CN101170002B - 悬空结构射频微电感及其制作方法 - Google Patents

Abstract

一种微电子技术领域的悬空结构射频微电感及其制作方法。所述悬空结构射频微电感中，金属螺旋型线圈与衬底间设有支撑体，支撑体一端与金属螺旋型线圈连接，支撑体另一端与衬底连接，在金属螺旋型线圈与引线连接处设有连接体，连接体两端分别与金属螺旋型线圈和引线相连接。工艺如下：衬底基片清洗处理、甩正胶、曝光与显影、刻蚀，制作双面套刻对准符号；淀积Ti/Cu/Ti底层；Ti氧化；甩正胶、曝光与显影，电镀，去胶；甩SU-8子胶，前烘、曝光、后烘、显影，电镀；溅射Ti/Cu底层；甩SU-8胶，前烘、曝光、后烘、显影，电镀；去除SU-8胶和底层。本发明微电感损耗大大降低，性能远远高于相同参数的硅基平面微电感，Q值大于45。

Description

悬空结构射频微电感及其制作方法

技术领域

本发明涉及的是一种微电子技术领域的器件及其制作方法，尤其是一种悬空结构射频微电感及其制作方法。

技术背景

RF-MEMS(射频-微机电系统)器件是近年来微机电系统(MEMS)技术出现的新的研究领域，即RF-MEMS就是利用MEMS技术制作各种用于无线通信的射频器件或系统，这些RF-MEMS器件和系统可广泛用于星际无线通讯、先进的移动通信如手机、全球定位系统GPS、微波雷达天线等。由于RF-MEMS器件具有诸多优越性，并最终可实现无源器件和IC的高度集成，使集信息的采集、处理、传播等于一体的系统集成芯片(SOC)的研制成为可能。当前随着无线通信技术的快速发展及其有限的资源，迫切需要射频下具有高Q值、高自共振频率和低插入损耗的控制部件如电感、电容，这是实现高性能微波/毫米波电路、RF滤波器、RF振荡器、RF共振器等的关键元件之一。为提高射频下微电感的Q值和电感量，三维空芯结构的微电感是发展的趋势。但是采用普通的IC技术，很难在平面型衬底上研制三维结构的微电感。采用MEMS技术研制三维结构微电感应运而生，MEMS技术为实现小尺寸、重量轻、大电感量、高Q值的微电感提供了一条崭新的途径。

专业人员通过各种方法来提高微电感的性能，如采用电阻率较小的金属来制作微电感层，增大衬底电阻，选用介电常数较小的电介质，或通过微机械的方法来提高电感性能等方法，这些方法能在一定程度上可减小微电感的各种高频损耗，从而提高微电感的性能，经测量微电感的Q值一般在10左右，但这不能很好地满足实际电路中需要，主要是由于这些方法不能从根本上减小微电感高频损耗中占主要地位的金属线圈与衬底间的耦合电容的缘故，金属线圈与衬底间的耦合电容越大，微电感在高频时的损耗就越大。

经对现有技术的文献检索发现，Jae Y等人在《IEEE TRANSACTIONS ONMAGNETICS》(美国电气电子工程学会杂志)(VOL.35，NO.5，SEPTEMBER，1999)上发表了“highQ spiral-type micro-inductors on silicon substrates(硅衬底上高Q值螺旋型微电感)”一文，该文提及一种空气隙悬空微电感，其线圈形状为方形。该技术由于采用氧等离子体刻蚀聚酰亚胺形成电镀模具，不能形成高深宽比的微电镀模具，因此，线圈位于衬底上方的高度只有60μm，不能有效的降低线圈与衬底之间的耦合电容，在频率0.1 GHz-2GHz范围内Q值在14-18，工作频率较低。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种悬空结构射频微电感及其制作方法。使其从根本上减小微电感金属线圈与衬底间的电容损耗，使这种结构微电感的性能大大提高，Q值大于45。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及的悬空结构射频微电感包括双面氧化的硅衬底、金属螺旋型线圈、引线、平面波导线，平面波导线以及引线设置在硅衬底平面上，平面波导线设置在引线的周围两侧，在引线上方设置金属螺旋型线圈，引线分别与金属螺旋型线圈的内、外两个端点相连接。

