JP4342768B2 - 機構デバイスおよび磁気駆動型機構デバイス - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロマシン技術を用いて形成され、金属の多層構造を成す梁構造を有する機構デバイスおよび磁気駆動型機構デバイスに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図８は、この種の機構デバイスを示す図で、特に磁気動作する機構デバイスを示したものである。
【０００３】
図８において、５０１はシリコン基板、５０２はシリコン基板５０１上に形成された絶縁膜としての酸化膜である。５０３は下部電極で、該下部電極５０３は、酸化膜５０２上に半導体プロセス（フォトリソグラフィ法）によってレジストでパターニングを行い、蒸着器を用いてアルミニウムを蒸着することにより形成されている。
【０００４】
５０４は、下部電極５０３との電気的接触を確保できるようにシリコン基板５０１上に形成された上部電極となる片持ち梁構造部である。この片持ち梁構造部５０４も同様にマイクロマシン技術の一種である半導体プロセス（フォトリソグラフィ法）後、アルミニウムを蒸着することにより形成されている。
【０００５】
５０５は、磁気駆動材料としての磁性体（コバルト、ニッケル、鉄）で、非磁性材料であるアルミニウムで構成された片持ち梁構造部５０４に磁気性を設けるさせるためのもので、陽極酸化法によって片持ち梁構造部５０４表面に多孔質性を有する金属であるアルミナを形成し、アルミナの孔の中に電解メッキを用いて磁性体を埋め込むことにより構成されたものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の片持ち梁構造部５０４は、異なる金属（ここではアルミニウムと磁性体）が多層構造化されてなるために、そりが発生するという問題があった。これは、多層構造を構成するアルミニウムと磁性体との膨張率が大きく異なることによるものと考えられる。すなわち、金属層を積層していく製造過程において、温度変化による膨張・収縮が行われ、この際、金属間の膨張率の差により金属同士の接触面において残留応力が発生し、この残留応力によってそりが生じると考えられる。
【０００７】
また、基板がシリコンであるため、絶縁層の形成を必要とすることから、酸化膜を形成する際に電気炉が必要となり、また、片持ち梁構造部５０４にアルミニウムを使用していることから蒸着器を用いてアルミニウムを蒸着する必要があり、製作時間、設備コストがかかるという問題があった。
【０００８】
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、マイクロマシン技術を用いて形成した金属の多層構造を有する梁構造において、金属層間の残留応力を緩和して反りを防止し、またコスト面で有利な機構デバイスを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る機構デバイスは、第１の金属層の上面に第２の金属層が積層された多層構造を成す梁構造を有し、マイクロマシン技術を用いて形成された機構デバイスであって、第１の金属層を金層、第２の金属層を第１のニッケル層とし、第２の金属層の表面全体を覆う第３の金属層をフォトリソグラフィ法および電解メッキ法を用いて形成し、第３の金属層を第１の金属層と同じ材料である金で構成し、且つ第１の金属層の２倍の厚みとしたものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一実施の形態の機構デバイスの断面図である。
【００１１】
機構デバイス１００は、基板１と、下部電極２と、片持ち梁構造を有し、本発明の主要部である上部電極３とを備えている。
【００１２】
