CN101599425B

CN101599425B - 一种微机电系统螺线管电感的制备方法

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Publication number: CN101599425B
Application number: CN2009100824392A
Authority: CN
Inventors: 李修函; 邵际南; 舒光华
Original assignee: Beijing Jiaotong University
Current assignee: Beijing Jiaotong University
Priority date: 2009-04-17
Filing date: 2009-04-17
Publication date: 2010-09-29
Anticipated expiration: 2029-04-17
Also published as: CN101599425A

Abstract

本发明公开了一种微机电系统螺线管电感的制备方法，利用MEMS工艺在下衬底上刻蚀出一个槽，然后进行涂胶光刻、电镀或化学镀在下衬底的槽内生长出金属线圈的一半，利用相同的方法在上衬底上的制作出金属线圈的另一半，最后将两半金属线圈对准倒装焊合并成完整的电感。制备出的螺线管电感由上衬底(8)和下衬底(1)、金属线圈(6)、电镀或化学镀用的种子层(4)、连接金属(7)组成，其中上衬底可在电感制作完成后去掉。本发明解决了微系统中螺线管电感制备困难的问题，制备方法简单成本低，并且可与CMOS电路集成，且电感具有较大的电感值和很高的Q值，大大提高了微电感的性能。

Description

一种微机电系统螺线管电感的制备方法

技术领域

本发明属于半导体器件及集成电路制备技术领域，具体涉及一种采用微机电系统(MEMS)技术和倒装焊工艺设计制作的高Q值立体微型螺线管电感。

背景技术

电感是电路的基本元件之一，是无线通信系统必不可少的重要元件，它的质量直接决定了整个电路的性能。微结构电感设计与制造的研究在当今无线通信快速发展的背景下有着非常重要的意义。

微结构电感设计与制造中一直存在诸如Q值不高、与CMOS电路集成性差等很多问题，而且目前MEMS电感因其制造过程复杂，造价较高而限制了其广泛应用。

微型电感是集成电路的基本元件，采用MEMS技术加工的微型电感主要分为表面螺旋电感、垂直螺旋电感、悬浮螺旋电感和螺线管电感四种。其中前两种螺旋电感的共同问题是由于平面结构自身存在磁通量泄漏较大的缺陷，难以实现很高的Q值；第三种螺旋电感虽然Q值比较高，但存在结构脆弱等缺陷。而在螺线管电感中，目前存在的设计中大多数都是方形截面的电感，很难制作圆形截面的电感，并且制造工序比较多，与CMOS工艺集成比较困难，电感的性能也不是很理想。从总体上讲，目前存在的MEMS电感，如果Q值较大，L值就会较小，一般Q值大于45时，L值不会超过2nH。

发明内容

本发明克服上述各类电感中存在的Q值较低、高Q值电感L值较小、制作复杂、自身结构脆弱、与CMOS工艺集成困难等缺点，提供了一种高Q值高L值、制作较为简单、且可以与CMOS工艺集成的螺线管电感的设计和制备方法。

本发明的另一特点在于：能够用此方法制作出横截面近似为圆形的螺线管电感，这在其他MEMS螺线管电感中是很少见到的，这也是用本方法制作出的电感性能优良的基础。

本发明的技术方案如下：

一种微机电系统螺线管电感结构由上下两衬底、金属线圈、电镀或化学镀用的种子层、连接金属组成，其中上衬底可在电感制作完成后去掉。上下衬底中间各存在一个槽，上下两衬底进行对准倒装焊形成一个中间带有空腔的整体，其空腔为上下衬底中的槽合并而成。金属线圈生长在空腔之中，线圈的形状为螺线管形，并且完整的金属线圈是在倒装焊过程中，通过连接金属将上下两衬底的金属线圈相连形成的。

