、前記マイクロストリップラインは、電界メッキの電流密度を１０ ^-3 〜５０×１０ ^-3 〔Ａ／ｃｍ 2 〕の範囲で正確に制御すると共にメッキ速度を１分間に０．１〔μｍ〕〜１〔μｍ〕の範囲に抑えた状態で、Ｐｔ下地配線上にのみ電界を印加して銅をメッキすることで形成するようにしたことを特徴とする。
【０００８】
また、請求項３に係る発明は、上記請求項１又は請求項２に記載のＲＦモジュールの作製方法において、前記絶縁膜は、比誘電率が５〜１０、厚みが５〜３０〔μｍ〕となるように形成し、前記マイクロストリップラインの線路幅を５〜４０〔μｍ〕として、特性インピーダンスが５０〔Ω〕のマイクロストリップラインを形成するようにしたことを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
次に、添付図面に基づいて、本発明に係るＲＦモジュールとその作成方法の実施形態を説明する。
【００１０】
本実施形態に係るＲＦモジュールは、セラミックスの低温成形プロセスであるＡＤ（Aerosol Deposition）法（後に詳述）を用いて、集積化ＲＦモジュール用の基板と、その上の絶縁膜（静電容量の大きな絶縁物を用いて誘電体膜としても良い）等を形成するものである。ＡＤ法を用いて作製した集積化ＲＦモジュールの概略構成を図１に示す。このＲＦモジュールは、個別に作製した３つの二次元回路（第１二次元回路１，第２二次元回路２，第３二次元回路３）を積層して復号化したものである。
【００１１】
第１二次元回路１は、厚い金属ベース１１上に絶縁膜１２を形成し、その上にパターン配線１３や既存のチップ部品を実装したり、受動部品を作製（例えば、誘電体を金属膜で挟む形状とすることでキャパシターを作製）した回路基板である。第２二次元回路２は、薄い金属ベース１２上に絶縁膜２２を形成し、その上にパターン配線２３や既存のチップ部品を実装したり、受動部品を作製した回路基板である。第３二次元回路３は、薄い金属ベース３１上に絶縁膜３２を形成し、その上にパターン配線３３やモジュール内に実装できない比較的大きな既存のチップ部品を実装した回路基板である。
【００１２】
上述した第１二次元回路基板１と第２二次元回路基板２と第３二次元回路基板３を、各々絶縁物を介して三次元的に積層した最終的なモジュール形態が図１下部の図である。各層の回路基板はビアホールを介してコンタクトしており、総体としてＲＦモジュールとなる。なお、本実施形態のＲＦモジュールにおいては、各層の金属ベース１１，２１，３１を、例えば、金属製の側壁を設けて導通させ、これを接地することでモジュール内が電気的にシールドされる構造とした。これにより、内部回路は外部ノイズに強いと共に、外部への電波漏洩もないので、ＥＭＣ（Electro Magnetic Compatibility）対策に好適である。また、本実施形態では、３層構造として集積度を高めたが、一層のみの構造としても良い。
【００１３】
図１において、ＲＦモジュールの骨格をなす基板は、Ａｌ，Ｃｕ，ＳＵＳ，Ａｇなどよりなる金属ベース上にＡＤ法により、単純酸化物（例えば、Ａｌ₂Ｏ₃，ＳｉＯ₂，ＭｇＯ，ＺｎＯなど）、複酸化物（例えば、ＳｒＴｉＯ₃，Ｂａ（Ｍｇ_1/3Ｎｂ_2/3）Ｏ₃，Ｂａ（Ｍｇ_1/3，Ｔａ_2/3）Ｏ₃，ＴｉＺｒＯ₄，ＣａＴｉＯ₃，Ｍｇ₂ＴｉＯ₄，ＢａＯ−ＴｉＯ₂など）、それらの混合物あるいは固溶体、窒化物（例えば、ＡｌＮ，Ｓｉ₃Ｎ₄など）を３００℃以下の低温でＡＤ法により厚さ１〜５０〔μｍ〕で堆積させ、金属ベース上に絶縁膜を形成したものである。
【００１４】
上記の様に構成した基板上に、既存のチップ部品を実装したり、微細な配線をＣｕ，Ａｇなどの金属をスパッタリング、化学気相蒸着、スクリーン印刷、インクジェット印刷、メッキなどの方法を用いて形成することにより、ＲＦモジュールと成す。
【００１５】
また、ＡＤ法を用いて誘電体層を形成すれば、室温での成膜が可能で、機械加工で安価に寸法精度が出せる金属材料基板を用いることができる。また、基板上に形成する誘電体膜は、ＰｂＺｒＯ₃−ＰｂＴｉＯ₃，ＢａＴｉＯ₃，ＢａＺｒＯ₃，ＳｒＴｉＯ₃，Ｂａ（Ｍｇ_1/3Ｎｂ_2/3）Ｏ₃，Ｂａ（Ｍｇ_1/3，Ｔａ_2/3）Ｏ₃，ＴｉＺｒＯ₄，ＣａＴｉＯ₃，Ｍｇ₂ＴｉＯ₄，ＢａＯ−ＴｉＯ₂などの複酸化物、それらの混合物あるいは固溶体をスパッタリング、化学気相蒸着、あるいはＡＤ法により形成する。
【００１６】
このように、本実施形態に係るＲＦモジュールは、従来品に対して、１）５０オームのインピーダンス整合を線幅の狭い配線で実現できるため高密度実装化が可能、２）既存のチップ部品と薄膜形成素子の複合化が可能、３）接地された金属でシールドされるため外部ノイズに強く外部に電波を漏らさない、４）多層化したときに内部の二次元回路は金属シールドで囲まれるため、信号の閉じ込め性が良く、信号のクロストークが低減できる、５）二次元回路を作製した後に複合化が可能なため、回路設計の変更が容易で回路開発期間を短縮できる、６）基板となる金属ベースは、プレス加工などにより微細かつ高い形状精度で安価に製造でき、これにより三次元構造化した際の特性インピーダンスの調整を高精度に調整する事ができ、７）金属部材の再利用が可能、などの利点を有する。
【００１７】
上述した本実施形態に係るＲＦモジュールの従来技術に対する利点１）につき詳述する。そもそも、従来のＲＦ回路には、基板としてプリント配線基板を用いたものとＬＴＣＣ法で作製される低誘電率セラミックス基板を用いたものがある。前者では、基板材料であるガラスエポキシの比誘電率が約４で厚みが１００〜２００μｍであるため、特性インピーダンスを５０Ωにするにはマイクロストリップラインの線幅が１００μｍ以上となり、高集積化が困難となる。また、基板材料のガラスエポキシの誘電損失は２．５％とセラミックスと比較し大きく、高周波での特性劣化を招く。
【００１８】
一方、ＬＴＣＣ法では多層基板および配線を８００℃以上の温度で一体焼成するため、能動素子の多層基板内部への三次元実装化は不可能である。誘電体材料は、多層基板内部へ厚膜の形態で実装することはできるが、基板材料と焼成収縮、熱膨張係数を一致させるためガラス等の添加物を加えることとなり、低誘電率材料では誘電損失の増加、高誘電率材料では誘電率の低下を招来する。
【００１９】
これに対して、本実施形態のＲＦモジュールでは、基板（金属ベース）上にＡＤ法でセラミックス膜（絶縁膜）を形成した基板材料を用いるので、誘電損失はアルミナの場合で約０．５％とガラスエポキシよりも格段に向上する。また、形成するセラミックス膜の比誘電率は５〜１０、厚みは５〜３０μｍであるため、特性インピーダンスが５０Ωでのマイクロストリップ線路幅は５〜４０μｍとなる。すなわち、本実施形態に係るＲＦモジュールでは、５０Ωのインピーダンス整合を線幅の狭い配線で実現でき、高集積化が可能となる。
【００２０】
このように、ＡＤ法は室温でのセラミックス膜形成が可能なため、温度耐性のない能動素子を多層基板内部に実装することができる。誘電体材料の多層基板内部への実装においても、焼成工程を経ないため、ガラス等の添加を必要とせず、セラミックス誘電体本来の高い特性（テ損失、高誘電率）をそのまま使うことができる。
【００２１】
ここで、従来製品のプリント配線基板上に作製した従来のマイクロストリップラインを特性インピーダンス５０Ωとする場合と、本実施形態のＲＦモジュールの如く金属ベース上に形成したセラミックス膜上のマイクロストリップラインを特性インピーダンス５０Ωとする場合との比較を図２（ａ）に示す。従来品では、絶縁体層（誘電体層）の厚みを薄くできないため、マイクロストリップラインの線幅は、狭くても３５０μｍもの線幅を要するのに対して、ＡＤ法で作製した基板では、Ａｌ₂Ｏ₃の厚みを１０μｍまで薄くできるため、マイクロストリップラインの線幅を１０μｍオーダー程度と狭くしてもインピーダンス整合が可能であり、高集積化に極めて有利なことが理解できよう。
【００２２】
また、従来のＬＴＣＣ法で配線形成に利用されるスクリーン印刷法で形成したマイクロストリップラインの断面形状と、銅メッキ法で形成したマイクロストリップラインの断面形状との比較を図２（ｂ）に示す。スクリーン印刷法では、断面形状を矩形にすることは不可能であり、これは高周波における伝送特性を劣化させる原因となる。これに対し、メッキ法によれば矩形の断面を持つマイクロストリップラインの形成が可能である。さらに、スクリーン印刷法では現時点での最小線幅は３０μｍ程度であるが、メッキ法では１０μｍ以下の線幅でマイクロストリップラインを形成することができる。このことから、メッキ法によるマイクロストリップラインの形成は、高集積化および高周波帯における伝送特性の向上という２つの利点を有する。
【００２３】
更に、本実施形態に係るＲＦモジュールで用いた金属ベースは、良好な導電特性、熱拡散特性と共に機械的な強度を有する必要があり、このためには金属ベースに一定以上の厚みを持たせなければならないものの、二次元回路を多層化した場合のモジュール寸法としては、全体の厚みが抑制されて薄くできるという特長もある。例えば、モジュールの厚みの限界を３ｍｍとし、３〜１０層の多層化を考えると、基板厚みは５０〜５００μｍ程度となる。また、誘電体厚みは、誘電体の比誘電率とマイクロストリップ線路の幅から、特性インピーダンス５０Ωという条件で決定されるため、比誘電率を５〜２０、マイクロストリップ線路幅を５〜５０μｍとすると、膜厚は２〜４０μｍ程度となる。
【００２４】
【実施例】
ここで、上述した構造のＲＦモジュールの作製についての実施例を、他の技術を用いた場合と対比しつつ詳細に説明する。本実施例での概要は、Ａｌ上にＡｌ₂Ｏ₃膜をＡＤ法により形成し、その上に電解Ｃｕメッキにより微細な配線（マイクロストリップライン）を形成したものである。
【００２５】
［エアロゾルデポジション（ＡＤ）法によるＡｌ₂Ｏ₃厚膜の作製］