基板１は、ガラスエポキシ樹脂で構成された絶縁基板１１上に、導電性材料としての銅箔１２が貼着されたいわゆるプリント基板で、銅箔１２は、半導体プロセス（フォトリソグラフィ）によるパターンニング後、銅箔１２のエッチング液である塩化第二鉄でウェットエッチングが行われ、これにより不要な銅箔部分が除去されて配線パターンが形成されており、その配線パターン上に下部電極２、上部電極３が電気的に接続されている。なお、以下では適宜、銅箔１２のうち、下部電極２に接触する部分を下部電極用銅箔１２ａ、上部電極３に接触する部分を上部電極用銅箔１２ｂとして区別することにする。
【００１３】
下部電極２は、下部電極用銅箔１２ａの表面全体を磁性層としてのニッケル層２１で覆い、更にそのニッケル層２１の表面全体を導電層２２で覆った構成を有している。ニッケル層２１および導電層２２はそれぞれ以下に詳述する半導体プロセス（フォトリソグラフィ法）および電解メッキ法を用いて形成されており、導電層２２は金（接点材料）で構成されている。ここで、金は、腐食に強いことから、金でニッケル層２１を覆うことによりニッケル層２１の酸化を防止でき、また、導電層２２自身の酸化も防止できて、接触抵抗の上昇が防止されて初期の導電性を維持でき、接点性能の安定化を図ることが可能となっている。また、この導電層２２を構成する材料には、本発明の機構デバイス１００の製造時の最終工程（後述する）におけるウェットエッチングの際に、ニッケル層２１が浸食されないように保護する役割も必要とされていることから、その面からも、最終工程のウェットエッチングで用いるエッチング液（ここでは塩化第二鉄）に対して耐エッチング性を有する金が用いられている。
【００１４】
上部電極３は、フォトリソグラフィ法および電解メッキ法を用いてそれぞれ形成された片持ち梁構造部３１と、磁性体部３２とを有している。片持ち梁構造部３１は、上部電極用銅箔１２ｂ上にその底面が接触する基部３１ａと、該基部３１ａに支持された梁部３１ｂとで構成され、耐エッチング性を有する導電性材料である金（接点材料）で構成されている。なお、基部３１ａは、上部電極用銅箔１２ｂの表面全体を覆うように構成されている。
【００１５】
ここで、接点材料として金を用いることにより、上述したように接点性能安定化を図ることが可能となる。また、金は硬度が低く柔軟性のある材料であることから、片持ち梁構造部３１を金で構成することにより、以下に詳述するが、梁部３１ｂを磁力によって下部電極２側に引き寄せる際に、微少な磁力でも動作することが可能となり、よって、高感度の機構デバイス１００を構成することが可能となる。また、機構デバイス１００の製造に際する最終工程（後述する）におけるウェットエッチングに対し、耐性が必要である面からも、金が用いられている。また、上部電極用銅箔１２ｂの側面を片持ち梁構造部３１の基部３１ａによって覆った構成であることから、最終工程におけるウェットエッチングに際し、上部電極用銅箔１２ｂがエッチングされるのを防止できるようになっている。
【００１６】
磁性体部３２は、磁性層としてのニッケル層３２ａの表面全体を耐エッチング層３２ｂで覆った構成となっている。このニッケル層３２ａおよび耐エッチング層３２ｂはそれぞれフォトリソグラフィ法および電解メッキ法を用いて形成されており、該耐エッチング層３２ｂは金で構成されている。耐エッチング層３２ｂに金を用いることにより、上述したようにニッケル層３２ａの酸化を防止でき、また、機構デバイス１００の製造時の最終工程（後述する）におけるウェットエッチングに際し、ニッケル層３２ａがエッチングされないように保護することができる。
【００１７】