一种微机电系统螺线管电感的制备方法的步骤包括：

一、下半部分制作步骤：

步骤1，在洁净的下衬底上，制作阻挡层；

步骤2，涂一层光刻胶，并进行光刻，形成缺口，露出阻挡层；

步骤3，对阻挡层进行刻蚀，刻去露出的阻挡层，使阻挡层形成缺口，之后去除光刻胶；

步骤4，在下衬底上刻蚀出一个槽；

步骤5，去阻挡层；

步骤6，采用溅射或蒸发的方法，制作用作电镀或化学镀的种子层；

步骤7，涂光刻胶，并进行光刻，形成线圈模具；

步骤8，电镀或化学镀用作线圈的金属；

步骤9，电镀或化学镀连接金属；

步骤10，去光刻胶及其下面的种子层；

二、上半部分制作步骤：

步骤1，在洁净的上衬底上，制作阻挡层；

步骤4，在上衬底上刻蚀出一个槽；

步骤5，去阻挡层；

步骤7，涂光刻胶，并进行光刻，形成线圈模具；

步骤8，电镀或化学镀用作线圈的金属；

步骤9，电镀或化学镀连接金属；

步骤10，去光刻胶及其下面的种子层；

三、将制作好的上下两半部分进行对准倒装焊，形成微机电系统螺线管电感。之后腐蚀掉上衬底。

下半部分制作的步骤1和上半部分制作中步骤1中的上衬底和下衬底的材料为硅或玻璃；阻挡层采用淀积碳化硅、氮化硅、多晶硅或氧化硅的方法，或者采用热氧化的方法制成。

下半部分制作中步骤4和上半部分制作中步骤4中的槽为半圆弧或梯形截面形状，相应的刻蚀方法为各向同性刻蚀和各向异性刻蚀。

下半部分制作的步骤6和上半部分制作中步骤6中种子层为一层钛和一层用作线圈的金属复合成，或一层铬和一层用作线圈的金属复合成。

下半部分制作的步骤8和上半部分制作中步骤8中电镀或化学镀用作线圈的金属，所镀金属为铜、镍、金中的一种金属。

下半部分制作的步骤9和上半部分制作中步骤9中的电镀或化学镀连接金属，所镀金属为铜、镍、钴、铑、铂、钯、铬、铝、银、金中的一种金属。

本发明的有益效果：

1.实现了很好的电感性能，制备出的电感具有较大电感值很高的Q值。

2.采用倒装焊工艺制作电感的方法，解决了圆形截面螺线管电感制备困难的问题。

3.结构规则，不同电感值的电感尺寸计算方便。

4.制作工艺实现较简单。

5.可与CMOS工艺集成。

附图说明

图1至图13为采用本发明方法制备微机电系统螺线管电感的步骤中，下半部分制作流程剖面图，其剖面都是沿图10中A-A方向，其中：

图1为制作阻挡层后的下衬底的剖面图。

图2为在阻挡层上涂一层光刻胶并对其进行光刻后的下衬底的剖面图。

图3为刻蚀阻挡层并去光刻胶后的下衬底的剖面图。

图4为刻蚀阻挡层并去光刻胶后的下衬底的俯视图。

图5为经刻蚀后的下衬底的剖面图。

图6为去阻挡层后的下衬底的剖面图。

图7为去阻挡层后的下衬底的俯视图。

图8为溅射或蒸发种子层后的下衬底的剖面图。

图9为涂光刻胶并对光刻胶光刻后的下衬底的剖面图。

图10为涂光刻胶并对光刻胶光刻后的下衬底的俯视图。

图11为电镀或化学镀用作线圈的金属后的下衬底的剖面图。

图12为电镀或化学镀连接金属后的下衬底的剖面图。

图13为去光刻胶并去种子层后的下衬底的剖面图。

图14至图26为采用本发明方法制备微机电系统螺线管电感的步骤中，上半部分制作流程剖面图，其剖面都是沿图23中A-A方向，其中：

图14为制作阻挡层后的上衬底的剖面图。

图15为在阻挡层上涂一层光刻胶并对其进行光刻后的上衬底的剖面图。

