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技術 金属間材料からなるバネ構造及びバネ構造の製造方法

出願人 パロ・アルト・リサーチ・センター・インコーポレーテッド
発明者 トーマスハントシェルブレントエスクルーサー
出願日 2005年8月2日 (15年4ヶ月経過) 出願番号 2005-223692
公開日 2006年2月16日 (14年10ヶ月経過) 公開番号 2006-043878
状態 特許登録済
技術分野 測定用導線・探針 マイクロマシン ばね
主要キーワード 位相転換 応力減衰 リリースバネ 後続動作 バネフィンガ 金属スプリング 金属間材料 スプリングコア
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (20)

課題

製造コストおよび複雑度の増大を避けながら、スパッタリングされた応力加工バネ構造の先端高が比較的高いバネ構造を製造する、高信頼性かつ反復可能なバネ構造の製造方法を提供することである。

解決手段

本発明に係るバネ構造の製造方法は、基板101に搭載されたバネフィンガ120を含むバネ構造100の製造方法であって、前記基板101に接続されたアンカー部122および前記アンカー部122から伸びカンチレバー部125を含む前記バネフィンガ120を形成するステップにおいて、前記バネフィンガ120が、金属および少なくとも1種の他の成分を含む固溶体から成る金属層を含むようにするステップと、前記金属層が前記固溶体から金属間化合物転換するように前記バネフィンガ120を選択された温度でアニーリングするステップとを含むことを特徴とする。

概要

背景

フォトリソグラフィによりパターン付けされて、応力加工(stress engineered)されたバネ構造が開発されており、例えば低コストプローブカード(probe cards)の製造や集積回路間電気接続に利用されている。典型的な従来型バネ構造は、自身の下部/上部における内部引張応力が、上部/下部におけるよりも高くなるように意図的に作られた応力加工(別名「ストレッシー」)膜から形成されている。この内部応力勾配は、所望の応力特性を有する異なる材料を重ねて層にすることにより、あるいは単一の材料を用いて製造パラメータを変えることにより応力加工膜に生じる。応力加工膜はパターン付けされて、下地基板に直接または中間リリース材層を用いて固定されたフィンガーを形成する。リリース材(および/または下地基板)がバネフィンガ(spring finger)のカンチレバー(cantilever)(自由)部分の下側から選択的にエッチングされている場合、片持ち梁状のカンチレバー部は、内部応力勾配により生じた曲げ力により基板から離れる方向へ曲がり、そのため湾曲したバネフィンガが生じてアンカー部により基板と固定されたままになる。そのようなバネ構造をプローブカードに用いて、集積回路回路基板、および電極アレイ電気的に接着したり、インダクタ可変コンデンサ、および起動ミラー等の他の機器を製造することができる。そのようなバネ構造の例は、特許文献1または特許文献2に示されている。

米国特許第3842189号明細書
米国特許第5613861号明細書

概要

製造コストおよび複雑度の増大を避けながら、スパッタリングされた応力加工バネ構造の先端高が比較的高いバネ構造を製造する、高信頼性かつ反復可能なバネ構造の製造方法を提供することである。本発明に係るバネ構造の製造方法は、基板101に搭載されたバネフィンガ120を含むバネ構造100の製造方法であって、前記基板101に接続されたアンカー部122および前記アンカー部122から伸びるカンチレバー部125を含む前記バネフィンガ120を形成するステップにおいて、前記バネフィンガ120が、金属および少なくとも1種の他の成分を含む固溶体から成る金属層を含むようにするステップと、前記金属層が前記固溶体から金属間化合物転換するように前記バネフィンガ120を選択された温度でアニーリングするステップとを含むことを特徴とする。

目的

事実上、バネ構造100の曲率は、所定の最大温度以下の全ての動作温度で「凍結され」、それによりバネ構造を極めて高い信頼性で、繰り返し可能に、かつ比較的安価に製造する方法を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
2件

この技術が所属する分野

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請求項1

基板に搭載されたバネフィンガを含むバネ構造の製造方法であって、前記基板に接続されたアンカー部および前記アンカー部から伸びカンチレバー部を含む前記バネフィンガを形成するステップにおいて、前記バネフィンガが、金属および少なくとも1種の他の成分を含む固溶体から成る金属層を含むようにするステップと、前記金属層が前記固溶体から金属間化合物転換するように前記バネフィンガを選択された温度でアニーリングするステップと、を含むバネ構造の製造方法。

請求項2

基板に取り付けられたアンカー部を含む細長いバネフィンガと、前記アンカー部から伸びるカンチレバー部と、前記カンチレバー部の遠位端にある先端とを含み、前記バネフィンガが、2種以上の成分を含む金属間化合物からなる金属層を含むバネ構造。

請求項3

基板に取り付けられたアンカー部を含む細長いバネフィンガと、前記アンカー部から伸びるカンチレバー部と、中央部位の遠位端にある先端と、スプリングコアの上に形成された金属間コーティングとを含むバネ構造。