このように構成された上部電極３は、図１から明らかなように、金層（梁部３１ｂ）、ニッケル層３２ａ、金層（耐エッチング層３２ｂ）の多層構造となっている。このため、各層間に残留応力が発生する。ここで、本発明では、多層構造部分において、金層（梁部３１ｂ）上に積層されたニッケル層３２ａの表面全体、すなわちニッケル層３２ａの側面および上面を金層（耐エッチング層３２ｂ）で覆い、且つそのニッケル層３２ａの側面および上面に接触する金層（耐エッチング層３２ｂ）を、ニッケル層３２ａの底面に接触する金層（梁部３１ｂ）よりも厚く形成するようにした。これにより、残留応力が緩和され、反りを防止することが可能となる。
【００１８】
また、上部電極３は、下部電極２との電気的接触が成されるように、梁部３１ｂが磁力によって下方に撓んだ場合に、梁部３１ｂの先端部が下部電極２と接するような配置および寸法で基板１上に形成されている。
【００１９】
なお、下部電極２および上部電極３は、それぞれその上面が基板面と平行になるように基板上に形成されている。
【００２０】
ここで、本実施の形態において機構デバイス１００の各部の寸法は以下の通りである。すなわち、基板１は、長さ２ｃｍ，幅１．５ｃｍで、銅箔部分の厚みが９μｍ、下部電極２の長さ，幅，厚みはそれぞれ１３００μｍ，９００μｍ，１１μｍ（この厚みは銅箔の厚み９μｍを含むもので、その他の内訳はニッケル層２１の厚み１μｍ、導電層２２の厚み１μｍ）、片持ち梁構造部３１の梁部３１ｂの長さ，幅，厚みはそれぞれ１０００μｍ，１５０μｍ，１μｍ、基部３１ａの長さ，幅，厚みはそれぞれ１０００μｍ，８００μｍ，１０μｍ（この厚みは銅箔の厚み９μｍを含むもので、金で構成されている部分が１μｍである）。磁性体部３２の長さ，幅，厚みはそれぞれ７００μｍ，６０μｍ，１２μｍ（ニッケル層３２ａの厚み１０μｍ、耐エッチング層３２ｂの厚み２μｍ）である。
【００２１】
図２は、図１に示す機構デバイスの動作説明図である。
図２において、４１は、梁部３１ｂとの磁性間距離を十分狭くするために下部電極２の真下に設置された電磁石である。この電磁石４１に電圧を印加することにより磁界４２が発生し、この磁界４２によって上部電極３のニッケル層３２ａ及び下部電極２のニッケル層２１が磁化して上部電極３側のニッケル層３２ａ及び下部電極２側のニッケル層２１間に磁気吸引力が生じる。これにより、上部電極３の梁部３１ｂが下部電極２側に引き寄せられ、梁部３１ｂの先端部が下部電極２に接触してスイッチＯＮする。そして、電磁石４１への電圧の印加を停止すると、磁界４２が消滅し、ニッケルは残留磁化率が低いことから、磁界４２の消滅によってニッケル層３２ａ、２１間の磁気吸引力も消滅する。すると、梁部３１ｂは自身の弾性力によって非接触に戻りスイッチＯＦＦとなる。上記の寸法で構成した本実施の形態の機構デバイス１００では、電磁石４１から７ｍＴ（テスラメータにより測定）の磁力でスイッチとして動作することが確認された。以下にその実験結果を示す。
【００２２】
図３は、コイル波形に対する機構デバイスの動作波形を示す図である。
ここでは、電磁石４１に１００Ｖの電圧を印加し、図示しないトランジスタを使用してゲートに図示しない発信機から信号（１０Ｈｚ）を入力して磁界４２をＯＮ、ＯＦＦさせたときの機構デバイス１００の動作波形を示している。なお、機構デバイス１００には１Ｖの電圧を印加している。図３より、磁界４２のＯＮ・ＯＦＦにより、機構デバイス１００も同様の時間でＯＮ・ＯＦＦしていることが示されている。この実験により、機構デバイス１００としての動作が確認できた。
【００２３】
次に、図１に示した機構デバイスの製造方法について説明する。この機構デバイス１００は、マイクロマシン技術を用いて製造され、マイクロマシン技術には、ＩＣ、ＬＳＩなどの製作で用いられる半導体プロセス（フォトリソグラフィ）を使用する。以下、その製造方法について詳細に説明する。
【００２４】
図４〜図７は、機構デバイスの製造方法の説明図である。以下、各図を順に説明する。
【００２５】
図４は銅箔の配線パターンの製造過程を示す図で、（ａ）〜（ｄ）は断面図、（ｅ）は（ｄ）の平面図である。