图16为刻蚀阻挡层并去光刻胶后的上衬底的剖面图。

图17为刻蚀阻挡层并去光刻胶后的上衬底的俯视图。

图18为经刻蚀后的上衬底的剖面图。

图19为去阻挡层后的上衬底的剖面图。

图20为去阻挡层后的上衬底的俯视图。

图21为溅射或蒸发种子层后的上衬底的剖面图。

图22为涂光刻胶并对光刻胶进行光刻后的上衬底的剖面图。

图23为涂光刻胶并对光刻胶进行光刻后的上衬底的俯视图。

图24为电镀或化学镀用作线圈的金属后的上衬底的剖面图。

图25为电镀或化学镀连接金属后的上衬底的剖面图。

图26为去光刻胶并去种子层后的硅衬底的剖面图。

图27、图28为采用本发明方法制备微机电系统螺线管电感的步骤中，上下两部分合并流程图，其中：

图27为将制作好的上下两衬底进行高精度对准倒装焊后的剖面图。

图28为腐蚀上衬底后的剖面图。

图29为腐蚀上衬底后的俯视图，亦即制作好的电感的俯视图。

图30为采用本方法制作出的电感的立体结构图。

图31、图32为利用仿真软件对本方法制作出的电感(匝数为5、半径为100μm、线圈宽度10μm、线圈厚度10μm、线圈间距15μm、下衬底材料为玻璃、用作线圈的金属材料为铜、连接金属材料为金)的性能进行的仿真结果，其中：

图31为对电感的电感值随频率变化的仿真结果。

图32为对电感的Q值随频率变化的仿真结果。

图中：下衬底1；阻挡层2；光刻胶3；种子层4；光刻胶5；用作线圈的金属6；连接金属7；上衬底8；阻挡层9；制作好的螺线管线圈10。

具体实施方式

结合附图对本发明作进一步说明。

一种微机电系统螺线管电感的制备方法，该方法的制备步骤如图1至图29所示。

一、下半部分制作步骤：

步骤1，采用化学气相淀积的方法，在洁净的玻璃下衬底1上，淀积一层2μm厚的氮化硅阻挡层2，用作后续步骤中各向同性刻蚀的阻挡层，如图1所示。

步骤2，在淀积了氮化硅阻挡层2的玻璃下衬底1上涂光刻胶3(瑞红RZJ-304)，厚度为2μm，将光刻胶烘干，烘干温度90℃，时间120秒，之后进行曝光、显影，形成一条长300μm宽10μm的缺口，如图2所示。

步骤3，对氮化硅阻挡层2进行反应离子刻蚀(RIE刻蚀)，刻去露出的氮化硅，使氮化硅阻挡层2形成一条长300μm宽10μm缺口，之后用丙酮去除光刻胶3(瑞红RZJ-304)，如图3、图4所示。

步骤4，利用各向同性干法刻蚀工艺，用氟化氢对玻璃下衬底1进行各向同性刻蚀，在玻璃下衬底上刻蚀出一个横截面半径为100μm的半圆弧截面槽，如图5所示。

步骤5，用加热到130℃至150℃的磷酸，去氮化硅阻挡层2，如图6、图7所示。

步骤6，利用溅射工艺，在带有半圆弧截面槽的玻璃下衬底1上依次溅射上一层厚度为200nm的钛和一层厚度为200nm的铜，作为电镀用的种子层4(Ti/Cu种子层)，如图8所示。

步骤7，采用EVG-101喷雾式涂胶机，涂光刻胶5(AZ4620)，厚度20μm，并将光刻胶5(AZ4620)烘干，烘干温度90℃，时间2小时，之后进行曝光、显影，形成线圈模具，如图9、图10所示。

步骤8，将经过上述处理后的玻璃下衬底放入CuSO₄/H₂SO₄溶液中进行电镀，在Ti/Cu种子层4上，电镀一层10μm厚的铜形成用作线圈的金属6，由于有光刻胶5(AZ4620)的存在，铜只在没有光刻胶的部分生长，从而使铜形成金属线圈和引脚的形状，作为金属线圈的下半部分，如图11所示。