所述的金属螺旋型线圈与双面氧化的硅衬底之间设置有支撑体，支撑体一端与金属螺旋型线圈连接，支撑体的另一端与双面氧化的硅衬底连接，在金属螺旋型线圈与引线连接处设置有连接体，连接体两端分别与金属螺旋型线圈和引线相连接。

所述的支撑体空间形状为长方体，长方体的高度为150μm，截面积为70μm*70μm。支撑体的数目至少为4个。连接体的空间形状为长方体，长方体的高度为150μm。金属螺旋型线圈形状为平面方形螺旋型线圈。

所述的金属螺旋型线圈的导体宽度为70μm。金属螺旋型线圈的导体厚度为8μm。金属螺旋型线圈的导体间距为10μm。金属螺旋型线圈匝数为2匝。

本发明涉及的悬空结构射频微电感，其制作方法具体如下：

(1)在清洗处理过的双面氧化的硅片衬底(厚度700μm)双面甩正胶AZ4000系列，光刻胶厚度为8μm，光刻胶烘干温度为95℃，时间为30分钟；将硅片单面(A面)曝光、显影后，在BHF腐蚀液里刻蚀二氧化硅，最后用丙酮去除所有的光刻胶，在A面得到双面套刻对准符号；

(2)在双面氧化的硅片的另一面(B面)淀积Ti(30nm)/Cu(100nm)/Ti(100nm)底层，下面工艺均在此面上进行；

(3)在50℃下，在30％的NaOH水溶液中加入双氧水对Ti表面进行部分氧化，形成一薄层氧化钛，以提高基片对SU-8胶的结合力；

(4)甩正胶，光刻胶厚度为10μm，光刻胶烘干温度为95℃，时间为30分钟；曝光、显影，得到底层引线、平面波导线图形；然后用5％的HF水溶液刻蚀氧化钛和Ti层，电镀底层铜引线、平面波导线，厚度为10μm；然后用丙酮去除所有的光刻胶；

(5)甩SU-8胶，光刻胶的厚度为150μm，光刻胶的前烘温度为：65℃下保温10分钟，然后慢速升温到95℃，保温时间为120分钟；曝光、后烘，后烘温度为85℃，时间为40分钟，显影，由此得到电镀支撑体和连接体的图形；电镀支撑体和连接体，厚度为150μm，电镀材料为铜；

(6)溅射Ti(30nm)/Cu(100nm)底层；

(7)甩SU-8胶，光刻胶的厚度为8μm，光刻胶前烘温度为：65℃下保温5分钟，然后升温到95℃，保温时间为30分钟；曝光、后烘，后烘温度为85℃，时间为30分钟，显影，由此得到电镀平面方形螺旋型线圈的图形；电镀平面方形螺旋型线圈，厚度为8μm；电镀材料为铜；

(8)去除SU-8胶和底层，首先用等离子体(20％CF₄∶80％O₂)干法刻蚀SU-8胶，然后用湿法化学工艺刻蚀Ti/Cu，其次用丙酮浸泡SU-8胶和用等离子体(20％CF₄∶80％O₂)干法刻蚀SU-8胶，最后用湿法化学工艺刻蚀Ti/Cu/Ti底层；最终得到悬空结构射频平面螺旋型微电感。

上述步骤中，底层Ti/Cu的制备工艺为：基底的真空为4×10^-4Pa，溅射条件选择为溅射Ar气压和溅射功率分别为0.67Pa和800W，氩气流量为20 SCCM。