文献（J. Akedo and M. Lebedev, Recent Res. Devel. Mat. Sci., 2 (2001) 51.,Maretria Japan, 41 (2002) 51 [in japanese]）記載のエアロゾルデポジション（ＡＤ）法によるＡｌ₂Ｏ₃厚膜作製を行った。成膜装置の概略構成を図３に示す。原料粉末として、次のような５種類のα−Ａｌ₂Ｏ₃微粒子を使用した。ＳＧ１６０ＡとＳＧ１６０Ｂ（平均粒径０．４μｍ、純度９９．８％、昭和電工株式会社）、そしてＡＡ−１、ＡＡ−０２、ＡＡ−０４（平均粒径１μｍ、０．２μｍ、０．４μｍ、純度９９．９９％、住友化学株式会社）を原料粉末として、ガラス板、金属Ａｌ板、金属Ｃｕ板を基板として用い、原料粉末と基板の最適化の実験を行った。
【００２６】
エアロゾルデポジション法による成膜工程は次のようである。原料粉末をエアロゾルチャンバーに封入し、真空装置で成膜チャンバーとエアロゾルチャンバーを真空に引き、Ａｌ₂Ｏ₃微粒子の表面に付着している水分を除去する。エアロゾルチャンバーを振動撹拌装置に設置し、エアロゾルチャンバーごと振動させＡｌ₂Ｏ₃微粒子が拡散した状態を作る。流速制御されたＨｅガスによってＡｌ₂Ｏ₃微粒子を成膜チャンバー内のノズルの方まで運搬し、そのノズルから噴射することによりＡｌ₂Ｏ₃微粒子が加速されて基板に衝突することによって室温で成膜を行った。
【００２７】
基板ホルダーは自動送り装置で一定速度でスキャニングさせ目的面積のＡｌ₂Ｏ₃厚膜を成膜できるようにした。表１にＡｌ₂Ｏ₃厚膜の成膜条件を示す。
【００２８】
【表１】

【００２９】
成膜したＡｌ₂Ｏ₃厚膜の厚さは、膜厚計と断面ＳＥＭ（Scanning Electron Microscope,JSM-550, JEOL）観察で得られた。また、原料粉末とＡｌ₂Ｏ₃厚膜の微細構造はＳＥＭ観察により行った。相の同定や結晶性はＸＲＤ（RINT2100V/PC, Rigaku）を用い調べた。誘電特性はＩｍｐｅｄａｎｃｅＡｎａｌｙｚｅｒ（HP4194A, Hewlett Packard）を用い１ｋＨｚ〜１０ＭＨｚの周波数範囲で測定した。
【００３０】
［電解メッキ法によるＡｌ₂Ｏ₃厚膜上への微小マイクロストリップラインの作製］
上述したエアロゾルデポジション法により成膜したＡｌ₂Ｏ₃厚膜の上に電子線リソグラフィーとＣｕ電解メッキを用い微細マイクロストリップの作製を行った。特性インピーダンスが５０Ωとなる微細マイクロストリップ寸法を正確に決定するため電磁界解析ソフト（Sonnet Suite 8.0, High Frequency Electromagnetic Analysis Software, Sonnet Software,Inc.）を用いた。
【００３１】
その後、マイクロストリップラインの形成を次の手順のように行った。洗浄したＡｌ₂Ｏ₃厚膜基板上にスピンコーターを用いてレジストコートし、電子線リソグラフィーでパターニングした後、Ｐｔをスパッタし、Ｌｉｆｔ−Ｏｆｆ法でＣｕ電解メッキにおける陰電極を形成する。その後、電解メッキ装置（ミッツ株式会社製）を用い、Ｃｕ電解メッキを施した。均一なＣｕメッキ膜を得るために硫酸銅メッキ液をヒーター制御により常に２５℃の一定温度を保つようにし、ＡｉｒＢｌｏｗによる空気撹拌と陰極電極ごと上下運動させながらＣｕ電解メッキを行った。また、０．１μｍ以下の精度でＣｕメッキ膜厚の制御するため、電流密度を１０^-3〜５０×１０^-3〔Ａ／ｃｍ²〕の範囲で変化させ最適化をした。得られたマイクロストリップラインはレーザー顕微鏡により観察をした。
【００３２】
［Ａｌ₂Ｏ₃厚膜上への１０ＧＨｚ帯のＬｏｗ−ＰａｓｓＬＣ−ｆｉｌｔｅｒの設計］
エアロゾルデポジション法によるＡｌ₂Ｏ₃厚膜の集積ＲＦモジュール用基板としての可能性を検討するため、Ｌｏｗ−ＰａｓｓＬＣ−ｆｉｌｔｅｒのシミュレーションを行った。まず、回路シュミレーションソフト（Microwave Office 2002, Applied Wave Research, Inc.）を用い、ｆｉｌｔｅｒ特性の理論値を求め、Ｌｏｗ−ＰａｓｓＬＣ−ｆｉｌｔｅｒの回路設計を行った。次に、電磁界解析ソフトを用いてエアロゾルデポジション法によるＡｌ₂Ｏ₃厚膜の誘電特性を求め、これを用いてＬＣｆｉｌｔｅｒ素子としてのｆｉｌｔｅｒ特性のシミュレーションを行った。
【００３３】
［ガラス基板上のＡｌ₂Ｏ₃厚膜の成膜］
まず、ＳＧ１６０ＡとＳＧ１６０ＢのＡｌ₂Ｏ₃微粒子を用い、ガラス基板上への室温でのＡｌ₂Ｏ₃厚膜の成膜の最適化実験を行った。ＳＧ１６０ＡのＡｌ₂Ｏ₃微粒子で成膜すると、Ｈｅの流量，エアロゾルチャンバー振動撹拌速度，ノズルと基板との距離などのパラメータを変化させても、図４（ａ）に示すように、圧粉体のようなものしか得られず、ガラス基板に書いた文字が判読できなくなっていた。その反面、ＳＧ１６０ＢのＡｌ₂Ｏ₃微粒子を用いると、図４（ｂ）のような透明の厚膜が得ら、ガラス基板に書いた文字が判読可能であった。その膜厚は約１０μｍである。
【００３４】
その原因を調べるために、ＳＧ１６０ＡとＳＧ１６０ＢのＡｌ₂Ｏ₃微粒子をＳＥＭで観察を行ったところ、図５に示すように、ＳＧ１６０ＡのＡｌ₂Ｏ₃微粒子はＳＧ１６０ＢのＡｌ₂Ｏ₃微粒子と比べ、平均粒径は変わらないものの、１００μｍ程度に大きく凝集しているのが分かった。微粒子の凝集体が大きいと、その粉がクッションのような役割をし、運動エネルギーを吸収されて緻密化が出来なかったため、圧粉体のようになったと考えられる。
【００３５】
そこで、ＳＧ１６０ＢのＡｌ₂Ｏ₃微粒子を用い、Ｈｅの流量、エアロゾルチャンバー振動撹拌速度、ノズルと基板との距離などの成膜装置パラメータの最適化を行った。Ｈｅの流量は６〜９〔ｌ／ｍｉｎ〕の範囲ではそれほど成膜速度に影響はなかったが、この範囲よりＨｅ流量が多すぎると、粒子の加速が大きくなり過ぎて、成膜中にガラス基板が割れてしまった。
【００３６】
成膜速度を向上するためには、エアロゾルチャンバー振動撹拌速度を上げることが効果的であったが、振動撹拌速度を３００〔ｒｐｍ〕以上にすると基板が割れる現象が起こる。なお、ノズルと基板との距離も成膜速度に影響するが、１０〜２０〔ｍｍ〕が適切であった。
【００３７】
そこで、適流量値、振動撹拌速度を探したところ、６〔ｌ／ｍｉｎ〕，１６０〔ｒｐｍ〕であった。しかしながら、成膜装置の成膜条件による膜質の著しい向上には至らなかった。
【００３８】
次に、ＡＡ−１、ＡＡ−０２、ＡＡ−０４のＡｌ₂Ｏ₃微粒子を用いて成膜を行った。ＡＡ−１のＡｌ₂Ｏ₃微粒子を用いると、ガラス基板がエッチングされた。その原因としては、平均粒径が１μｍであるため、その運動エネルギーが大きすぎて膜にはならず、ガラス基板までエッチングされることになったと考えられる。ＡＡ−０２のＡｌ₂Ｏ₃微粒子を用いて成膜を行った場合は、成膜後に残留応力で、成膜されたＡｌ₂Ｏ₃厚膜だけが割れてしまった。ＡＡ−０４のＡｌ₂Ｏ₃微粒子を用いて成膜を行った場合は、ＳＧ１６０Ｂに比べて、成膜速度は半分程度に落ちたものの、透明性が良くなった。これは、高い純度のＡｌ₂Ｏ₃微粒子を使ったことに起因すると考えられる。
【００３９】
［金属基板上へのＡｌ₂Ｏ₃厚膜の成膜］
集積化ＲＦモジュール用基板として用いる金属ベースには、ｇｒｏｕｎｄ（接地電極）として機能するように抵抗率の低い金属を使用する必要がある。そこで、ＣｕとＡｌに着目し、ＳＧ１６０ＢのＡｌ₂Ｏ₃微粒子を用い、室温で成膜を行った。Ｃｕを基板として使うと圧粉体と膜との中間の状態のような不均一なものが出来た。一方、Ａｌ基板の場合は均一なＡｌ₂Ｏ₃厚膜が得られた。その断面と平面のＳＥＭ写真を図６に示す。
【００４０】
図６（ａ）は図６（ｃ）の断面形状から分かるように、緻密な厚膜になっていることが確認できる。なお、図６（ａ）はａｓ−ｄｅｐｏの状態の表面であるが、衝撃によるクレータのような跡が表面に一様に分布しているのが観察される。微小マイクロストリップラインを作製するために表面研摩を行うと、図６（ｂ）に示すように、緻密で平坦な表面となった。
【００４１】
上記のようにして室温でＡｌ基板上にエアロゾルデポジション法により作製したＡｌ₂Ｏ₃厚膜の相の同定と結晶性をＸＲＤで分析した結果は、図７に示すように、原料粉末と同じα−Ａｌ₂Ｏ₃相が得られていた。なお、エアロゾルデポジション法により作製したＡｌ₂Ｏ₃厚膜（図７（ｂ））では強度が原料粉末（図７（ａ））より小さくなっているが、それは、数十ｎｍオーダーの結晶子で膜が出来ているからであると思われる。
【００４２】
Ａｌ基板上に作製した厚さが約１０μｍのＡｌ₂Ｏ₃厚膜上にＡｕスパッタにより直径０．８ｍｍの上部電極を形成し、その誘電特性を１ｋＨｚ〜１０ＭＨｚの周波数範囲で測定を行った。測定結果を図８に示す。誘電率の周波数依存性が若干みられるものの、１ＭＨｚの周波数での値としては、比誘電率εｒが９．５、誘電損失ｔａｎδが０．００５となった。これは、ほぼバルクＡｌ₂Ｏ₃の誘電特性の値である、比誘電率εｒが９．８、誘電損失ｔａｎδが０．０００１と非常に近似している事が分かる。この結果より、ＡＤ法によってＡｌ基板上に作製したＡｌ₂Ｏ₃厚膜は、ＲＦモジュール用基板としての誘電特性を満たしていることが明らかとなった。
【００４３】
［微小マイクロストリップラインの作製］
Ａｌ基板上にエアロゾルデポジション法で作製したＡｌ₂Ｏ₃厚膜で実際に特性インピーダンスが５０Ωとなる微細マイクロストリップを作製するために、まず、そのＡｌ₂Ｏ₃厚膜の誘電率と誘電損失の値を用い、正確な寸法の決定を電磁界解析ソフトでシミュレーションを行った。
【００４４】
解析条件は次のようにした。Ａｌ基板はｇｒｏｕｎｄとし、その導電率δ抵抗率ρは３．６２×１０⁷〔Ｓ／ｍ〕、Ａｌ₂Ｏ₃厚膜の膜厚は１０〔μｍ〕、比誘電率ε_rは９．５、誘電損失ｔａｎδは０．００５、そしてＣｕの線路の膜厚は〔５μｍ〕、導電率δは５．８１×１０⁷〔Ｓ／ｍ〕である。Port１（Ｚ_out＝５０Ω）とPort２（Ｚ_in＝５０Ω）の間の反射係数Ｓ₁₁から計算した結果を図９に示す。Ｃｕの線路の幅が１１．１μｍの場合、数十ＧＨｚにおいても特性インピーダンス５０Ωを維持しつつける事が確認できた。その結果から１０μｍのＡｌ₂Ｏ₃厚膜上に作製する特性インピーダンスが５０Ωとなる微細マイクロストリップラインの目標寸法を、Ｃｕの線路の膜厚は５μｍ、その線幅は１１．１μｍとした。
【００４５】
以上の結果をもとに、Ｃｕの配線をするため、目的寸法の微細マイクロストリップラインが作製できるように、電解Ｃｕメッキにおいて電流密度による膜厚調整と微細パターニングを行った。図１０に、メッキ時間とＣｕの膜厚の関係を示す。