技術分野

0001

本発明は一般に集積回路相互接続するためのバネ構造に関し、より具体的にはめっきを施された金属膜から形成され、フォトリソグラフィ(photo lithographically)によりパターン付けされたバネ構造に関する。

背景技術

0002

フォトリソグラフィによりパターン付けされて、応力加工(stress engineered)されたバネ構造が開発されており、例えば低コストプローブカード(probe cards)の製造や集積回路間電気接続に利用されている。典型的な従来型バネ構造は、自身の下部/上部における内部引張応力が、上部/下部におけるよりも高くなるように意図的に作られた応力加工(別名「ストレッシー」)膜から形成されている。この内部応力勾配は、所望の応力特性を有する異なる材料を重ねて層にすることにより、あるいは単一の材料を用いて製造パラメータを変えることにより応力加工膜に生じる。応力加工膜はパターン付けされて、下地基板に直接または中間リリース材層を用いて固定されたフィンガーを形成する。リリース材(および/または下地基板)がバネフィンガ(spring finger)のカンチレバー(cantilever)(自由)部分の下側から選択的にエッチングされている場合、片持ち梁状のカンチレバー部は、内部応力勾配により生じた曲げ力により基板から離れる方向へ曲がり、そのため湾曲したバネフィンガが生じてアンカー部により基板と固定されたままになる。そのようなバネ構造をプローブカードに用いて、集積回路、回路基板、および電極アレイ電気的に接着したり、インダクタ可変コンデンサ、および起動ミラー等の他の機器を製造することができる。そのようなバネ構造の例は、特許文献1または特許文献2に示されている。

0003

米国特許第3842189号明細書
米国特許第5613861号明細書

発明が解決しようとする課題

0004

上に述べた種類のバネ構造の大多数は、現在、スパッタ蒸着技術を用いて製造されており、蒸着工程の間にスパッタ組成または工程パラメータ(例えば圧力および/または電力)を変更しながら応力加工された薄膜がスパッタ蒸着され、このスパッタ蒸着製造法は適当な応力加工された膜を小さいバッチで生成する場合には信頼性が高いことがわかっている。しかし、スパッタ蒸着製造方法で低コストのバネ構造を大量生産する場合には、いくつかの弊害に直面する。第一に、スパッタ蒸着を行なうために必要な装置の購入および保守は極めて高額である。第二に、スパッタ蒸着製造方法は、スパッタ実行を繰り返す間にスパッタリング装置の工程パラメータが時間と共にドリフト(変化)する傾向があり、常にスパッタリング装置の較正を行なう必要があることが一因となって、煩雑であることがわかっている。また、スパッタリング装置内の工程パラメータがローカライズされて互いに異なることから、特定のスパッタ実行の間に形成されたバネ構造の先端高が大幅に異なり、そのため不整合かつ予測不能な結果が生じる恐れがある。さらに、巨大な(すなわち、直径が10.16センチメートル(4インチ)を超える)ウェハーに高い応力の一様性を与える適当なスパッタ装置が未だ生産されていない。

0005

スパッタを利用する製造技術に対して、近年開発された一つの代替案はめっき技術を用いることであり、途中で工程パラメータを変更して所望の応力勾配が得られる。そのようなめっきを利用した製造方法が魅力的なのは、装置のコストがはるかに小さい点だけでなく、めっきが巨大な基板にも高い信頼性を持って適用できる点である。しかし、めっき方法により内部応力勾配を示すめっき膜の製造が容易になるものの、応力加工された膜の圧縮領域において実現できる応力値は比較的低く、しかもめっきを施された応力加工膜は多くの場合、下地基板への接着力が弱い。

0006

製造コストおよび複雑度の増大を避けながら、スパッタリングされた応力加工バネ構造の先端高が比較的高いバネ構造を製造する、極めて高信頼性かつ反復可能な方法が必要とされている。

課題を解決するための手段

0007

本発明に係るバネ構造の製造方法は、基板に搭載されたバネフィンガを含むバネ構造の製造方法であって、前記基板に接続されたアンカー部および前記アンカー部から伸びるカンチレバー部を含む前記バネフィンガを形成するステップにおいて、前記バネフィンガが、金属および少なくとも1種の他の成分を含む固溶体から成る金属層を含むようにするステップと、前記金属層が前記固溶体から金属間化合物転換するように前記バネフィンガを選択された温度でアニーリングするステップとを含むことを特徴とする。

0008

本発明に係るバネ構造は、基板に取り付けられたアンカー部を含む細長いバネフィンガと、前記アンカー部から伸びるカンチレバー部と、前記カンチレバー部の遠位端にある先端とを含み、前記バネフィンガが、2種以上の成分を含む金属間化合物からなる金属層を含むことを特徴とする。

0009

本発明に係るバネ構造は、基板に取り付けられたアンカー部を含む細長いバネフィンガと、前記アンカー部から伸びるカンチレバー部と、前記中央部位の遠位端にある先端と、スプリングコアの上に形成された金属間コーティングとを含むことを特徴とする。