まず、（ａ）に示す加工前の基板１上に、（ｂ）基板１の表面にフォトレジスト膜４３を塗布し、フォトレジスト膜４３をマスクアライナーで露光し、現像液で現像して、銅箔１２において配線パターンとなる部分以外の部分を露出（開口）させた開口パターン４４を形成する（フォトリソグラフィ工程）。そして、（ｃ）塩化第二鉄でウェットエッチングを行い、開口パターン４４に対応する銅箔１２部分すなわちフォトレジスト膜４３でマスクされていない部分を除去して絶縁基板１１を露呈させ、（ｄ）（ｅ）フォトレジスト膜４３を除去して（フォトレジスト膜除去工程）、銅箔１２上に下部電極用銅箔１２ａ、上部電極用銅箔１２ｂを有する配線パターンを形成する。
【００２６】
図５（ａ）〜（ｄ）は下部電極の製造過程を示す図である。
次いで、（ａ）基板１の表面にフォトレジスト膜５１を塗布し、フォトレジスト膜５１をマスクアライナーで露光し、現像液で現像して、フォトレジスト膜５１に下部電極形成用の開口パターン６１を形成する（フォトリソグラフィ工程）。そして、（ｂ）この開口パターン６１部分に電解メッキ装置によりニッケル２１を積層する（電解メッキ工程）。この電解メッキの際、ニッケル層２１は、下部電極用銅箔１２ａの表面全体を覆うように積層される。そして、（ｃ）同様に開口パターン６１部分に電解メッキ装置により金２２を積層する（電解メッキ工程）。この電解メッキの際、金２２は、ニッケル層２１の表面全体を覆うように積層される。そして、（ｄ）フォトレジスト膜５１を除去して（フォトレジスト膜除去工程）、ニッケル層２１の表面全体を金２２で覆った構成の下部電極２を形成する。
【００２７】
図５及び図６は上部電極の製造過程を示す図である。
まず、図５（ａ）下部電極２を含む基板１上にフォトレジスト膜５３を塗布し、フォトレジスト膜５３をマスクアライナーで露光し、現像液で現像して、フォトレジスト膜５３に犠牲層形成用の開口パターン６３を形成する（フォトリソグラフィ工程）。そして、（ｂ）この開口パターン６３部分に電解メッキ装置によりニッケル７１を積層して（電解メッキ工程）、（ｃ）フォトレジスト膜５３を除去して（フォトレジスト膜除去工程）、基板１および下部電極２上に犠牲層７１を形成する。
【００２８】
ついで、同様に（ｄ）下部電極２および犠牲層７１を含む基板１上にフォトレジスト膜５４を塗布し、フォトレジスト膜５４をマスクアライナーで露光し、現像液で現像して、フォトレジスト膜５４に片持ち梁状の構造層形成用の開口パターン６４を形成する（フォトリソグラフィ工程）。そして、（ｅ）この開口パターン部分に電解メッキ装置により金３１を積層する（電解メッキ工程）。この電解メッキの際、金３１は上部電極用銅箔１２ｂとの接触面において、上部電極用銅箔１２ｂの表面全体を覆うように積層される。そして、（ｆ）フォトレジスト膜５４を除去して（フォトレジスト膜除去工程）、基板１および犠牲層７１上に構造層３１を形成する。
【００２９】
そして、図６（ａ）下部電極２、犠牲層７１および構造層３１を含む基板１上にフォトレジスト膜５５を塗布し、フォトレジスト膜５５をマスクアライナーで露光し、現像液で現像して、フォトレジスト膜５５に上部電極３（図１参照）の磁性層形成用の開口パターン６５を形成する（フォトリソグラフィ工程）。そして、（ｂ）この開口パターン６５部分に電解メッキ装置によりニッケル３２ａを積層して（電解メッキ工程）、（ｃ）フォトレジスト膜５５を除去して（フォトレジスト膜除去工程）、基板１上にニッケル層３２ａを形成する。
【００３０】
ついで、（ｄ）下部電極２、犠牲層７１、構造層３１およびニッケル層３２ａを含む基板１上にフォトレジスト膜５６を塗布し、フォトレジスト膜５６をマスクアライナーで露光し、現像液で現像して、フォトレジスト膜５６に耐エッチング層形成用の開口パターン６６を形成する（フォトリソグラフィ工程）。そして、（ｅ）この開口パターン６６部分に電解メッキ装置により金３２ｂを積層して（電解メッキ工程）、（ｆ）フォトレジスト膜５６を除去して（フォトレジスト膜除去工程）基板１上にニッケル層３２ａの表面全体を金３２ｂで覆った構成の磁性体部３２を形成する。