【００４６】
電流密度２２．９〔Ａ／ｃｍ²〕以上においては、密度の低い、表面が粗いＣｕ膜が析出する。これは、電流密度が高すぎることによってメッキ速度が大きすぎるために起こった現象だといえる。メッキ速度が大きいと、陰電極表面におけるＣｕイオン密度の低下が起こる。また、一定陰極面積内の電荷密度が多くなり過ぎる為に、一定時間内に一定面積から大量のＣｕが析出する（過剰な析出速度となる）。そのため、Ｃｕが配列する前に析出し、膜内は欠陥が多くなる。さらに、欠陥による凹凸が生じると、その凸部分にさらなる電荷集中がおこり、さらに凸凹が顕著になってくるという現象がおこると予想される。
【００４７】
一方、電流密度が２２．９〔Ａ／ｃｍ²〕以下の電流密度においては、鏡面のＣｕ膜が得られる。しかしながら、微細マイクロストリップラインをＡｌ₂Ｏ₃厚膜上に電解Ｃｕメッキするためには、析出Ｃｕの形状の角型維持と０．１μｍ以下のオーダーにおける膜厚制御が更に要求される。
【００４８】
上述したように、電流密度値が大きすぎると角への電荷集中が起こり、電界の高い個所はＣｕ成長速度が大きいため、形状の変形が起こってくると考えられる。よって、電流密度を適切な値に抑える事によって角型を保ち、０．１μｍ以下の膜厚制御が可能な電流密度値の範囲から３．６〔ｍＡ／ｃｍ²〕という電流密度値を最適電流密度値と設定した。この最適電流密度における成膜速度は、図１０に示す通りである。
【００４９】
この条件を用い、電子線リソグラフィーでＡｌ₂Ｏ₃厚膜上にパターニングし、電解Ｃｕメッキを行った。この結果として得られた微細マイクロストリップラインのレーザー顕微鏡観察写真を図１１（ａ）に、レーザー顕微鏡観察データから描出した三次元イメージを図１１（ｂ）に示す。この顕微鏡写真より、Ｃｕの伝送線路の幅が約１１μｍであること、およびＣｕ線路の形状が角型になっていることが確認できた。すなわち、目的の微小マイクロストリップラインをＡｌ₂Ｏ₃厚膜上にが作製できたのである。
【００５０】
［Ａｌ₂Ｏ₃厚膜上への微細マイクロストリップラインの作製］
ここで、実際に、特性インピーダンス５０Ωの微細なマイクロストリップラインをＡｌ₂Ｏ₃厚膜上へ作製する技術につき説明する。低抵抗率Ｃｕを伝送電路材料とし、電解メッキ法とリソグラフィー法によって、良い高周波特性を得るための矩形の形状をもつ特性インピーダンス５０Ωの微細マイクロストリップラインの作製した。
【００５１】
なお、電解Ｃｕメッキという技術は既に世の中で使用されているものの、本発明者らの研究により、ＡＤ法により作製された表面粗さが数十ｎｍオーダーのＡｌ₂Ｏ₃厚膜表面上に、微細なパターニングするためには次のような条件が必要であることが分かった。
【００５２】
１）良好な付着強度を得るには、Ａｌ₂Ｏ₃厚膜の表面粗さは数十ｎｍオーダー以上で、尚且つ高周波領域での伝送特性の劣化が起こらない範囲とする。２）陰電極の材料としてはＰｔが適切で、その膜厚は２００〜３００ｎｍオーダーにする。３）電界メッキの電流量を１ｎＡ〜１μＡの範囲で正確に制御することによってメッキ速度を１分間に０．１μｍ〜１μｍの範囲にする。４）メッキ用基板ホルダーは試料と面接触させるより点接触させた方が良質のＣｕメッキが得られる。５）再現性を高めるためには、硫酸銅メッキ液の組成を一定に保つようにする。特に、光沢剤はメッキ中に分解される性質を持つため、光沢剤の補給が必要である。
【００５３】
メッキ液としては、硫酸銅メッキ液（ミッツ株式会社製）であるが、主な組成としてはキャリアーであるＣｕイオン確保のためのＣｕＳＯ₄、緩衝液としてＨ₂ＳＯ₄とＨＣｌ、その他に光沢剤などが含まれる。陽極にはＣｕイオン供給源も兼ねたＣｕ板を配し、陰極には硫酸、塩酸に溶け出さない真鍮または真鍮がＣｕメッキされた基板ホルダーを使用した。メッキ析出において起こっている主な反応は以下の式で表わされる。
【００５４】
析出反応式：Ｃｕ²⁺＋２ｅ^- ⇔ Ｃｕ
【００５５】
Ａｌ₂Ｏ₃基板上に電界Ｃｕメッキの陰電極となる電極を形成させなければならない。まず、条件出しのため、表面粗さが数ｎｍのサファイア基板（Ａｌ₂Ｏ₃単結晶）を用いた。その基板上に導電性の良い金属をスパッタし、その基板をメッキ用基板ホルダーに設置し、その金属スパッタ膜を電極とするために電解Ｃｕメッキ装置の陰電極と接続させる。基板上に陰電極層としての金属はＡｕとＰｔを用い、メッキを行った結果は次のようであった。
【００５６】
１）Ａｕを用いた場合。スパッタで２００〜３００ｎｍのＡｕを成膜した。電界Ｃｕメッキを行うと、Ａｌ₂Ｏ₃基板とＡｕスパッタ膜の間に直径１μｍ以下の気泡の盛り上がりのようなものが発生した。スパッタ電流値を変化させても、スパッタ時間を変化させても、この気泡のようなものが発生した。Ａｕは陰電極として不適切であることが分かった。
【００５７】
２）Ｐｔを用いた場合。スパッタで２００〜３００ｎｍのＰｔを成膜した時、Ａｕで見られたような気泡現象は発生しなかった。この結果より、気泡現象は、Ａｌ₂Ｏ₃基板とＡｕスパッタ膜との組み合わせて生ずる特有の現象であると判断できる。Ｐｔスパッタにおいては、気泡のようなものは発生せずに、一様に鏡面性の高いＰｔ膜が観察できた。よって、Ｐｔスパッタ膜を電解Ｃｕメッキの陰電極として採用することとした。
【００５８】
電界Ｃｕメッキ装置についている直流安定化電源の可能制御電流値は０．０１Ａ〜１．２５Ａで、Ａｌ₂Ｏ₃厚膜の膜面積は１ｃｍ²（１ｃｍ角）である。この諸条件に適合する基板ホルダーと陰極電極が必要となる。まず、メッキ用基板ホルダーを作製した。このとき、基板にかかる電流密度が、１ｃｍ²のＡｌ₂Ｏ₃基板に対して、直流安定化電源の発生電流の制御精度が低いので、陰極電極のダミー部分の面積を大きくとる設計も加味して行った。
【００５９】
（１）メッキ用基板ホルダーとして、図１２に示す、（ａ），（ｂ），（ｃ）の３種類のホルダーを試作してみた。ホルダー（ａ）は、基板の周りを全部固定できるように基板寸法より１ｍｍ小さい穴を開けた固定用の板（厚み：０．５ｍｍ）を用いた。メッキ用基板と基板ホルダーは面接触となる。ホルダー（ｂ）はＬ字型の真鍮板（厚み：１ｍｍ）を２枚組み合わせて、基板を固定する構造になっている。このＬ字型の真鍮板の側面にＶ字型の溝を作り基板を嵌め込むようにした。メッキ用基板と基板ホルダーは多くの部分が点接触できるようになる。ホルダー（ｃ）は、基板ホルダーと試料表面のスパッタ金属との接触面積を確保しつつ、試料表面まわりに曲率の高い伝導体を可能な限り減らしていく方法で基板ホルダーの形状設計をした。メッキ用基板と基板ホルダーは点接触となる。
【００６０】
基板ホルダー（ａ），（ｂ）を用いて作製したＣｕ膜はムラのある鏡面の部分が一部しかない粗悪なＣｕ膜しか得られなかった。電流密度を変化させてもメッキ調整しても粗悪なＣｕ膜しか得られないという結論に達した。その原因については次のように考察した。これらの基板ホルダー（ａ），（ｂ）は多くの面積が試料基板表面より高い位置にあり、尚且つその固定部分には曲率の高いところが多くなっているため、そこに電界の集中（電荷密度が増加）が起こり、試料基板表面のような平坦な部分には曲率が低く電荷密度が低くなる現象が起こると考えられる。それによって基板表面より固定用の真鍮板の部分に異常な電荷集中が起こり、試料基板表面に析出するはずのＣｕ²⁺も電荷集中が起こっている基板ホルダー端にひきつけられてしまい、試料基板表面に到達するＣｕ²⁺イオン密度が基板ホルダーに近いほど低くなっていることが予想される。よって、試料基板表面付近のＣｕ²⁺イオンの分布が不均一になり、ムラのある粗悪なＣｕ膜になったと考えられる。
【００６１】
一方、基板ホルダー（ｃ）では、試料表面まわりが曲率の高い伝導体とならないようにした結果、固定ネジ周りにおいて、試料端に半径３．０ｍｍ程度の半円の粗悪Ｃｕ層ができるものの、その部分以外のＣｕ膜は一様な膜厚の鏡面Ｃｕ厚膜となった。すなわち、固定ネジにより生ずる電荷集中の影響を受けない部位においては、膜厚が一様な鏡面Ｃｕ厚膜を得られるのである。
【００６２】
（２）陰極電極のダミー面積を確保した。メッキ時に電極に給電するための直流安定化電源は、基板の面積が４×１０²〜２．２５×１０²〔ｃｍ²〕のＣｕメッキに適した装置である。そのため、被メッキ面積が１〔ｃｍ²〕以下の場合、被メッキ面積を拡大させておかなければ、適切なＣｕ膜質とＣｕ膜厚の制御性が得られない。そこで、基板ホルダーの表面自体を陰極電極（被メッキ面積：ダミー）として設計した。また、０．１μｍ以下の精度でＣｕメッキ膜厚の制御がしやすいよう、０．１〔μｍ／ｍｉｎ〕程度の成膜速度が電流調整範囲内で得られるようにした。図１２の基板ホルダー（ｃ）は、上記の条件を満たすものである。なお、基板面積に適合する直流安定化電源を用いることができれば、ダミー面積の確保は不要である。
【００６３】
次いで、電解Ｃｕメッキ条件は、以下のように定める。温度は２５℃とし、ヒーター制御により常に２５℃一定を保つ。撹拌方法は、ＡｉｒＢｌｏｗによる空気撹拌と陰極電極ごと上下運動させる。電流密度は、１０^-3〜５０×１０^-3〔Ａ／ｃｍ²〕の範囲とする。
【００６４】
電界Ｃｕメッキは、成膜温度に大きく依存してくるので、成膜温度を常に一定温度に決定しておかないと、成膜条件が温度によって変化してきてしまう上、温度が低すぎたり高すぎたりすると、本実施例で使用するメッキ液においては、うまく成膜できなくなると予想される。よって、ヒーター制御でメッキ液の温度を常に２５℃一定に保った。
【００６５】
また。Ｃｕは重金属であるため、液中のＣｕイオン拡散速度は比較的遅い。よって、電界メッキ中に陰極電極付近のＣｕイオン密度が減少してきてしまう。試料表面に均一なＣｕ膜を得るためには、メッキ液内のイオン密度の偏りを解消させなければならない。そのため、メッキ液液撹拌方法としてＡｉｒＢｌｏｗで常に空気撹拌を行った。またカソードロッカーで陰極電極ごと上下にスライド運動させる事によりメッキ液表面付近のＣｕイオン密度を一定に保つこととした。
【００６６】