発明の効果

0010

上記の金属間材料からなるバネ構造及びバネ構造の製造方法によれば、信頼性が極めて高く、繰返しが可能であり、かつ比較的安価なバネ構造の製造法及びバネ構造を提供できる。

発明を実施するための最良の形態

0011

図1は、本発明の実施形態に従い製造された例証的なバネ構造100を示す透視図である。バネ構造100は一般に、オプションアンカーパッド110により基板101に取り付けられたバネフィンガ120を含む。バネフィンガ120は、オプションのアンカーパッド110により基板101の表面101−Sに取り付けられたアンカー部122、およびアンカー部122から伸びて表面101−S全体を覆う湾曲したカンチレバー部125を含む。バネフィンガ120の先端125−Tが、カンチレバー部125の「自由」(すなわち支持されていない)端にある。一実施形態において、リリース工程の間にバネフィンガ120の湾曲したカンチレバー部125の下側から選択的にエッチング可能な材料を用いてオプションのアンカーパッド110が形成される。

0012

図2は、本発明の一実施形態に従いバネフィンガ120を製造する簡素化された製造方法を示すフロー図である。全般的に、新規の方法は、バネフィンガ120を形成するステップを含み、当該バネフィンガが、少なくとも1個の基本成分(すなわちニッケル(Ni)や銅(Cu)などの金属))と、非晶質固溶体内で懸濁されているホウ素(B)、リン(P)、シリコン(Si)、スズ(Sn)、アルミニウム(Al)、ジルコニウム(Zr)、金(Au)、パラジウム(Pd)およびインジウム(In)等の1個以上の2次「金属間材料(intermetallic material)」(IM)成分とで構成された少なくとも1個の金属層を含むようにする(ブロック150)。バネフィンガ120は次いで、金属層を固溶体から金属間化合物(例えばNi3BまたはNi3P)に転換する所定の最高アニーリング温度でアニーリングされ、それにより、カンチレバー部125を基板101に対して(例えば、先端125−Tが基板表面101−Sから離れる方へ移動するように)曲げる、および/またはカンチレバー部125(ブロック155)の弾性を増すような曲げ力を金属層に発生させる。Ni+PおよびNi+B金属間化合物以外に、他の例証的なNiを用いる金属間化合物は、Ni+Si、Ni+Sn、Ni+Al、およびNi+Zrを含み、例証的なCuを用いる金属間化合物はCu+B、Cu+P、Cu+Sn、Cu+Au、Cu+Al、およびCu+Inを含む。曲げ力/増大した弾性が、誘導された内部応力勾配ではなくバネフィンガ120内に形成された金属層の位相転換により生じるため、金属層(従ってバネフィンガ120)は、単一のめっき浴および固定された工程パラメータを用いる低コストのめっき手順を用いて形成することができ、それにより、スパッタリングされた応力加工膜の製造工程が大幅に簡素化され、コストが大幅に削減される。さらに、比較的応力が小さい金属層は、基板101へのより高い接着力を示し、従来のめっきが施されたバネ構造に関連する、極めて圧縮された応力加工めっき膜よりも製造がはるかに容易である。さらに、アニーリングされた(金属間)金属層は、(バネフィンガ120に加えられる力が自身の弾性範囲内にある前提で)最高アニーリング温度以下であるすべての後続動作温度においてバネフィンガ120の曲げを「凍結する」。

0013

本発明の一態様によれば、バネフィンガ120は、図1に示すように、および図3(A)〜図7を参照しつつ後述する例証的な実施形態に述べるように、単一の金属層から完全に形成することができる。対照的に、図8図12を参照しつつ後述する各種の実施形態に開示するように、1個以上の転換された金属層を選択的に他の構造と組み合わせてバネフィンガ120を形成してもよい。

0014

図3(A)〜図3(I)および図4に、本発明の第一の特定実施形態によるバネ構造100の製造方法を示す。図3(A)〜図3(G)および図4に、図2のブロック150に従い2個以上の選択された成分の非晶質固溶体からなる金属層を含むバネフィンガを形成する例証的な工程を示し、図3(H)に図2のブロック155に対応するアニーリング工程を示す。以下により詳細に述べるように、図3(A)〜図3(I)に示す特定の工程はいくつかの変更を受ける場合があり、従って、これらの図に示す特定のシーケンスは特に明記しない限り、請求項を制限することを意図していない。

0015

図3(A)を参照するに、本製造方法は、基板101上への導電性リリース材層210の形成、およびリリース材層210上へのめっきシード(seed)層215の蒸着で始まる。基板101は、関連する相互接続ネットワークにより接続された(「接触パッド」)105を介して接触パッドまたは金属を含み、仕上げられたバネ構造への電気接触を与える。