【００３１】
そして、最終工程として塩化第二鉄をエッチング液として用いてウェットエッチングを行うことにより、犠牲層７１と、基板１において不要な銅箔１２部分とが選択的に除去される。その結果、図１に示したような機構デバイス１００が製作される。
【００３２】
以上のように本実施の形態によれば、金層（梁部３１ｂ）、ニッケル層３２ａ、金層（耐エッチング層３２ｂ）間の残留応力が緩和され、反りが防止された機構デバイス１００を得ることが可能となる。
【００３３】
なお、上記では、磁気で駆動する片持ち梁構造であって、且つ製造過程にウェットエッチングが含まれる機構デバイス１００を例示して説明したことから、多層構造を構成する各層に、磁性を有するニッケル、耐エッチング性を有する金を用いることとして説明してきたが、これに限られたものではなく、その各層にそれぞれ求められる性質（ここでは、磁性、耐エッチング性）を満足する金属で構成されていればよく、要するに、多層構造部分において、第１の金属層上に積層された第２の金属の表面全体を前記第１の金属層と同材料で構成された第３の金属層で覆い、且つ、該第３の金属層を前記第１の金属層よりも厚く形成する構成とされればよい。
【００３４】
なお、上記では、磁気で動作する片持ち梁構造に関して金属層間の応力緩和を図ったものであるが、片持ち梁構造に限られたものではなく、マイクロマシン技術を用いて形成された多層構造を成す梁構造であれば、上記の構成を採用することにより応力緩和が可能である。
【００３５】
また、本実施の形態の機構デバイス１００は、半導体プロセス（フォトリソグラフィ法）、電解メッキ法といったマイクロマシン技術を用いることにより形成されたものであるので、数ミクロン単位まで小型に構成できる。また、製造時間の短時間化および低コスト性に優れたフォトリソグラフィ法および電解メッキ法を用いて製造されるため、製作時間、設備コスト面で有利な機構デバイス１００を得ることができる。なお、この種の機構デバイスは、例えば通信機器などの各種機器に組み込まれて使用されるものであるが、機構デバイス１００が数ミクロン単位まで小型化できることで、この機構デバイス１００が組み込まれる機器の小型化にも貢献することが可能となる。
【００３６】
また、この機構デバイス１００は、図３の実験結果から明らかなように、磁力によって動作するスイッチとして機能することができ、その可動部である片持ち梁構造部３１を柔軟性のある金で構成しているため、上述したように微少な磁力にでも動作することのできる感度の高い磁気駆動型スイッチを構成できる。
【００３７】
また、半導体プロセス（フォトリソグラフィ）と電解メッキだけで製造できるため、基板１上での製作が可能となり、よって、マイクロ単位まで設計値を小さくすることで一基板上に複数（数十個、数百個など）の機構デバイス１００を製作することができ、大量生産も可能となる。
【００３８】
また、この大量生産に際し、上記のフォトリソグラフィ工程において、基板１上に所定層用の開口パターンを適宜離間して複数形成し、各開口パターン部分に電解メッキを行い、その後、フォトレジスト膜をエッチングによって除去して所定層を形成する作業を繰り返すことにより、複数の機構デバイスを同時に製作でき、製造時間を短時間化することが可能となる。このように、集積化し、大量生産することで生産コスト削減にも寄与できる。
【００３９】
また、機構デバイス１００の製造に際し、化学的蒸着（CVD：Chemical Vapor Deposition）や物理的蒸着（PVD：Physical Vapor Deposition）（スパッタリング法、蒸着法）など、時間のかかる製造プロセスがないため、製造時間を短縮できる。