メッキ手順としては、先ず、基板を０．１μｍのアルミナ研摩粉を用いて表面研摩（表面粗さ：数十ｎｍ）し、研摩後に洗浄した基板を９０℃で１０分間乾燥させ、スパッタ装置を用いてＰｔを膜厚約２００〜３００ｎｍ程度に成膜してＰｔ薄膜を陰極電極として作製する。基板ホルダーｃに試料を固定し、陰極板と接続させ、メッキ槽に浸す。撹拌装置を起動しつつ、始めの１０秒間は最低電流密度で放置し、それ以降は最適化電流密度で目的膜厚時間までメッキする。
【００６７】
ここで、電流密度とは、出力電流値を被メッキ面積（陰極面積）で割った数値で、メッキ速度を律する大きな要因である。メッキ速度を律する他の大きな要因として、溶液状態（濃度）がある。これは、時間の経過とともに水分の蒸発が起こり、メッキ液の量変化とともにメッキ液の濃縮が起こるためと考えられる。メッキ液濃度を一定に保つために、メッキ液の減少に伴って超純水を所定の液量となる水位まで足してゆく作業を行うが、時間に対する蒸発量は、気温や湿度、またメッキ回数など、多くの要素に依存しており、蒸発量の正確な把握、調整は重要である。所定時間内（メッキ液条件の変化が起こる前：蒸発量が少ない時間内）に試料をメッキし、メッキ速度を比較してみる（図１０参照）。これから、同じ電流密度でのメッキにおいては、膜厚成長速度は一定となり、メッキ速度が電流密度に比例していることが分かる。
【００６８】
図１０に示したメッキ時間と膜厚の関係において、電流密度２２．８６ｍＡ／ｃｍ²以上においては、密度の低い表面が粗いＣｕ膜が析出する。これは、電流密度が高すぎることによって、メッキ速度が大き過ぎるために起こった現象だといえる。メッキ速度が大きいと、陰電極表面におけるＣｕイオン密度の低下が起こる。また、一定陰極面積内の電荷密度が多くなりすぎる為に、一定時間内に一定面積から大量のＣｕが析出する（過剰な析出速度）。そのため、Ｃｕが配列する前に析出し、膜内は欠陥が多くなる。さらに、欠陥による凹凸が生じると、その凸部分にさらなる電荷集中がおこり、さらに凸凹が顕著になってくるという現象がおこると予想される。
【００６９】
一方、２２．８６ｍＡ／ｃｍ²以下の電流密度においては、均一なＣｕ膜が得られるものの、断面が矩形となる微細マイクロストリップラインを基板上に電解Ｃｕメッキするためには、析出Ｃｕの形状の矩形維持と、０．１μｍ以下のオーダーにおける膜厚制御が求められる。すなわち、電流密度値が大きすぎると角への電荷集中が起こり、電荷集中の高い個所はＣｕ成長速度が大きいため形状の変形が起こってくると考えられるため、電流密度を適切な値に抑える事によって矩形を保ち、０．１μｍ以下の膜厚制御が可能な電流密度値を定める必要がある。これを満たす電流密度値として、３．６ｍＡ／ｃｍ²を最適電流密度値と設定した。
【００７０】
上記のように、過剰電流密度でメッキを行って成膜した膜表面の状態と、最適電流密度でメッキを行って成膜した膜表面の状態の比較写真が図１３である。過剰電流密度（２２．９ｍＡ／ｃｍ²以上）でメッキした膜（図中、左下）では、写り込みがないことから膜表面が粗いことが分かり、最適電流密度（３．６ｍＡ／ｃｍ²）でメッキした膜（図中、右下）では、良好な写り込みが認められることから膜表面が鏡面になっていることが分かる。
【００７１】
以上、集積ＲＦモジュールの作製のために、室温で成膜可能なエアロゾルデポジション法によるＡｌ₂Ｏ₃誘電体厚膜の作製技術と、角型の微細なＣｕ線路を形成するための電解Ｃｕメッキと微細パターンニング技術について説明した。次いで、これらの技術を用い、集積ＲＦモジュールに必要となる微小Ｌｏｗ−ＰａｓｓＬＣ−ｆｉｌｔｅｒの設計を行った。これにより、集積ＲＦモジュールにおけるエアロゾルデポジション法を用いた金属ベース上へのＡｌ₂Ｏ₃厚膜形成の有効性を電磁界解析により確認した。
【００７２】
まず、遮断周波数１０ＧＨｚと整合性を考慮しインピーダンス５０Ωの２次定Ｋ型ＬＰＦ（Low Pass Filter）となるインダクタンスとキャパシタンスの値を計算し、回路シュミレーションソフト（Microwave Office）を用い、理想的な通過特性（Ｓ₂₁）と電磁界解析ソフト（Sonnet Suite）により各素子の誘電損失および寄生キャパシタンス、インダクタンス、また電界の回りこみなども考慮した実物に近い立体的なモデル（図１４（ａ）参照）で、通過特性（Ｓ₂₁）を解析した。使用した解析条件は、表２に示す。そのＬＣｆｉｌｔｅｒの寸法は０．２〔ｍｍ〕×０．４〔ｍｍ〕とした。
【００７３】
【表２】

【００７４】
損失のない理想的なインダクター（Ｌ）とキャパシター（Ｃ）を用い遮断周波数１０ＧＨｚのＬＣｆｉｌｔｅｒを計算すると、Ｌは１．１３ｎＨ、Ｃは０．４５ｐＦである。回路シミュレーターによる通過特性の理論値を図１４（ｂ）の薄線で示す。一方、電磁界解析ソフトで解析した通過特性のシミュレーション結果を図１４（ｂ）の濃線で示す。実物に近い立体的なモデルを電磁界解析のシミュレーション結果は、理想的なＬＰＦの通過特性に比べて、遮断周波数が若干高周波側に移動しているものの、遮断周波数が１０ＧＨｚ帯域におけるＬＰＦの特性を十分に満たしている。すなわち、微小Ｌｏｗ−ＰａｓｓＬＣ−ｆｉｌｔｅｒの設計を通じ、集積ＲＦモジュールを形成するのに、エアロゾルデポジション法を用いて金属ベース上に形成したＡｌ₂Ｏ₃厚膜を利用することが有効で、また、小型化・高性能化に極めて有利な微小マイクロストリップラインの形成も可能であることが理解できる。
【００７５】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に係るＲＦモジュールの作製方法によれば、エアロゾルデポジション法によりＡｌ₂Ｏ₃微粒子を用いて室温で１〜５０〔μｍ〕の厚さの絶縁膜を形成するものとしたので、そのベースにはＡｌ薄板を用いることができ、機械加工で安価に寸法精度が出せる金属材料基板によってＲＦモジュールを作製できる。更に、金属ベース上に形成した絶縁膜の表面粗さは、１０ｎｍ以上で、尚且つ高周波領域での伝送特性の劣化が起こらない範囲に抑制することにより、絶縁膜に対するＰｔの良好な付着強度を得ることが可能となるので、絶縁膜上にマイクロストリップライン用のＰｔ下地配線を形成し、該Ｐｔ下地配線上にのみ電界を印加して銅をメッキすることでマイクロストリップラインを形成することができる。
【００７６】
また、請求項２に係るＲＦモジュールの作製方法によれば、前記マイクロストリップラインは、電界メッキの電流密度を１０ ^-3 〜５０×１０ ^-3 〔Ａ／ｃｍ ² 〕の範囲で正確に制御すると共にメッキ速度を１分間に０．１〔μｍ〕〜１〔μｍ〕の範囲に抑えた状態で、Ｐｔ下地配線上にのみ電界を印加して銅をメッキすることで形成するようにしたので、断面が矩形状のマイクロストリップラインを得ることができ、良好な高周波特性を期せる。
【００７７】
また、請求項３に係るＲＦモジュールの作製方法によれば、前記絶縁膜は、比誘電率が５〜１０、厚みが５〜３０μｍとなるように形成し、前記マイクロストリップラインの線路幅を５〜４０μｍとして、特性インピーダンスが５０Ωのマイクロストリップラインを形成するようにしたので、マイクロストリップラインの線幅を１０μｍオーダー程度と狭くしてもインピーダンス整合が可能であり、ＲＦモジュールの高集積化に極めて有利である。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＡＤ法を用いて作製した集積化ＲＦモジュールの概略構成図である。
【図２】（ａ）従来製品のプリント配線基板上に作製した従来のマイクロストリップラインを特性インピーダンス５０Ωとする場合と、本実施形態のＲＦモジュールの如く金属ベース上に形成したセラミックス膜上のマイクロストリップラインを特性インピーダンス５０Ωとする場合との比較概要図である。
（ｂ）従来のＬＴＣＣ法で配線形成に利用されるスクリーン印刷法で形成したマイクロストリップラインの断面形状と、銅メッキ法で形成したマイクロストリップラインの断面形状との比較概要図である。
【図３】エアロゾルデポジション法による成膜装置の概略構成図である。
【図４】（ａ）ＳＧ１６０ＡのＡｌ₂Ｏ₃微粒子を用いてガラス基板上へ成膜した状態の写真である。
（ｂ）ＳＧ１６０ＢのＡｌ₂Ｏ₃微粒子を用いてガラス基板上へ成膜した状態の写真である。
【図５】（ａ）原料粉末ＳＧ１６０ＡにおけるＡｌ₂Ｏ₃微粒子の顕微鏡写真である。
（ｂ）原料粉末ＳＧ１６０ＢにおけるＡｌ₂Ｏ₃微粒子の顕微鏡写真である。
【図６】（ａ）成膜したＡｌ₂Ｏ₃厚膜のアズデポ状態の表面の顕微鏡写真である。
（ｂ）成膜したＡｌ₂Ｏ₃厚膜の研摩後の表面の顕微鏡写真である。
（ｃ）Ａｌ基板上に形成したＡｌ₂Ｏ₃厚膜断面の顕微鏡写真である。
【図７】Ａｌ₂Ｏ₃と原料粉末のＸ線回折パターン特性図である。
【図８】比誘電率と誘電喪失の周波数特性図である。
【図９】マイクロストリップラインの周波数−インピーダンス特性図である。
【図１０】メッキ時間と膜厚の関係を示す特定図である。
【図１１】（ａ）微細マイクロストリップラインの顕微鏡写真である。
（ｂ）レーザー顕微鏡観察データから描出した三次元イメージである。
【図１２】基板ホルダーの外観図である。
【図１３】過剰電流密度でメッキを行って成膜した膜表面の状態と、最適電流密度でメッキを行って成膜した膜表面の状態の比較写真である。
【図１４】（ａ）カットオフ１０ＧＨｚのローパスフィルターの概略構成図である。
（ｂ）図１４（ａ）におけるローパスフィルターの理論計算によるフィルター伝達特性と、実験値からシミュレートしたフィルター伝達特性を示す特性図である。
【符号の説明】
１第１二次元回路
１１金属ベース
１２絶縁膜
１３パターン配線
２第２二次元回路
２１金属ベース
２２絶縁膜
２３パターン配線
３第３二次元回路
３１金属ベース
３２絶縁膜
３３パターン配線[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present invention relates to a method for manufacturing an RF module in which capacitors, resistors, and inductors, which are passive components, are integrated in one module.