0016

一実施形態において、リリース材層210は、約50〜200nm以上の厚さに、基板101上にスパッタ蒸着されたチタン(Ti)である。チタンは、その塑性(すなわちひび割れに対する耐性)故に、リリース材層として好ましい特性を示す。チタンの有益な塑性を有する他のリリース材を用いてもよい。他の実施形態において、リリース材層210は、引き続き形成された金属層に応じて、Cu、Ni、アルミニウム(Al)、ジルコニウム(Zr)またはコバルト(Co)等の他の金属を含んでいてよい。リリース材層210はまた、シリコン(Si)を用いて形成されていてよい。さらに、2個以上のリリース材層を順次蒸着させて多層リリース構造を形成することができる。さらに別の可能な実施形態において、上述のリリース材のいずれも、2個の非リリース材層(すなわち、以下に述べるバネ金属リリース工程の間に除去されない材料)に挟まれていてよい。

0017

知られている技術により、オプションのシード層215(例えば金(Au)またはNi)がリリース層210の上に形成される。一実施形態において、シード層215は、Tiをベースとするリリース層210上へスパッタされた厚さが50nm以上のAuの層である。

0018

図3(B)に、リリース材層210上に形成された金属層220を示す。本発明の一実施形態に従い、基本成分(例えばNiまたはCu)および1個以上の2次(IM)成分(例えばPおよび/またはB)を含む固溶体を形成する仕方でリリース層210またはオプションのシード層215(図3(A)に示す)の上に金属層220がめっきされる。当該金属層に内部応力勾配を形成する必要がないため、めっき工程は、単一のめっき浴を用いて、電気めっきまたは無電解めっき技術を用いて、固溶体が蒸着する間に工程パラメータを変更することなく実行できるため、応力加工された膜の形成に用いる技術に比べて蒸着工程を非常に簡素化することができる。NiPおよびNiBめっき浴は通常、Niのソースとして塩化ニッケルおよび/または硫酸ニッケルを含む。無電解NiPめっきの場合、通常は次亜リン酸ナトリウム還元剤およびPのソースとして用いる。無電解NiBめっきの場合、通常は水素化ホウ素ナトリウムを還元剤およびBのソースとして用いる。無電解NiPおよびNiBの浴動作温度は通常65℃〜95℃である。使用できる代替的な還元剤は、ジメチルアミンボランおよびヒドラジンである。錯体pH調整剤緩衝剤スタビライザストレスレジューサー(stress reducers)および湿潤剤等の浴添加剤等の浴添加物通常用いられる。電気めっきが施されたNiP浴は、Niのソースとして通常は、塩化ニッケルおよび/または硫酸ニッケルを含む。リン酸および/または亜リン酸がPのソースとして通常用いられている。浴の動作温度は通常、60℃〜95℃である。pH調整剤、緩衝剤、光沢剤、ストレスレジューサーおよび湿潤剤等の浴添加剤が例証的に用いられる。めっきが施されたバネの典型的な厚さは、0.3μm〜2.5μmである。

0019

別の実施形態に従い、金属層220は、所望の固溶体を製造すべく工程パラメータが設定されたスパッタ蒸着技術を用いて形成することができる。通常、スパッタリングはより高価な製造ツールを必要とし、実行にはより長い時間がかかるが、発明者は結果として得られるスパッタ済み金属層は、余分の出費正当化するだけの有益な特徴を提供できると信じる。さらに、以下により詳細に述べるように、スパッタリング工程パラメータを変更して金属層の応力勾配を生じさせることにより、リリースに際して、引き続き形成されたバネフィンガーを基板101から離れる方へ曲げる、上方曲げバイアスが誘発される。

0020

図3(C)、図4を参照するに、1個以上の細長いエッチマスク230(例えば図4に示すマスク230(1)、230(2)、および230(3))が次いで、金属層220の選択された部分の上にパターン付け(例えばフォトレジストを用いて)される。

0021

次に、図3(D)に示すように、1種以上のエッチング液240を用いて金属層220の露出部分がエッチングされ、全長にわたってリリース材層210に接続された細長いバネフィンガ220−1を形成する。一実施形態において、バネフィンガ220−1のアンダーカットを回避する異方性エッチング工程(例えば、フッ素プラズマ内の反応性イオンエッチングまたはアルゴンイオンミリングにより)が用いられる。他の実施形態では、バネフィンガ220−1の下に位置する、特にバネフィンガ220−1のアンカー部222の下に位置する領域で、リリース材の除去が最小化される前提で等方性エッチングを用いることができる。一実施形態において、等方性エッチングは、NiBまたはNiP金属層を除去すべく硝酸をベースとするエッチング液を用いる湿式エッチング工程を含んでいてよい。他の特定のエッチング手順およびエッチング液が従来技術において知られている。従って、バネフィンガ220−1の尚早なリリースが確実に回避され、これは特にアンカー部222において重要である。次いで、エッチマスク230が除去される。