【００４０】
ところで、現在、マイクロマシンの製作はシリコン基板上で行われるのが一般的であるが、本発明の片持ち梁構造を備えた機構デバイスは、プリント基板上で製作するため、基板材料の面でも、シリコン基板に比べてコスト削減が期待できる。
【００４１】
また、プリント基板は、シリコン基板を用いる場合に必要となる電気炉熱酸化法による絶縁層（酸化膜）の形成工程が不要であるため、製造コストを低減でき、またこの絶縁層の形成は時間の掛かるプロセスであることから、このプロセスが不要となることにより製造時間短縮にも寄与できる。
【００４２】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、第１の金属層、第２の金属層および第３の金属層間の応力が緩和されて反りが防止され、且つコスト面で有利な梁構造を有する機構デバイスを得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態の機構デバイスの断面図である。
【図２】図１の機構デバイスの動作説明図である。
【図３】コイル波形に対する機構デバイスの動作波形を示す図である。
【図４】銅箔の配線パターンの製造過程を示す図である。
【図５】下部電極の製造過程を示す図である。
【図６】上部電極の製造過程を示す図（その１）である。
【図７】上部電極の製造過程を示す図（その２）である。
【図８】従来の機構デバイスを示す図である。
【符号の説明】
１ 基板
２ 下部電極
３ 上部電極
１１ 絶縁基板
１２ 銅箔
４３，５１，５３〜５６ フォトレジスト膜
２１ ニッケル層（第２のニッケル層）
２２ 導電層
３１ 片持ち梁構造部（構造層）
３１ａ 基部
３１ｂ 梁部（第１の金属層）
３２ 磁性体部
３２ａ ニッケル層（第２の金属層，第１のニッケル層）
３２ｂ 耐エッチング層（第３の金属層）
４２ 磁界
４４，６１，６３〜６６ 開口パターン
１００ 機構デバイス（磁気駆動型機構デバイス）

Claims (4)

1. 第１の金属層の上面に第２の金属層が積層された多層構造を成す梁構造を有し、マイクロマシン技術を用いて形成された機構デバイスであって、
   前記第１の金属層を金層、前記第２の金属層を第１のニッケル層とし、
   前記第２の金属層の表面全体を覆う第３の金属層をフォトリソグラフィ法および電解メッキ法を用いて形成し、前記第３の金属層を前記第１の金属層と同じ材料である金で構成し、且つ前記第１の金属層の２倍の厚みとしたことを特徴とする機構デバイス。
2. 前記梁構造は前記第１の金属層が片持ち梁状を成す片持ち梁構造であり、該片持ち梁構造は基部と該基部に支持された梁部とを有し、前記第２の金属層および前記第３の金属層は前記梁部の上部に設けられ、前記第３の金属層は、前記第１の金属層のうちの前記梁部に相当する部分よりも厚く構成されてなることを特徴とする請求項１記載の機構デバイス。
3. 絶縁基板上に銅箔で配線パターンが形成され、該配線パターンのうちの片持ち梁構造用の配線パターン部分に請求項２記載の機構デバイスの前記基部の底面が電気的に接続され、且つ前記配線パターンのうちの下部電極用の配線パターン部分に第２のニッケル層と該第２のニッケル層の表面全体を覆った導電層とを有する下部電極が電気的に接続されてなり、該下部電極は、外部磁界が与えられて前記第１のニッケル層が前記第２のニッケル層と共に磁化して前記梁部が前記下部電極に引き寄せられた際に前記梁部と接触できるように前記基板上に形成されてなることを特徴とする磁気駆動型機構デバイス。
4. 前記導電層および前記第２のニッケル層のそれぞれはフォトリソグラフィ法および電解メッキ法を用いて形成されたものであることを特徴とする請求項３記載の磁気駆動型機構デバイス。

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