[0002]
[Prior art]
  LTCC (Low Temperature Cofired Ceramics) is a conventional technology for fabricating integrated RF modules in which capacitors, resistors, and inductors, which are passive components, are integrated into one module as electronic devices become smaller and higher in frequency. (Low temperature co-firing method) (for example, see Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2) and a method using a polymer composite in which ceramic particles are dispersed in a polymer.
[0003]
[Non-Patent Document 1]
Yoshihiko Imanaka, LTCC Materials for High Frequency, Material Integration, Vol.15, No.12, 44-48 (2002)
[Non-Patent Document 2]
Technological development and supervision of ceramic electronic parts and materials Hirotaka Yamamoto, Chapter 3 High-frequency components Authors Harumi Fumishiro, Shinya Nakai, Hiroshi Tsuneno CMC (2000)
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
  However, the LTCC technology has many problems such as diffusion and reaction between different kinds of materials during firing, substrate warpage and peeling due to differences in firing shrinkage, and internal strain due to differences in thermal expansion coefficient. For example, in LTCC, it is not possible to take effective measures against noise inside a module, noise generated outside, and noise from outside. In addition, in LTCC, it is impossible in principle to avoid material shrinkage due to sintering, it is difficult to ensure dimensional accuracy, and it becomes difficult to adjust characteristic frequency and to perform impedance matching. Furthermore, with this technology, it is impossible to three-dimensionally mount an active device inside the module. These problems can all be solved if the ceramic can be formed at room temperature.
[0005]
  On the other hand, since the polymer composite can be molded at room temperature, the above-mentioned problems caused by LTCC can be avoided. However, since ceramics are dispersed in the polymer, the high properties inherent in ceramics cannot be obtained. As an example, BaTiO, which is a high dielectric constant material_ThreeIn a material in which is dispersed in a polymer, BaTiO_ThreeAlthough the relative dielectric constant of the polymer exceeds 3000, the relative dielectric constant after polymer dispersion is less than 100 at present.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
  In order to solve the above problems, the invention according to claim 1 is a method of manufacturing an RF module in which a capacitor, a resistor, and an inductor, which are passive components, are integrated in one module. Al on a metal base by the aerosol deposition method₂O_ThreeForming an insulating film with a thickness of 1-50 [μm] at room temperature using fine particlesAs a result, an insulating film with a surface roughness of 10 nm or more and suppressed in a range where transmission characteristics in the high frequency region do not deteriorate is formed.And on this insulating filmIncludes microstrip lineForm a two-dimensional circuitThe microstrip line is formed by forming a Pt base wiring for a microstrip line on an insulating film, and plating copper by applying an electric field only to the Pt base wiring.It was made to do.
[0007]
  The invention according to claim 2 is the method for manufacturing the RF module according to claim 1,The microstrip line has a current density of 10 for electroplating. ^-3 ~ 50x10 ^-3 [A / cm 2 And plating with copper applied by applying an electric field only to the Pt ground wiring in a state where the plating rate is controlled within a range of 0.1 [μm] to 1 [μm] per minute. Formed withIt was made to do.
[0008]
According to a third aspect of the present invention, in the RF module manufacturing method according to the first or second aspect, the insulating film has a relative dielectric constant of 5 to 10 and a thickness of 5 to 30 [μm]. The microstrip line having a characteristic impedance of 50 [Ω] is formed by setting the line width of the microstrip line to 5 to 40 [μm].
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
  Next, an embodiment of an RF module and a method for producing the same according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
[0010]
  The RF module according to the present embodiment uses an AD (Aerosol Deposition) method (detailed later), which is a low-temperature forming process of ceramics, and a substrate for an integrated RF module and an insulating film (capacitance of capacitance) thereon. A large insulating material may be used as a dielectric film). A schematic configuration of an integrated RF module manufactured using the AD method is shown in FIG. This RF module is obtained by stacking and decoding three two-dimensional circuits (first two-dimensional circuit 1, second two-dimensional circuit 2, and third two-dimensional circuit 3) that are individually manufactured.
[0011]
  In the first two-dimensional circuit 1, an insulating film 12 is formed on a thick metal base 11, and a pattern wiring 13 or an existing chip component is mounted thereon, or a passive component is manufactured (for example, a dielectric is formed of a metal film). This is a circuit board in which a capacitor is produced by sandwiching the shape. The second two-dimensional circuit 2 is a circuit board in which an insulating film 22 is formed on a thin metal base 12 and a pattern wiring 23 or an existing chip component is mounted thereon or a passive component is produced. The third two-dimensional circuit 3 is a circuit board on which an insulating film 32 is formed on a thin metal base 31 and a relatively large existing chip component that cannot be mounted in a module 33 or a module is mounted thereon.
[0012]
  The final module configuration in which the first two-dimensional circuit board 1, the second two-dimensional circuit board 2, and the third two-dimensional circuit board 3 are three-dimensionally stacked via insulators is shown in the lower part of FIG. It is. The circuit boards of each layer are in contact through via holes, and the RF module is formed as a whole. In the RF module of the present embodiment, the

metal bases

11, 21, 31 of each layer are electrically connected by providing, for example, metal side walls, and the module is electrically shielded by grounding it. It was. Thus, the internal circuit is resistant to external noise and does not leak to the outside, which is suitable for EMC (Electro Magnetic Compatibility) countermeasures. In this embodiment, the degree of integration is increased as a three-layer structure, but a single-layer structure may be used.
[0013]
  In FIG. 1, the substrate forming the skeleton of the RF module is a simple oxide (for example, Al) formed on a metal base made of Al, Cu, SUS, Ag or the like by the AD method.₂O_Three, SiO₂, MgO, ZnO, etc.), double oxide (for example, SrTiO)_Three, Ba (Mg_1/3Nb_2/3) O_Three, Ba (Mg_1/3, Ta_2/3) O_Three, TiZrO_Four, CaTiO_Three, Mg₂TiO_Four, BaO-TiO₂Etc.), mixtures thereof, solid solutions, nitrides (eg, AlN, Si)_ThreeN_FourEtc.) is deposited at a low temperature of 300 ° C. or less by an AD method to a thickness of 1 to 50 [μm], and an insulating film is formed on the metal base.
[0014]
  On the substrate configured as described above, an existing chip component is mounted, or a metal such as Cu or Ag is formed on a fine wiring by a method such as sputtering, chemical vapor deposition, screen printing, ink jet printing, or plating. By forming, the RF module is formed.
[0015]
  Further, when the dielectric layer is formed by using the AD method, a metal material substrate that can be formed at room temperature and can provide dimensional accuracy at low cost by machining can be used. Also, the dielectric film formed on the substrate is PbZrO._Three-PbTiO_Three, BaTiO_Three, BaZrO_Three, SrTiO_Three, Ba (Mg_1/3Nb_2/3) O_Three, Ba (Mg_1/3, Ta_2/3) O_Three, TiZrO_Four, CaTiO_Three, Mg₂TiO_Four, BaO-TiO₂A double oxide, a mixture or a solid solution thereof is formed by sputtering, chemical vapor deposition, or AD method.
[0016]
  As described above, the RF module according to the present embodiment can achieve high-density mounting because 1) 50 ohm impedance matching can be realized with a narrow line width compared to the conventional product. 2) With existing chip components Thin film forming elements can be combined 3) Shielded with grounded metal, so it is strong against external noise and does not leak radio waves to the outside 4) When multilayered, the internal two-dimensional circuit is surrounded by a metal shield Signal confinement is good, and signal crosstalk can be reduced. 5) Since two-dimensional circuits can be combined after fabrication, circuit design can be easily changed and circuit development period can be shortened. The metal base to be manufactured can be manufactured at a low cost with a fine and high shape accuracy by press processing, etc., and this enables the adjustment of the characteristic impedance when it is made into a three-dimensional structure with high accuracy, 7) It can be reused genus members, has advantages such.
[0017]
  The advantage 1) of the RF module according to the present embodiment over the prior art will be described in detail. In the first place, conventional RF circuits include those using a printed wiring board as a substrate and those using a low dielectric constant ceramic substrate manufactured by the LTCC method. In the former, since the relative permittivity of glass epoxy, which is the substrate material, is about 4 and the thickness is 100 to 200 μm, the microstrip line has a line width of 100 μm or more to make the characteristic impedance 50Ω, and it is difficult to achieve high integration. It becomes. In addition, the dielectric loss of the glass epoxy of the substrate material is 2.5%, which is larger than that of ceramics, leading to deterioration of characteristics at high frequencies.
[0018]
  On the other hand, in the LTCC method, since the multilayer substrate and the wiring are integrally fired at a temperature of 800 ° C. or higher, the active element cannot be three-dimensionally mounted inside the multilayer substrate. The dielectric material can be mounted in the form of a thick film inside the multilayer substrate, but an additive such as glass is added to match the substrate material with the firing shrinkage and thermal expansion coefficient. Loss increases, and dielectric constant decreases in high dielectric constant materials.
[0019]
  On the other hand, in the RF module of this embodiment, since a substrate material in which a ceramic film (insulating film) is formed on the substrate (metal base) by the AD method is used, the dielectric loss is about 0.5% in the case of alumina. And much better than glass epoxy. Moreover, since the relative dielectric constant of the ceramic film to be formed is 5 to 10 and the thickness is 5 to 30 μm, the microstrip line width when the characteristic impedance is 50Ω is 5 to 40 μm. That is, in the RF module according to the present embodiment, 50Ω impedance matching can be realized with a wiring having a narrow line width, and high integration can be achieved.
[0020]
  As described above, since the AD method can form a ceramic film at room temperature, an active element having no temperature resistance can be mounted in the multilayer substrate. Even when mounting dielectric materials inside a multilayer substrate, it does not go through the firing process, so there is no need to add glass or the like, and the original high characteristics of ceramic dielectrics (tele loss and high dielectric constant) can be used as they are. .