0022

図3(E)を参照するに、各種の理由によりオプションのリリース前アニーリング(pre-release annealing)工程を採用してもよい。一実施形態において、このリリース前アニーリング工程は、バネフィンガ120の金属層を固溶体から金属間化合物に転換する温度で実行してよい。転換された金属間化合物はバネフィンガ120に曲げ力を加えるが、バネフィンガはリリース層210により基板101に連結されているためにこの曲げ力に抵抗する。このリリース前アニーリング工程は、後続するリリースバネフィンガの先端高を比較的低くしたい場合(すなわち、曲げ力の一部を緩和されることにより)に利用してよい。以下により詳細に述べるように、別の実施形態において、比較的低温のリリース前アニーリング工程を用いて、後続のリリースが行なわれた際に、わずかに上方への曲げを生じさせることができる。次いでリリース後アニーリング(post-release annealing)工程を実行して、バネフィンガ120の先端125−Tを所望の先端高まで持ち上げる。

0023

図3(F)を参照するに、リリースマスク250(例えばフォトレジスト)が次いで、リリース材層210のアンカー部222および隣接部212の上に形成され、それにより、バネフィンガ220−1の中央部225と先端225−T、リリース材層210のおよび周辺部(例えば部分214)が露出する。

0024

図3(G)に、リリースエッチング液260(例えば緩衝化(buffered)酸化物エッチング)を用いて、リリースマスク250(例えば図3(F)を再度参照)により露出されたリリース層の部分、周辺部214、および中央部225と先端225−Tの下に位置する部位210Bを選択的に除去するリリース手順を示す。リリースマスク250がバネフィンガ220−1の、アンカーパッド110として保持されているアンカー部222の下に位置するリリース材の部分が大幅にエッチングされることを防止することに留意されたい。また、バネフィンガ220−1が単一のめっき浴を用いて、かつ工程パラメータを変更せずに(すなわち、内部応力勾配なしに)形成されている場合、図3(G)に示すようにバネフィンガ220−1はリリースに際してほとんどまたは全く曲げられない。リリース工程が完了した後でリリースマスク250が除去される。

0025

図3(H)に、固溶体を金属間化合物に転換する所定の最大温度までバネフィンガ220−1を加熱し、それにより基板101から(すなわち、ほぼ直線状のバネフィンガ220−1から湾曲したバネフィンガ120へ)バネフィンガ220−1のカンチレバー125を離れる方へ曲げる曲げ力を発生させるリリース後アニーリング工程を示す。アンカー部222において生じた屈曲力は、アンカーパッド110により基板101へ接着していることにより抵抗を受ける点に注意されたい。リリース前アニーリング(上述)が採用されている場合、リリース後アニーリング工程は省略してよい。リリース後およびリリース前アニーリングの両方が、ホットプレートまたはオーブンを用いて実行することができ、ウェハー上の異なる領域において多様であってよいため、当該ウェハー上に形成された各種のバネが異なるバネ高を実現させることができる。例えば、長さが400μm、幅が40μm、厚さが1.7μmであるNiPのバネフィンガを、200℃〜400℃で1分間〜10分間アニーリングすることができ、結果的に100μm〜200μmの先端高が生じる。結果的に得られたバネ構造100(図3(I)に示す)は、基板101の表面101—Sから所望の先端高さHに先端125−Tを維持する湾曲したカンチレバー部125を示す。事実上、バネ構造100の曲率は、所定の最大温度以下の全ての動作温度で「凍結され」、それによりバネ構造を極めて高い信頼性で、繰り返し可能に、かつ比較的安価に製造する方法を提供する。換言すれば、バネ構造が最大のアニーリング温度以下に維持されていて、加えられた力がバネフィンガ120に関連する弾性範囲内に残っている場合、先端高Hがほぼ一定に保たれている。

0026

図5(A)〜図5(E)にバネ構造100を製造する代替方法を示し、ここでは図3(C)、3(D)を参照しつつ上で述べた第一の特定の実施形態で用いた蒸着後エッチング工程を回避すべく蒸着(硬質)マスクを用いている。図5(A)に、図3(A)を参照しつつ上で述べた方法で形成されたリリース層210およびシード層215を有する基板101を示す。さらに、図5(A)に、シード層215の対応する領域を露出させる細長いウインドウ275を画定する蒸着(硬質)マスク270を示す。事実上、蒸着マスク270は、図4に示すエッチマスク220の実質的に陰画(反転)である。図5(B)を参照するに、金属層220−2は続いて、電気めっき、無電解めっき、またはスパッタ蒸着技術等によりリリース層210上に形成される。図5(C)に、蒸着マスクおよび未使用シード層(例えば、図5(B)に示すシード層部215Aおよび215B)の残りの部位を除去した後でのバネフィンガ220−2およびその下にあるリリース層210を示す。図5(C)はまた、オプションのリリース前アニーリング工程を示す熱波を示している。図5(D)に、上述の(すなわち、リリースマスク250とエッチング液260を用いてリリースする)リリース動作と本質的に同一な方法でのバネフィンガ220−2のリリースを示す。最後に、図5(E)に示すように、アニーリングは上述のように実行されて、バネフィンガ220−2を固溶体から金属間化合物に転換し、それにより平面バネフィンガ220−2を湾曲したバネフィンガ120に曲げ、それによりバネ構造100の製造が完了する。