步骤9，在已经电镀好的铜上再电镀一层厚度3μm的金，用作上下衬底合并步骤中倒装焊过程的连接金属7，如图12所示。

步骤10，用丙酮去除光刻胶5(AZ4620)并腐蚀掉其下面的Ti/Cu种子层4，腐蚀方法为先用醋酸∶双氧水∶去离子水的配比为1∶1∶20的腐蚀液去除种子层中的铜，再用氟化氢∶去离子水配比为1∶60的腐蚀液去除种子层中的钛，形成带有引脚和下半部分金属线圈的下衬底，如图13所示。

二、上半部分制作步骤：

步骤1，将洁净的的硅上衬底8放入氧化炉中氧化，形成厚度为2μm的氧化硅阻挡层9，用作后续步骤中各向同性刻蚀的阻挡层，如图14所示。

步骤2，在已形成氧化硅阻挡层9的硅上衬底8上涂一层光刻胶3(瑞红RZJ-304)，厚度为2μm，将光刻胶烘干，烘干温度90℃，时间120秒，之后进行曝光显影，形成一条长300μm宽10μm的缺口，如图15所示。

步骤3，对氧化硅阻挡层9进行反应离子刻蚀(RIE刻蚀)，刻去露出的氧化硅，使氧化硅阻挡层9形成一条长300μm宽10μm缺口，之后用丙酮去除光刻胶3(瑞红RZJ-304)，如图16、图17所示。

步骤4，利用各向同性干法刻蚀工艺，对硅上衬底8进行各向同性刻蚀，同样在硅上衬底8上刻蚀出一个横截面半径为100μm的半圆弧截面槽，如图18所示。

步骤5，将硅片置于10％的氢氟酸溶液中去除氧化硅阻挡层9，如图19、图20所示。

步骤6，利用溅射工艺，在带有半圆弧截面槽的硅上衬底8上，依次溅射一层厚度为200nm的钛和一层厚度为200nm的铜，作为电镀用的种子层4(Ti/Cu种子层)，如图21所示。

步骤7，采用EVG-101喷雾式涂胶机，涂光刻胶5(AZ4620)，厚度20μm，并将光刻胶5(AZ4620)烘干，烘干温度90℃，时间2小时，之后进行曝光、显影，形成线圈模具，如图22、图23所示。

步骤8，将经过上述处理后的硅上衬底8放入CuSO₄/H₂SO₄溶液中进行电镀，在Ti/Cu种子层4上电镀一层10μm厚的铜，形成用作线圈的金属6，作为上半部分金属线圈，如图24所示；

步骤9，在已经电镀好的铜上再电镀一层厚度3μm的金，用作上下衬底合并步骤中倒装焊过程的连接金属7，如图25所示。

步骤10，用丙酮去除光刻胶5(AZ4620)并腐蚀掉其下面的Ti/Cu种子层4，腐蚀方法为先用醋酸∶双氧水∶去离子水的配比为1∶1∶20的腐蚀液去除种子层中的铜，再用氟化氢∶去离子水配比为1∶60的腐蚀液去除种子层中的钛，形成带有上半部分金属线圈的上衬底，如图26所示。

三、上下两部分合并：

步骤1将制作好的上下两部分金属线圈对准，进行倒装焊合成完整的螺线管电感，如图27所示。

步骤2用氢氟酸将硅上衬底8腐蚀掉，如图28、图29所示。

采用本实施方式制作的基于微机电系统的螺线管电感的立体结构，其横截面近似为圆形，如图30所示。

其他实施方式与以上实施方式步骤相同，其差别如下：

下半部分制作步骤1和上半部分制作步骤1中的上衬底8和下衬底1的材料均可为硅或玻璃；阻挡层2和阻挡层9均可采用淀积碳化硅、氮化硅、多晶硅或氧化硅的方法，或者采用热氧化的方法制成。

下半部分制作步骤2和上半部分制作步骤2中的光刻胶，以及下半部分制作步骤7和上半部分制作步骤7中的光刻胶均可采用瑞红RZJ-304、AZ4620、SU8等各种光刻胶。