[0021]
  Here, when the conventional microstrip line produced on the printed wiring board of the conventional product has a characteristic impedance of 50Ω, the microstrip line on the ceramic film formed on the metal base like the RF module of this embodiment has the characteristics. A comparison with the case where the impedance is 50Ω is shown in FIG. In the conventional product, since the thickness of the insulating layer (dielectric layer) cannot be reduced, the line width of the microstrip line needs to be as small as 350 μm even if it is narrow.₂O_ThreeTherefore, it can be understood that impedance matching is possible even when the width of the microstrip line is as narrow as about 10 μm, which is extremely advantageous for high integration.
[0022]
  FIG. 2B shows a comparison between the cross-sectional shape of the microstrip line formed by the screen printing method used for wiring formation in the conventional LTCC method and the cross-sectional shape of the microstrip line formed by the copper plating method. . In the screen printing method, it is impossible to make the cross-sectional shape rectangular, which causes the transmission characteristics at high frequencies to deteriorate. On the other hand, according to the plating method, a microstrip line having a rectangular cross section can be formed. Furthermore, the current minimum line width is about 30 μm in the screen printing method, but the microstrip line can be formed with a line width of 10 μm or less in the plating method. Therefore, the formation of the microstrip line by the plating method has two advantages of high integration and improvement of transmission characteristics in the high frequency band.
[0023]
  Furthermore, the metal base used in the RF module according to the present embodiment needs to have good electrical conductivity and heat diffusion characteristics and mechanical strength. For this purpose, the metal base must have a certain thickness or more. Although it has to be, the module dimension when the two-dimensional circuit is multilayered has a feature that the entire thickness is suppressed and the module can be thinned. For example, when the limit of the thickness of the module is 3 mm, and considering the multilayering of 3 to 10 layers, the substrate thickness is about 50 to 500 μm. The dielectric thickness is determined from the relative dielectric constant of the dielectric and the width of the microstrip line under the condition of a characteristic impedance of 50Ω, so that the relative dielectric constant is 5 to 20 and the microstrip line width is 5 to 50 μm. The film thickness is about 2 to 40 μm.
[0024]
【Example】
  Here, an example of manufacturing the RF module having the above-described structure will be described in detail in comparison with a case where another technique is used. The outline in this example is that Al is formed on Al.₂O_ThreeA film is formed by the AD method, and fine wiring (microstrip line) is formed thereon by electrolytic Cu plating.
[0025]
  [Al by aerosol deposition (AD) method₂O_ThreeFabrication of thick film]
  According to the aerosol deposition (AD) method described in the literature (J. Akedo and M. Lebedev, Recent Res. Devel. Mat. Sci., 2 (2001) 51., Maretria Japan, 41 (2002) 51 [in japanese]) Al₂O_ThreeA thick film was prepared. A schematic configuration of the film forming apparatus is shown in FIG. The following 5 types of α-Al as raw powder₂O_ThreeFine particles were used. SG160A and SG160B (average particle size 0.4 μm, purity 99.8%, Showa Denko KK), and AA-1, AA-02, AA-04 (average particle size 1 μm, 0.2 μm, 0.4 μm, purity) 99.99%, Sumitomo Chemical Co., Ltd.) was used as a raw material powder, and an optimization experiment of the raw material powder and the substrate was conducted using a glass plate, a metal Al plate, and a metal Cu plate as substrates.
[0026]
  The film formation process by the aerosol deposition method is as follows. The raw material powder is sealed in an aerosol chamber, and the film formation chamber and the aerosol chamber are evacuated by a vacuum apparatus to obtain Al.₂O_ThreeRemoves water adhering to the surface of fine particles. Install the aerosol chamber in the vibration stirrer, and vibrate the aerosol chamber together.₂O_ThreeCreates a state where fine particles are diffused. Al with flow controlled He gas₂O_ThreeBy transporting the fine particles toward the nozzle in the deposition chamber and ejecting from the nozzle, Al₂O_ThreeThe fine particles were accelerated and collided with the substrate to form a film at room temperature.
[0027]
  The substrate holder is scanned at a constant speed with an automatic feeder and the target area is Al.₂O_ThreeA thick film can be formed. Table 1 shows Al₂O_ThreeThe thick film forming conditions are shown.
[0028]
[Table 1]

[0029]
  Al deposited₂O_ThreeThe thickness of the thick film was obtained by film thickness measurement and cross-sectional SEM (Scanning Electron Microscope, JSM-550, JEOL) observation. Raw material powder and Al₂O_ThreeThe microstructure of the thick film was observed by SEM observation. Phase identification and crystallinity were examined using XRD (RINT2100V / PC, Rigaku). Dielectric properties were measured using an Impedance Analyzer (HP4194A, Hewlett Packard) in the frequency range of 1 kHz to 10 MHz.
[0030]
  [Al by electrolytic plating₂O_ThreeFabrication of micro microstrip line on thick film]
  Al deposited by the aerosol deposition method described above₂O_ThreeFine microstrips were produced on the thick film using electron beam lithography and Cu electrolytic plating. Electromagnetic field analysis software (Sonnet Suite 8.0, High Frequency Electromagnetic Analysis Software, Sonnet Software, Inc.) was used to accurately determine the micro microstrip dimensions with a characteristic impedance of 50Ω.
[0031]
  Thereafter, the microstrip line was formed as follows. Washed Al₂O_ThreeA thick film substrate is resist-coated using a spin coater, patterned by electron beam lithography, Pt is sputtered, and a negative electrode in Cu electrolytic plating is formed by the Lift-Off method. Then, Cu electroplating was performed using the electroplating apparatus (Mits Co., Ltd. product). In order to obtain a uniform Cu plating film, the copper sulfate plating solution was always kept at a constant temperature of 25 ° C. by heater control, and Cu electroplating was performed while air stirring with Air Blow and the cathode electrode were moved up and down. Further, in order to control the Cu plating film thickness with an accuracy of 0.1 μm or less, the current density is set to 10^-3~ 50x10^-3[A / cm²] And optimized within the range. The obtained microstrip line was observed with a laser microscope.
[0032]
  [Al₂O_ThreeDesign of 10 GHz Low-Pass LC-filter on Thick Film]
  Al by aerosol deposition method₂O_ThreeIn order to examine the possibility as a thick film integrated RF module substrate, a low-pass LC-filter was simulated. First, using circuit simulation software (Microwave Office 2002, Applied Wave Research, Inc.), the theoretical value of the filter characteristic was obtained, and the circuit design of the Low-Pass LC-filter was performed. Next, using the electromagnetic field analysis software, the Al₂O_ThreeThe dielectric characteristic of the thick film was obtained, and the filter characteristic as an LC filter element was simulated using this.
[0033]
  [Al on glass substrate₂O_ThreeThick film formation]
  First, Al of SG160A and SG160B₂O_ThreeUsing fine particles, Al on a glass substrate at room temperature₂O_ThreeA thick film optimization experiment was conducted. SG160A Al₂O_ThreeWhen the film is formed with fine particles, even if parameters such as the He flow rate, aerosol chamber vibration stirring speed, and the distance between the nozzle and the substrate are changed, only a green compact is obtained as shown in FIG. It was impossible to read the letters written on the glass substrate. On the other hand, SG160B Al₂O_ThreeWhen fine particles were used, a transparent thick film as shown in FIG. 4B was obtained, and the characters written on the glass substrate were legible. The film thickness is about 10 μm.
[0034]
  In order to investigate the cause, Al of SG160A and SG160B₂O_ThreeWhen the fine particles were observed with an SEM, as shown in FIG.₂O_ThreeFine particles are SG160B Al₂O_ThreeAlthough the average particle diameter did not change as compared with the fine particles, it was found that the particles were largely aggregated to about 100 μm. If the agglomerates of fine particles are large, the powder acts like a cushion, and the kinetic energy is absorbed and densification cannot be achieved.
[0035]
  Therefore, SG160B Al₂O_ThreeFine particles were used to optimize film forming apparatus parameters such as He flow rate, aerosol chamber vibration stirring speed, and distance between nozzle and substrate. When the flow rate of He was in the range of 6 to 9 [l / min], the film formation rate was not significantly affected. However, if the flow rate of He was too much higher than this range, the acceleration of particles became too large, and glass was formed during film formation. The board has cracked.
[0036]
  In order to improve the film formation speed, it was effective to increase the aerosol chamber vibration stirring speed. However, when the vibration stirring speed is set to 300 [rpm] or more, a phenomenon that the substrate breaks occurs. Although the distance between the nozzle and the substrate also affects the film forming speed, 10 to 20 [mm] was appropriate.
[0037]
  Therefore, when searching for an appropriate flow rate value and vibration stirring speed, they were 6 [l / min] and 160 [rpm]. However, the film quality was not significantly improved by the film forming conditions of the film forming apparatus.
[0038]
  Next, Al of AA-1, AA-02, AA-04₂O_ThreeFilm formation was performed using fine particles. AA-1 Al₂O_ThreeWhen the fine particles were used, the glass substrate was etched. The reason is that the average particle size is 1 μm, so that the kinetic energy is too large to form a film and the glass substrate is etched. AA-02 Al₂O_ThreeWhen film formation was performed using fine particles, the deposited Al was formed by residual stress after film formation.₂O_ThreeOnly the thick film broke. Al of AA-04₂O_ThreeWhen film formation was performed using fine particles, the film formation speed was reduced to about half compared with SG160B, but transparency was improved. This is a high purity Al₂O_ThreeThis is probably due to the use of fine particles.
[0039]
  [Al on metal substrate₂O_ThreeThick film formation]
  For the metal base used as the substrate for the integrated RF module, it is necessary to use a metal having a low resistivity so as to function as a ground (ground electrode). Therefore, paying attention to Cu and Al, SG160B Al₂O_ThreeFilm formation was performed at room temperature using fine particles. When Cu was used as the substrate, a non-uniform material such as an intermediate state between the green compact and the film was formed. On the other hand, in the case of an Al substrate, uniform Al₂O_ThreeA thick film was obtained. A cross-sectional and planar SEM photograph is shown in FIG.
[0040]
  It can be confirmed that FIG. 6A is a dense thick film as can be seen from the cross-sectional shape of FIG. FIG. 6A shows the surface in an as-depo state, but it is observed that marks such as craters due to impact are uniformly distributed on the surface. When surface polishing was performed to produce a micro microstrip line, a dense and flat surface was obtained as shown in FIG.
[0041]
  Al produced by the aerosol deposition method on an Al substrate at room temperature as described above.₂O_ThreeAs shown in FIG. 7, the result of XRD analysis of the identification and crystallinity of the thick film phase is the same as the raw powder.₂O_ThreeA phase was obtained. Al produced by the aerosol deposition method₂O_ThreeIn the thick film (FIG. 7B), the strength is lower than that of the raw material powder (FIG. 7A), which is probably because the film is made of crystallites on the order of several tens of nm.
[0042]
  Al having a thickness of about 10 μm fabricated on an Al substrate₂O_ThreeAn upper electrode having a diameter of 0.8 mm was formed on the thick film by Au sputtering, and its dielectric characteristics were measured in a frequency range of 1 kHz to 10 MHz. The measurement results are shown in FIG. Although the frequency dependence of the dielectric constant is slightly seen, the relative dielectric constant εr is 9.5 and the dielectric loss tan δ is 0.005 as the value at a frequency of 1 MHz. This is almost bulk Al₂O_ThreeIt can be seen that the relative dielectric constant εr is 9.8 and the dielectric loss tan δ is 0.0001, which is a value of the dielectric characteristics of From this result, Al produced on the Al substrate by AD method.₂O_ThreeIt has been clarified that the thick film satisfies the dielectric characteristics as the RF module substrate.