本发明与现有技术相比，具有以下有益的效果：(1)采用薄膜技术和MEMS技术研制射频螺旋型微电感，薄膜技术和MEMS技术可以与大规模集成电路完全兼容，易于大批量生产，重复性好；(2)采用双面套刻技术，大大提高了光刻的精度，尤其是线圈导体和间距较小时非常重要；(3)采用SU-8胶光刻工艺和深层微电铸工艺，有效解决了现有技术中三维悬空微结构光刻胶模具和电镀连接导体出现的高深宽比的问题；(4)将微电感线圈制作在双面氧化的硅衬底的上方，悬空高度在150μm以上，使微电感金属线圈与衬底之间的耦合电容大大减少，可以很大程度上提高微电感的Q值。本发明的微电感，当金属螺旋型线圈导体宽度为70μm，金属螺旋型线圈导体厚度为8μm，金属螺旋型线圈导体间距为10μm，金属螺旋型线圈匝数为2匝时，这种结构的微电感在4-5GHz之间电感量达到2.2nH，其Q值可达到45，性能远远高于同类型相同参数的其它硅基平面螺旋型微电感；(5)采用MEMS技术研制的微电感，具有工作频率高、尺寸小、低的电阻、高的电感量、高品质因子、高效率、低损耗、低成本和批量化生产等优点。

附图说明

图1为悬空结构射频微电感结构俯视示意图

图2为沿图1中C-C方向悬空结构射频微电感结构侧视示意图

其中1为双面氧化的硅衬底；2为引线；3是金属螺旋型线圈；4是支撑体；5为连接体；6是平面波导线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1、图2所示，本实施例由双面氧化的硅衬底1、引线2、金属螺旋型线圈3、平面波导线6组成，平面波导线6以及引线2设置在硅衬底1平面上，平面波导线6设置在引线2的周围两侧，在引线2上方设置金属螺旋型线圈3，引线2分别与金属螺旋型线圈3的内、外两个端点相连接。金属螺旋型线圈3与硅衬底1之间设置有支撑体4，支撑体4分布在金属螺旋型线圈3各条导线交叉处，支撑体4一端与金属螺旋型线圈3连接，支撑体4的另一端与硅衬底1连接，在金属螺旋型线圈3与引线2连接处设置有连接体5，连接体5两端分别与金属螺旋型线圈3和引线1相连接。

所述支撑体4空间形状为长方体，长方体的高度为150μm，截面积为70μm*70μm，支撑体4的数目至少为4个。

所述连接体5的空间形状为长方体，长方体的高度为150μm。

所述金属螺旋型线圈3形状为平面方形螺旋型线圈，金属螺旋型线圈3的导体宽度为70μm，金属螺旋型线圈3的导体厚度为8μm，金属螺旋型线圈3的导体间距为10μm，金属螺旋型线圈3的匝数为2匝。

本实施例悬空结构射频微电感制作方法具体为：

(1)在清洗处理过的双面氧化的硅片衬底(厚度700μm)双面甩正胶AZ4000系列，光刻胶厚度为8μm，光刻胶烘干温度为95℃，时间为30分钟；将硅片单面(A面)曝光、显影后，在BHF腐蚀液里刻蚀二氧化硅，最后用丙酮去除所有的光刻胶，在A面得到双面套刻对准符号；

(2)在双面氧化的硅片的另一面(B面)淀积Ti(30nm)/Cu(100nm)/Ti(100nm)底层，下面工艺均在此面上进行；

(3)在50℃下，在30％的NaOH水溶液中加入双氧水对Ti表面进行部分氧化，形成一薄层氧化钛，以提高基片对SU-8胶的结合力；

(4)甩正胶，光刻胶厚度为10μm，光刻胶烘干温度为95℃，时间为30分钟；曝光、显影，得到底层引线、平面波导线图形；然后用5％的HF水溶液刻蚀氧化钛和Ti层，电镀底层铜引线、平面波导线，厚度为10μm；然后用丙酮去除所有的光刻胶；

(5)甩SU-8胶，光刻胶的厚度为150μm，光刻胶的前烘温度为：65℃下保温10分钟，然后慢速升温到95℃，保温时间为120分钟；曝光、后烘，后烘温度为85℃，时间为40分钟，显影，由此得到电镀支撑体和连接体的图形；电镀支撑体和连接体，厚度为150μm，电镀材料为铜；