0027

図6図7に、上述の製造方法に従い作られた実際のバネ構造を示す。特に、これらの図に示すプロトタイプは、無電解ニッケルリンめっきを用いて製造された。最初に、Auシード層を有するウェハーはリソグラフによりパターン付けされ、次いでめっき浴に露出された。ウェハーは、所望のビーム厚さに達するまでめっきが施された。図6のバネ構造には、市販の浴にてめっきが施された厚さ2μmのバネ構造(ビーム)が含まれ、図7に示すバネ構造には自動混合無電解NiP浴を用いてめっきが施された厚さ1.7μmのビームが含まれる。いずれの製造工程の間も工程パラメータは一切変更されなかった。次に、レジストが剥ぎ取られて、残ったAuシード層がエッチングされ、次いでビームがアンダーエッチング(リリース)された。ウェハー全体が次いで、約350℃でアニーリングされた。金属間Ni3P相への転換に起因して、300℃を超えるアニーリング温度でリリース高が劇的に増大した。この効果が自動混合めっき浴の場合だけでなく異なる市販のめっき浴でも同様に観察される点に留意されたい。

0028

単一のめっき浴を用いてバネフィンガの製造が可能なため、本発明によりコスト面での大幅な利点が得られるが、2個以上のめっき浴を用いることにより他の有用な特徴も実現できる。

0029

図8は、2個のめっき浴を用いた例証的な実施形態に従い、基板101上に形成されたバネフィンガ120−2を含むバネ構造100−2を示す側面断面図である。この例では、2個以上のめっき浴を用いて、めっき工程の間に下層(第一の領域)123−2および上層124−2(第二の領域)におけるIM成分の濃度を選択的に変化させる。IM成分濃度をこのように変える理由の一つは、アニーリング工程の間にカンチレバー部125−2の上方への曲げを促進するためであってよい。例えば、IM成分(例えばNi内のBまたはP)の量が、下層123−2に関連する固溶体を析出させるべく用いた第一のめっき浴において比較的高い(例えば7%〜12%)可能性があるため、アニーリングの間の相転移の増大に起因してこの領域で生じる関連曲げ力が最小化される。対照的に、比較的低い濃度(約1%〜6%)のIM成分を含む第二のめっき浴を用いて上層124−2を形成することができるため、固溶体から金属間への相転移の間にこの領域で生じる曲げ力が最大になる。結果的に得られるバネ構造120−2は従って、位相転換の間における上層の収縮が比較的低いために、上向きの所望の総曲げ力を示す。他の代替的な実施形態において、固溶体から金属間への相転移の間に、拡張的な曲げ力を減衰させる応力減衰成分(例えばサッカリン等の有機硫黄化合物)を上下のめっき浴のうちの1個に添加することより、同じIM濃度を有する所望の応力差異を生成することができる。

0030

上で示唆したように、金属間転換の間に生じた、かなりバランスが取れていて、ある場合には予測不可能な曲げ力に起因して、上述の方法に従って形成されたバネフィンガは、所望の曲げ方向とは反対向きに曲がる場合がある。例えば、上方への(すなわち基板から離れる方への)曲げ力が要求されているのに、金属間転換曲げ力が所与のバネフィンガの先端を下方へ(基板の方へ)引っ張る場合がある。初期曲げバイアスによりバネ構造を形成することにより、リリースおよび/またはアニーリングされた際のバネフィンガの曲げ方向の信頼性がより高くなる。例えば、バネ構造100−2(図8)に再び参照するに、下層123−2より強い曲げ力を発揮するように上層124−2を形成することにより、アニーリング工程の間にバネフィンガ120−2が確実に上方へ曲げられる。製造されたバネ構造における初期曲げ力を発生させるべく改良された、バネ構造のいくつかの追加的な製造方法について以下に述べる。