[0043]
  [Production of micro-strip line]
  Al produced by aerosol deposition method on Al substrate₂O_ThreeIn order to fabricate a fine microstrip with a thick film and a characteristic impedance of 50Ω, first, the Al₂O_ThreeUsing the values of the dielectric constant and dielectric loss of the thick film, the accurate dimensions were determined by electromagnetic field analysis software.
[0044]
  Analysis conditions were as follows. The Al substrate is ground, and its conductivity δ resistivity ρ is 3.62 × 10 6.⁷[S / m], Al₂O_ThreeThe thickness of the thick film is 10 [μm] and the relative dielectric constant ε_rIs 9.5, dielectric loss tan δ is 0.005, Cu line thickness is 5 μm, and conductivity δ is 5.81 × 10⁷[S / m]. Port1 (Z_out= 50Ω) and Port2 (Z_in= Reflection coefficient S between 50Ω)₁₁The results calculated from are shown in FIG. When the width of the Cu line was 11.1 μm, it was confirmed that the characteristic impedance of 50Ω was maintained even at several tens of GHz. From the result, 10 μm Al₂O_ThreeThe target dimensions of a micro microstrip line with a characteristic impedance of 50Ω to be produced on the thick film were set such that the film thickness of the Cu line was 5 μm and the line width was 11.1 μm.
[0045]
  Based on the above results, film thickness adjustment and fine patterning were performed in the electrolytic Cu plating so that a fine microstrip line having a target dimension could be produced for wiring of Cu. FIG. 10 shows the relationship between the plating time and the Cu film thickness.
[0046]
  Current density 22.9 [A / cm²In the above, a Cu film having a low density and a rough surface is deposited. This can be said to be a phenomenon that occurs because the plating speed is too high due to the current density being too high. When the plating speed is high, the Cu ion density on the negative electrode surface is lowered. In addition, since the charge density in a certain cathode area becomes too large, a large amount of Cu is deposited from a certain area within a certain time (excessive deposition rate). For this reason, Cu is deposited before being arranged, and defects in the film increase. Furthermore, when unevenness due to a defect occurs, it is expected that a further charge concentration occurs in the convex portion, and the phenomenon that the unevenness becomes more prominent.
[0047]
  On the other hand, the current density is 22.9 [A / cm.²At the following current density, a mirror-like Cu film is obtained. However, the micro-strip line is made of Al₂O_ThreeIn order to perform electrolytic Cu plating on the thick film, it is further required to maintain the square shape of the deposited Cu and to control the film thickness on the order of 0.1 μm or less.
[0048]
  As described above, if the current density value is too large, charge concentration occurs at the corners, and it is considered that the shape is deformed because the Cu growth rate is high at the portion where the electric field is high. Therefore, by suppressing the current density to an appropriate value, the square shape is maintained, and from the range of the current density value capable of controlling the film thickness of 0.1 μm or less, 3.6 mA / cm.²] Was set as the optimum current density value. The film formation rate at this optimum current density is as shown in FIG.
[0049]
  Using this condition, Al is used for electron beam lithography.₂O_ThreePatterning was performed on the thick film, and electrolytic Cu plating was performed. FIG. 11A shows a photograph of the microscopic microstrip line obtained as a result of this observation, and FIG. 11B shows a three-dimensional image drawn from the laser microscope observation data. From this micrograph, it was confirmed that the width of the Cu transmission line was about 11 μm and that the shape of the Cu line was square. That is, the desired micro microstrip line is made of Al.₂O_ThreeIt was possible to produce on a thick film.
[0050]
  [Al₂O_ThreeFabrication of fine microstrip line on thick film]
  Here, a fine microstrip line with a characteristic impedance of 50Ω is actually used as Al.₂O_ThreeA technique for manufacturing a thick film will be described. Using a low resistivity Cu as a transmission circuit material, a fine microstrip line with a characteristic impedance of 50Ω having a rectangular shape for obtaining good high frequency characteristics was produced by electrolytic plating and lithography.
[0051]
  Although the technique of electrolytic Cu plating has already been used in the world, the surface roughness produced by the AD method has a surface roughness of several tens of nanometers by the present inventors.₂O_ThreeIt was found that the following conditions were necessary for fine patterning on the thick film surface.
[0052]
  1) To obtain good adhesion strength, Al₂O_ThreeThe surface roughness of the thick film is in the order of several tens of nanometers or more, and the transmission characteristic is not deteriorated in the high frequency region. 2) Pt is appropriate as the material of the negative electrode, and the film thickness is set to the order of 200 to 300 nm. 3) The plating rate is controlled to be in the range of 0.1 μm to 1 μm per minute by accurately controlling the current amount of electroplating in the range of 1 nA to 1 μA. 4) A high quality Cu plating can be obtained by making point contact with the substrate holder for plating rather than surface contact with the sample. 5) In order to improve reproducibility, the composition of the copper sulfate plating solution is kept constant. In particular, since the brightener has the property of being decomposed during plating, it is necessary to replenish the brightener.
[0053]
  The plating solution is a copper sulfate plating solution (Mits Co., Ltd.), but the main composition is CuSO for securing Cu ions as a carrier._FourH as buffer₂SO_FourAnd HCl, and other brighteners. A Cu plate that also serves as a Cu ion supply source was disposed on the anode, and a brass or brass-plated substrate holder that did not dissolve in sulfuric acid or hydrochloric acid was used for the cathode. The main reaction occurring in plating deposition is expressed by the following equation.
[0054]
  Precipitation reaction formula: Cu²⁺+ 2e^- Ｃｕ Cu
[0055]
  Al₂O_ThreeAn electrode to be a negative electrode for electric field Cu plating must be formed on the substrate. First, a sapphire substrate with a surface roughness of several nanometers (Al₂O_ThreeSingle crystal) was used. A metal having good conductivity is sputtered on the substrate, the substrate is placed on a plating substrate holder, and connected to a negative electrode of an electrolytic Cu plating apparatus in order to use the metal sputtered film as an electrode. The result of plating using Au and Pt as the negative electrode layer on the substrate was as follows.
[0056]
  1) When using Au. A 200-300 nm Au film was formed by sputtering. When electric field Cu plating is performed, Al₂O_ThreeA bulge of bubbles having a diameter of 1 μm or less occurred between the substrate and the Au sputtered film. Even if the sputtering current value was changed or the sputtering time was changed, such bubbles were generated. Au was found to be inappropriate as a negative electrode.
[0057]
  2) When Pt is used. When Pt with a thickness of 200 to 300 nm was formed by sputtering, the bubble phenomenon as seen with Au did not occur. From this result, the bubble phenomenon is Al₂O_ThreeIt can be determined that this is a peculiar phenomenon that occurs when the substrate and the Au sputtered film are combined. In Pt sputtering, no bubble-like material was generated, and a uniformly high Pt film could be observed. Therefore, the Pt sputtered film was adopted as the negative electrode for electrolytic Cu plating.
[0058]
  The possible control current value of the direct current stabilized power source attached to the electric field Cu plating apparatus is 0.01 A to 1.25 A, Al₂O_ThreeThick film area is 1cm²(1 cm square). A substrate holder and a cathode electrode that meet these conditions are required. First, a plating substrate holder was produced. At this time, the current density applied to the substrate is 1 cm.²Al₂O_ThreeSince the control accuracy of the current generated by the DC stabilized power supply is low with respect to the substrate, the design was made in consideration of the design to increase the area of the dummy part of the cathode electrode.
[0059]
  (1) As a substrate holder for plating, three types of holders (a), (b), and (c) shown in FIG. As the holder (a), a fixing plate (thickness: 0.5 mm) having a hole 1 mm smaller than the substrate size so that the entire periphery of the substrate can be fixed was used. The plating substrate and the substrate holder are in surface contact. The holder (b) has a structure for fixing the substrate by combining two L-shaped brass plates (thickness: 1 mm). A V-shaped groove was formed on the side surface of the L-shaped brass plate to fit the substrate. Many parts of the plating substrate and the substrate holder can make point contact. For the holder (c), the shape of the substrate holder was designed by a method in which the conductor with high curvature around the sample surface was reduced as much as possible while ensuring the contact area between the substrate holder and the sputtered metal on the sample surface. The plating substrate and the substrate holder are in point contact.
[0060]
  As the Cu film produced using the substrate holders (a) and (b), only a poor Cu film having only a part of the uneven mirror surface was obtained. It was concluded that only a poor Cu film could be obtained by changing the current density or adjusting the plating. The cause was considered as follows. Since these substrate holders (a) and (b) have a large area at a position higher than the surface of the sample substrate, and there are many places with a high curvature in the fixed portion, there is a concentration of electric field there (charge density). It is considered that a phenomenon in which the curvature is low and the charge density is low occurs in a flat portion such as the surface of the sample substrate. As a result, abnormal charge concentration occurs from the substrate surface to the fixing brass plate, and Cu that should be deposited on the sample substrate surface.²⁺Cu that is attracted to the edge of the substrate holder where charge concentration occurs and reaches the sample substrate surface²⁺It is expected that the ion density is lower as it is closer to the substrate holder. Therefore, Cu near the surface of the sample substrate²⁺It is considered that the distribution of ions became non-uniform, resulting in uneven and poor Cu film.
[0061]
  On the other hand, in the substrate holder (c), as a result of preventing the periphery of the sample from becoming a conductor with high curvature, a semicircular rough Cu layer having a radius of about 3.0 mm is formed around the fixing screw at the end of the sample. The Cu film other than the portion became a mirror-like Cu thick film having a uniform film thickness. That is, a mirror-surface Cu thick film having a uniform film thickness can be obtained at a portion not affected by the charge concentration caused by the fixing screw.
[0062]
  (2) A dummy electrode dummy area was secured. The stabilized DC power supply for supplying power to the electrode during plating has a substrate area of 4 × 10²~ 2.25 × 10²[Cm²It is an apparatus suitable for Cu plating. Therefore, the plated area is 1 [cm²In the following cases, appropriate Cu film quality and controllability of Cu film thickness cannot be obtained unless the plated area is enlarged. Therefore, the surface of the substrate holder itself was designed as a cathode electrode (area to be plated: dummy). In addition, a film forming speed of about 0.1 [μm / min] is obtained within the current adjustment range so that the Cu plating film thickness can be easily controlled with an accuracy of 0.1 μm or less. The substrate holder (c) in FIG. 12 satisfies the above conditions. Note that it is not necessary to secure a dummy area if a DC stabilized power supply suitable for the board area can be used.
[0063]
  Next, the electrolytic Cu plating conditions are determined as follows. The temperature is 25 ° C., and the temperature is always kept constant by heater control. As a stirring method, air is stirred by AirBlow and the cathode electrode is moved up and down. The current density is 10^-3~ 50x10^-3[A / cm²].
[0064]
  Since electric field Cu plating greatly depends on the film forming temperature, unless the film forming temperature is always determined to be a constant temperature, the film forming conditions change depending on the temperature, and the temperature is too low or too high. In such a case, it is expected that the plating solution used in this example cannot be formed well. Therefore, the temperature of the plating solution was always kept constant at 25 ° C. by heater control.