(6)溅射Ti(30nm)/Cu(100nm)底层；

(7)甩SU-8胶，光刻胶的厚度为8μm，光刻胶前烘温度为：65℃下保温5分钟，然后升温到95℃，保温时间为30分钟；曝光、后烘，后烘温度为85℃，时间为30分钟，显影，由此得到电镀平面方形螺旋型线圈的图形；电镀平面方形螺旋型线圈，厚度为8μm；电镀材料为铜；

(8)去除SU-8胶和底层，首先用等离子体(20％CF₄∶80％O₂)干法刻蚀SU-8胶，然后用湿法化学工艺刻蚀Ti/Cu，其次用丙酮浸泡SU-8胶和用等离子体(20％CF₄∶80％O₂)干法刻蚀SU-8胶，最后用湿法化学工艺刻蚀Ti/Cu/Ti底层；最终得到悬空结构射频平面螺旋型微电感。

本实施例的悬空结构射频微电感：工作频率在4-5GHz，当金属螺旋型线圈的导体宽度为70μm，金属螺旋型线圈的导体厚度为8μm，金属螺旋型线圈的导体间距为10μm，金属螺旋型线圈外圈的导体长度为500μm，金属螺旋型线圈匝数为2匝时，采用本发明制作的微电感，Q值大于45。

Claims (4)

1.一种悬空结构射频微电感的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在清洗处理过的双面氧化的厚度为700μm的硅片衬底双面甩厚度为8μm的正胶，将硅片单面即A面曝光、显影，在BHF腐蚀液里刻蚀二氧化硅，最后用丙酮去除所有的光刻胶，在A面得到双面套刻对准符号；

(2)在双面氧化的硅片的另一面即B面淀积Ti/Cu/Ti底层，下面工艺均在此面上进行，Ti/Cu/Ti底层厚度为30nm Ti/100nm Cu/100nm Ti；

(3)在NaOH水溶液中加入双氧水对Ti表面进行部分氧化；

(4)甩厚度为10μm的正胶、曝光、显影，得到底层引线、平面波导线图形，刻蚀氧化钛和Ti层，电镀底层铜引线、平面波导线，然后用丙酮去除所有的光刻胶，铜引线、平面波导线的厚度为10μm；

(5)甩厚度为150μm的SU-8胶，光刻胶前烘、曝光、后烘、显影，电镀支撑体和连接体，支撑体和连接体的厚度为150μm；

(6)溅射Ti/Cu底层，Ti/Cu底层厚度为30nm Ti/100nm Cu；

(7)甩厚度为8μm的SU-8胶，光刻胶前烘、曝光、后烘、显影，电镀平面方形螺旋型线圈，线圈厚度为8μm；

(8)去除SU-8胶和底层，用等离子体干法刻蚀SU-8胶，用湿法化学工艺刻蚀底层，最终得到悬空结构射频平面螺旋型微电感。

2.如权利要求1所述的悬空结构射频微电感的制作方法，其特征是，步骤(1)中，在清洗处理过的双面氧化的硅片衬底双面甩正胶，光刻胶烘干温度为95℃，时间为30分钟；

步骤(3)中，在50℃下，在30％的NaOH水溶液中加入双氧水对Ti表面进行部分氧化，形成一薄层氧化钛，以提高基片对SU-8胶的结合力。

3.如权利要求1所述的悬空结构射频微电感的制作方法，其特征是，步骤(4)中，甩正胶，光刻胶烘干温度为95℃，时间为30分钟，用5％的HF水溶液刻蚀氧化钛和Ti层；

步骤(5)中，甩SU-8胶，光刻胶的前烘温度为：65℃下保温10分钟，然后慢速升温到95℃，保温时间为120分钟，曝光、后烘，后烘温度为85℃，时间为40分钟，显影，由此得到电镀支撑体和连接体的图形，电镀支撑体和连接体，电镀材料为铜；

4.如权利要求1所述的悬空结构射频微电感的制作方法，其特征是，步骤(7)中，甩SU-8胶，光刻胶前烘温度为：65℃下保温5分钟，然后升温到95℃，保温时间为30分钟，曝光、后烘，后烘温度为85℃，时间为30分钟，显影，由此得到电镀平面方形螺旋型线圈的图形，电镀平面方形螺旋型线圈，电镀材料为铜。

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