0031

図9(A)〜9(E)に、応力加工された層を用いてバネフィンガのリリース時に初期曲げ力を生成するバネ構造の改良された製造方法を示す。図9(A)に、図3(A)を参照しつつ上で述べた方法で形成されたリリース層210およびオプションのシード層(図示せず)、およびリリース層210に形成された応力加工金属層280を備えた基板101を示す。一実施形態において、応力加工層280は、めっき工程の間に工程パラメータ(例えば電気めっきでの電流密度)を変化させて所望の応力勾配を生成する。別の実施形態において、加工層280は、工程パラメータ(例えばスパッタリング圧力)を変化させながら金属膜のスパッタ蒸着を行なって所望の応力勾配を生じさせることにより形成される。これらの方式のいずれにせよ応力加工層の製造構成は公知技術である。図9(B)を参照するに、金属層290は引き続き、上述の電気めっき、無電解めっき、あるいはスパッタ蒸着技術を用いて応力加工された層280の上に形成される。一実施形態において、金属層290はめっき技術により形成され、応力加工層280よりかなり厚い。図9 (C)に、上述の方式でエッチマスク230および1種類以上のエッチング液240を用いて、応力加工層部280−3および金属層部290−3を含むバネフィンガ220−3を製造するエッチング工程を示す。図9(D)に、上述のリリース操作(すなわちリリースマスク250とリリースエッチング液260を使用する)と基本的に同じ方式でのバネフィンガ220−3のリリースを示す。応力加工層部280−3により生じた曲げ力に起因して、バネフィンガ220−3のカンチレバー部225−3が僅かに上方へ曲げられている点に留意されたい。最後に、図9(E)に示すように、上述のようにアニーリングを実行して、バネフィンガ220−3の金属層部290−3を固溶体から金属間化合物に転換することにより、バネフィンガ220−3をさらに曲げる追加的な曲げ力を発生させ、それによりバネフィンガ120−3を形成し、バネ構造100の製造が完了する。応力加工層部280−3により生じた初期曲げバイアスは、工程パラメータの変更および/またはスパッタリング方法の追加を求めることにより製造コストが増加する場合があるものの、初期曲げ力を与えることにより製造歩留まりを向上させ、それにより全体的な製造コストを減らすことができる。

0032

金属間化合物から形成されたバネフィンガ以外に、本願発明者はまた、先にリリースされたバネフィンガの上に金属間コーティングを形成することで、優れた弾性および強度を示すバネ構造を製造できると結論付けた。

0033

図10は、本発明の例証的な他の実施形態に従い、基板101に形成されたバネフィンガ120−4およびアンカーパッド110−4を含むバネ構造100−4を示す側面断面図である。この例では、バネフィンガ120−4はスプリングコア(spring core)123−4および金属間コーティング124−4の両方を含む。スプリングコア123−4は、上述の方法のいずれかを用いて形成され、次いでリリースされる(すなわち所望の湾曲した形状に曲げられる)。次いで、適切な非晶質固溶体(例えばNiPまたはNiB)が、スプリングコア123−4の露出表面全体にコーティング(例えば、電気めっきまたは無電解めっき)される。コーティングされたバネは次いでアニーリングされて、非晶質固溶体を金属間コーティング124−4に転換する。本願発明者は、例えば応力負荷金属スプリングコア123−4上にNi3PおよびNi3B等の金属間コーティング124−4を施した場合、コーティングしてないかまたは非金属化合物(例えば純粋なNi)でコーティングされた被負荷金属バネ構造に比べて、結果的に得られるバネ構造の弾性および降伏点が向上(増加)することを発見した。この向上した弾性および降伏点は、非晶質固溶体の金属間コーティング124−4への転換に帰すべきものであり、スプリングコア123−4周囲で一種の「シュリンクラップ(shrink wrap)」として機能する。さらに、Ni3PおよびNi3B等の金属間コーティングは、硬度耐摩耗性、および導電性の向上に寄与することができる。

0034

本願発明者が行なった研究は、金属間コーティング124−4は先に形成されたばねの弾性を大幅に増大させるとの結論を支持する。本願発明者が行なった実験により、応力加工された非金属間金属層(例えばNi)からスプリングコア123−4を形成して、スプリングコア123−4を所望の最終形状にリリースし(曲げ)、スプリングコアを所望の非晶質固溶体(例えばNiP)でコーティングするのが好適であることが示された。代替的な実施形態において、応力加工(例えばめっきまたはスパッタリング)層、金属間化合物層、二金属構造、またはバイモルフ(bimorph)構造を用いて製造されたスプリングコア123−4は、金属間コーティング124−4でこれらのコア構造を変更することにより向上できる。スプリングコア123−4のリリース後コーティングは好ましい理由は、最小限の工程で必要な程度のバネ曲げを実現するためにはスプリングコア123−4をなるべく薄くしなければならないからである。さらに、コスト効率および信頼性が高い応力−勾配工程は、非金属間材料で実現する方が容易である。本願発明者が行なった実験において、0.3μm〜2.0μmの電気めっきが施されたNiスプリングコアに対し、リリース後に無電解めっきにより0.1μm〜20μmのNiPを重ねてめっきした。析出時点のNiP固溶体は次いで、300℃で5分間〜10分間のアニーリングにより転換されて結晶金属間Ni3Pが形成された。広く知られたアニーリング方式に従って異なる温度およびアニーリング時間で実施してもよい。発明者は、アニーリングの間にNixPyの他の位相も同様に形成できる点に注目している。NiBは、コーティング124−4として使用された場合にNiPとして同様の特性を有する。