[0065]
  Also. Since Cu is a heavy metal, the Cu ion diffusion rate in the liquid is relatively slow. Therefore, the Cu ion density near the cathode electrode is reduced during electroplating. In order to obtain a uniform Cu film on the sample surface, it is necessary to eliminate the uneven ion density in the plating solution. Therefore, air stirring was always performed with AirBlow as a plating solution stirring method. In addition, the Cu ion density near the surface of the plating solution was kept constant by sliding the cathode electrode up and down with a cathode rocker.
[0066]
  As the plating procedure, first, the substrate is polished with 0.1 μm alumina polishing powder (surface roughness: several tens of nanometers), and the substrate cleaned after polishing is dried at 90 ° C. for 10 minutes, and a sputtering apparatus is used. Then, Pt is formed to a film thickness of about 200 to 300 nm to produce a Pt thin film as a cathode electrode. The sample is fixed to the substrate holder c, connected to the cathode plate, and immersed in the plating tank. While starting the agitator, it is left at the lowest current density for the first 10 seconds, and thereafter it is plated at the optimized current density until the target film thickness time.
[0067]
  Here, the current density is a numerical value obtained by dividing the output current value by the area to be plated (cathode area), and is a major factor that regulates the plating speed. Another major factor that limits the plating speed is the solution state (concentration). This is presumably because moisture evaporates over time and the plating solution concentrates as the amount of plating solution changes. In order to keep the plating solution concentration constant, work is performed to add ultrapure water to the water level that reaches the predetermined liquid amount as the plating solution decreases, but the amount of evaporation with respect to time depends on the temperature, humidity, and number of platings. It depends on many factors, and it is important to accurately grasp and adjust the evaporation amount. The sample is plated within a predetermined time (before the change of the plating solution condition: the time during which the evaporation amount is small), and the plating speed is compared (see FIG. 10). From this, it can be seen that in plating at the same current density, the film growth rate is constant, and the plating rate is proportional to the current density.
[0068]
  In the relationship between the plating time and the film thickness shown in FIG. 10, the current density is 22.86 mA / cm.²In the above, a Cu film having a rough surface with a low density is deposited. This can be said to be a phenomenon that occurs because the plating speed is too high because the current density is too high. When the plating speed is high, the Cu ion density on the negative electrode surface is lowered. In addition, since the charge density in the constant cathode area becomes too large, a large amount of Cu is deposited from a certain area within a certain time (excess deposition rate). For this reason, Cu is deposited before being arranged, and defects in the film increase. Furthermore, when unevenness due to a defect occurs, it is expected that a further charge concentration occurs in the convex portion, and the phenomenon that the unevenness becomes more prominent.
[0069]
  On the other hand, 22.86 mA / cm²In the following current density, a uniform Cu film can be obtained, but in order to perform electrolytic Cu plating on a micro microstrip line having a rectangular cross section on a substrate, the rectangular shape of the deposited Cu is maintained, and 0.1 μm or less. Film thickness control in the order of. That is, if the current density value is too large, charge concentration occurs at the corners, and it is considered that the shape is deformed because the Cu growth rate is high at the place where the charge concentration is high, so that the current density is suppressed to an appropriate value. Therefore, it is necessary to determine a current density value that can maintain the rectangle and can control the film thickness to 0.1 μm or less. The current density value satisfying this is 3.6 mA / cm.²Was set as the optimum current density value.
[0070]
  FIG. 13 is a comparative photograph of the state of the film surface formed by plating at an excess current density as described above and the state of the film surface formed by plating at an optimum current density. Excess current density (22.9 mA / cm²The film plated above (lower left in the figure) shows that the film surface is rough because there is no reflection, and the optimum current density (3.6 mA / cm²In the film plated with () (lower right in the figure), it can be seen that the film surface is a mirror surface because good reflection is observed.
[0071]
  As described above, for the production of an integrated RF module, Al can be deposited at room temperature using the aerosol deposition method.₂O_ThreeThe dielectric thick film manufacturing technique, the electrolytic Cu plating and the fine patterning technique for forming a square fine Cu line have been described. Next, these technologies were used to design a micro Low-Pass LC-filter required for the integrated RF module. This allows Al on a metal base using the aerosol deposition method in an integrated RF module.₂O_ThreeThe effectiveness of thick film formation was confirmed by electromagnetic field analysis.
[0072]
  First, considering the compatibility with the cut-off frequency of 10 GHz, the inductance and capacitance values of the second-order constant K-type LPF (Low Pass Filter) with an impedance of 50Ω are calculated, and the ideal pass using the circuit simulation software (Microwave Office) Characteristics (S_{twenty one}) And electromagnetic field analysis software (Sonnet Suite), a three-dimensional model (see Fig. 14 (a)) that takes into account the dielectric loss, parasitic capacitance, inductance, and electric field wraparound of each element, and the passing characteristics. (S_{twenty one}) Was analyzed. The analysis conditions used are shown in Table 2. The dimension of the LC filter was 0.2 [mm] × 0.4 [mm].
[0073]
[Table 2]

[0074]
  When an LC filter with a cutoff frequency of 10 GHz is calculated using an ideal inductor (L) and capacitor (C) without loss, L is 1.13 nH and C is 0.45 pF. The theoretical value of the pass characteristic by the circuit simulator is indicated by a thin line in FIG. On the other hand, the simulation result of the passage characteristic analyzed by the electromagnetic field analysis software is shown by a dark line in FIG. The simulation result of electromagnetic field analysis of a three-dimensional model close to the real thing shows that the cutoff frequency is slightly higher than the ideal LPF pass characteristics, but the LPF characteristics in the 10 GHz band are shown. Satisfies enough. That is, Al formed on a metal base using an aerosol deposition method to form an integrated RF module through the design of a micro Low-Pass LC-filter.₂O_ThreeIt can be understood that it is effective to use a thick film, and it is possible to form a micro microstrip line that is extremely advantageous for miniaturization and high performance.
[0075]
【The invention's effect】
  As described above, according to the method for producing an RF module according to claim 1, Al is deposited by the aerosol deposition method.₂O_ThreeSince an insulating film having a thickness of 1 to 50 [μm] is formed at room temperature using fine particles, an Al thin plate can be used as the base, and a metal material substrate that can be obtained with low dimensional accuracy by machining. By this, an RF module can be manufactured. Furthermore,The surface roughness of the insulating film formed on the metal base is 10 nm or more, and the good adhesion strength of Pt to the insulating film is obtained by suppressing it to a range where the transmission characteristics in the high frequency region do not deteriorate. Therefore, a microstrip line can be formed by forming a Pt base wiring for a microstrip line on the insulating film and applying an electric field only to the Pt base wiring to plate copper.
[0076]
  Further, according to the method for producing an RF module according to claim 2,The microstrip line has a current density of 10 for electroplating. ^-3 ~ 50x10 ^-3 [A / cm ² And plating with copper applied by applying an electric field only to the Pt ground wiring in a state where the plating rate is controlled within a range of 0.1 [μm] to 1 [μm] per minute. Formed withThus, a microstrip line having a rectangular cross section can be obtained, and good high frequency characteristics can be expected.
[0077]
According to the method for manufacturing an RF module according to claim 3, the insulating film is formed to have a relative dielectric constant of 5 to 10 and a thickness of 5 to 30 μm, and the line width of the microstrip line is 5 Since the microstrip line having a characteristic impedance of 50Ω is formed at ˜40 μm, impedance matching is possible even if the line width of the microstrip line is reduced to the order of 10 μm. It is advantageous.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an integrated RF module manufactured using an AD method.
2A shows a case where a conventional microstrip line manufactured on a printed wiring board of a conventional product has a characteristic impedance of 50Ω and a micro on a ceramic film formed on a metal base like the RF module of the present embodiment. It is a comparison outline figure with the case where a stripline is made into characteristic impedance 50ohm.
  (B) It is a comparison outline figure of the cross-sectional shape of the microstrip line formed by the screen printing method utilized for wiring formation by the conventional LTCC method, and the cross-sectional shape of the microstrip line formed by the copper plating method.
FIG. 3 is a schematic configuration diagram of a film forming apparatus using an aerosol deposition method.
FIG. 4 (a) Al of SG160A₂O_ThreeIt is the photograph of the state which formed into a film on the glass substrate using microparticles | fine-particles.
  (B) SG160B Al₂O_ThreeIt is the photograph of the state which formed into a film on the glass substrate using microparticles | fine-particles.
FIG. 5 (a) Al in raw material powder SG160A₂O_ThreeIt is a microscope picture of microparticles | fine-particles.
  (B) Al in raw material powder SG160B₂O_ThreeIt is a microscope picture of microparticles | fine-particles.
FIG. 6 (a) Al film formed₂O_ThreeIt is a microscope picture of the surface of the thick film as-deposited.
  (B) Al film formed₂O_ThreeIt is a microscope picture of the surface after polishing of a thick film.
  (C) Al formed on an Al substrate₂O_ThreeIt is a microscope picture of a thick film cross section.
FIG. 7 Al₂O_ThreeAnd X-ray diffraction pattern characteristics diagram of raw material powder.
FIG. 8 is a frequency characteristic diagram of relative permittivity and dielectric loss.
FIG. 9 is a frequency-impedance characteristic diagram of a microstrip line.
FIG. 10 is a specific diagram showing the relationship between plating time and film thickness.
FIG. 11A is a photomicrograph of a fine microstrip line.
  (B) A three-dimensional image drawn from laser microscope observation data.
FIG. 12 is an external view of a substrate holder.
FIG. 13 is a comparative photograph of the state of the film surface formed by plating at an excess current density and the state of the film surface formed by plating at an optimum current density.
14A is a schematic configuration diagram of a low-pass filter with a cutoff of 10 GHz. FIG.
  FIG. 14B is a characteristic diagram showing filter transmission characteristics by theoretical calculation of the low-pass filter in FIG. 14A and filter transmission characteristics simulated from experimental values.
[Explanation of symbols]
  1 First 2D circuit
  11 Metal base
  12 Insulating film
  13 Pattern wiring
  2 Second 2D circuit
  21 Metal base
  22 Insulating film
  23 Pattern wiring
  3 Third 2D circuit
  31 Metal base
  32 Insulating film
  33 pattern wiring

Claims

A method of manufacturing an RF module in which capacitors, resistors, and inductors, which are passive components, are integrated in one module,
By forming an insulating film having a thickness of 1 to 50 [μm] at room temperature using an Al ₂ O ₃ fine particle by an aerosol deposition method on a metal base that is an Al thin plate having an arbitrary shape , the surface roughness is reduced. 10 [nm] or more, besides to forming an insulating film deterioration is suppressed to a range that does not occur in the transmission characteristic in a high frequency region, to form a two-dimensional circuit including a microstrip line on the insulating film,
The microstrip line is formed by forming a Pt base wiring for a microstrip line on an insulating film, and plating the copper by applying an electric field only on the Pt base wiring. A method for manufacturing an RF module.

The microstrip line accurately controls the current density of electroplating in the range of 10 ⁻³ to 50 × 10 ⁻³ [A / cm ² ] and the plating rate is 0.1 [μm] to 1 [1] per minute. 2. The method of manufacturing an RF module according to claim 1, wherein an electric field is applied only to the Pt base wiring and the copper is plated in a state of being in the range of [mu] m] .

The insulating film is formed to have a relative dielectric constant of 5 to 10 and a thickness of 5 to 30 [μm], a line width of the microstrip line is 5 to 40 [μm], and a characteristic impedance is 50 [Ω A method for producing an RF module according to claim 1 or 2, wherein a microstrip line is formed.