0035

金属間コーティング以外に、バネ構造は、金属間コーティングの形成に用いた固溶体(金属層)のコーティング前および/または後にコーティングされる1種類以上の追加的なコーティング材料から利点が得られる場合がある。例えば、図11に示すように、バネ構造100−5は、上述の仕方で形成されたスプリングコア123−5および金属間コーティング124−5で構成されたバネフィンガ120−5を含み、さらに、追加的な非金属間コーティング126−5(例えばAu、Ni、Cuのうち1種以上)を含む。一実施形態において、非金属間コーティング126−5は、Ni+AuまたはCu+Ni+Au等のバネコーティングの重なりを含んでいる。図12に示す別の実施形態において、バネ構造100−6は、スプリングコア123−6(例えばNi)、バネ核123−6上に形成された非金属間コーティング126−6(例えばNi+AuまたはCu+Ni+Au)、および非金属間コーティング126−6上に形成された金属間コーティング124−6(例えばNi3PまたはNi3B)から成るバネフィンガ120−6を含む。追加的な非金属間コーティング127−6を金属間コーティング124−6上に、金属間コーティング124−6がコーティング123−6と127−6の金属間の拡散障壁(例えばCuとAuの内外コーティング層の間の拡散障壁としてのNi3P)として機能する状態で形成してもよい。追加的な金属間要素をコーティング層に加えてもよい(例えばNi−P−B、Ni−P−Cu)。

0036

本発明を、特定の実施形態に関して記述してきたが、本発明の特徴が他の実施形態にも同様に適用できることは当業者に明らかであろう。これらの全ては本発明の範囲内に含まれることを意図している。また、本発明の上述および他の特徴、態様、並びに利点は本文の記述、請求項、および添付図面により明らかにされる。

図面の簡単な説明

0037

本発明の実施形態に従い形成されたバネ構造を示す透視図である。
本発明の別の実施形態に従い、図1のバネ構造を製造する簡素化された方法を示すフロー図である。
本発明の特定の実施形態に従い、図1のバネ構造を製造する方法を示す側面断面図である。
本発明の特定の実施形態に従い、図1のバネ構造を製造する方法を示す側面断面図である。
本発明の特定の実施形態に従い、図1のバネ構造を製造する方法を示す側面断面図である。
本発明の特定の実施形態に従い、図1のバネ構造を製造する方法を示す側面断面図である。
本発明の特定の実施形態に従い、図1のバネ構造を製造する方法を示す側面断面図である。
本発明の特定の実施形態に従い、図1のバネ構造を製造する方法を示す側面断面図である。
本発明の特定の実施形態に従い、図1のバネ構造を製造する方法を示す側面断面図である。
本発明の特定の実施形態に従い、図1のバネ構造を製造する方法を示す側面断面図である。
本発明の特定の実施形態に従い、図1のバネ構造を製造する方法を示す側面断面図である。
図3(C)、3(D)の工程で用いるエッチマスクを示す上面図である。
本発明の別の特定の実施形態に従い、図1のバネ構造を製造する方法を示す側面断面図である。
本発明の別の特定の実施形態に従い、図1のバネ構造を製造する方法を示す側面断面図である。
本発明の別の特定の実施形態に従い、図1のバネ構造を製造する方法を示す側面断面図である。
本発明の別の特定の実施形態に従い、図1のバネ構造を製造する方法を示す側面断面図である。
本発明の別の特定の実施形態に従い、図1のバネ構造を製造する方法を示す側面断面図である。
本発明に従い製造されたバネ構造を示す写真である。
本発明に従い製造されたバネ構造を示す写真である。
本発明の別の実施形態によるバネ構造を示す側面断面図である。
本発明の別の特定の実施形態に従い、バネ構造を製造する方法を示す側面断面図である。
本発明の別の特定の実施形態に従い、バネ構造を製造する方法を示す側面断面図である。
本発明の別の特定の実施形態に従い、バネ構造を製造する方法を示す側面断面図である。
本発明の別の特定の実施形態に従い、バネ構造を製造する方法を示す側面断面図である。
本発明の別の特定の実施形態に従い、バネ構造を製造する方法を示す側面断面図である。
本発明の別の実施形態による金属間化合物コーティングを含むバネ構造を示す側面図である。
本発明の別の実施形態による金属間化合物コーティングを含む別のバネ構造を示す側面図である。
本発明の別の実施形態による金属間化合物コーティングを含むさらに別のバネ構造を示す側面図である。

符号の説明

0038

100バネ構造、101基板、105接触パッド、110アンカーパッド、120バネフィンガ、122アンカー部、123−2下層、123−4,123−5,123−6スプリングコア、124−2上層、124−4,124−5,124−6金属間コーティング、125カンチレバー部、125—T 先端、126−5,126−6,127−6非金属間コーティング、210リリース材層、212 隣接部、214周辺部、215シード層、215A シード層部、220金属層、220−1,220−2,220−3 バネフィンガ、222 アンカー部、225 中央部、225−T 先端、225−3 カンチレバー部、230エッチマスク、240エッチング液、250リリースマスク、260リリースエッチング液、270 マスク、280応力加工金属層、290 金属層。

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