下半部分制作步骤4和上半部分制作步骤4中的半圆弧截面槽也可以制成梯形截面槽，相应的刻蚀方法为各向异性刻蚀。

下半部分制作步骤9和上半部分制作步骤9中的电镀也可采用化学镀实现。

下半部分制作步骤6和上半部分制作步骤6中的溅射也可采用蒸发的方法实现。

下半部分制作的步骤6和上半部分制作中步骤6中种子层4中，所制作的一层钛是起粘附作用的，也可以使用铬。如果用铬制作方法同样为溅射或蒸发，但在下半部分制作的步骤10和上半部分制作中步骤10中的去除方法为用K₃Fe(Cn)₆∶NaOH∶H₂O的质量比为3∶2∶100的腐蚀液腐蚀掉。之后所制作的一层铜须与用作线圈的金属6相同，如果这层金属为金则在下半部分制作的步骤10和上半部分制作中步骤10中的去除方法为用碘化钾溶液腐蚀，如果为镍则去除方法为用硝酸∶全氟磺酸钾∶水质量比为85∶4∶411的腐蚀液腐蚀。

下半部分制作的步骤8和上半部分制作中步骤8中用作线圈的金属6，其金属还可以为镍或金，制作方法同样为电镀或化学镀。

下半部分制作的步骤9和上半部分制作中步骤9中的连接金属7，其金属还可以为镍、钴、铑、铂、钯、铬、铝、银或金，制作方法同样为电镀或化学镀。

利用仿真工具对本方法制作出的电感的性能进行的仿真结果如图31、图32所示，仿真参数为：电感匝数为10、半径为100μm、线圈宽度10μm、线圈厚度10μm、线圈间距15μm。电感值的仿真结果如图31所示，Q值的仿真结果如图32所示。可以看出在4GHz时电感的电感值为12nH，Q值大于46，电感的性能比用其他方法制作的电感有了很大的提高。

Claims

1.一种微机电系统螺线管电感的制备方法，其特征在于，该制备方法的步骤包括：

一、下半部分制作步骤：

步骤1，在洁净的下衬底(1)上，制作阻挡层(2)；

步骤2，涂一层光刻胶(3)，并进行光刻，形成缺口，露出阻挡层(2)；

步骤3，对阻挡层(2)进行刻蚀，刻去露出的阻挡层(2)，使阻挡层形成缺口，之后去除光刻胶(3)；

步骤4，在步骤3使阻挡层(2)形成的缺口处的下衬底(1)上，采用各向同性刻蚀或各向异性刻蚀的方法刻蚀出一个槽；

步骤5，去阻挡层(2)；

步骤6，在完成步骤5后的下衬底(1)上，采用溅射或蒸发的方法，制作用作电镀或化学镀的种子层(4)；

步骤7，在下衬底(1)上的种子层(4)上，涂光刻胶(5)，并进行光刻，形成线圈模具；

步骤8，在下衬底(1)上的种子层(4)上，电镀或化学镀用作线圈的金属(6)；

步骤9，在下衬底(1)上的用作线圈的金属(6)上，电镀或化学镀连接金属(7)；

步骤10，去光刻胶及其下面的种子层(4)；

二、上半部分制作步骤：

步骤1，在洁净的上衬底(8)上，制作阻挡层(9)；

步骤2，涂一层光刻胶(3)，并进行光刻，形成缺口，露出阻挡层；

步骤3，对阻挡层(9)进行刻蚀，刻去露出的阻挡层(9)，使阻挡层形成缺口，之后去除光刻胶(3)；

步骤4，在步骤3使阻挡层(9)形成的缺口处的在上衬底(8)上，采用各向同性刻蚀或各向异性刻蚀的方法刻蚀出一个槽；

步骤5，去阻挡层(9)；

步骤6，在完成步骤5后的上衬底(8)上，采用溅射或蒸发的方法，制作用作电镀或化学镀的种子层(4)；

步骤7，在上衬底(8)上的种子层(4)上，涂光刻胶(5)，并进行光刻，形成线圈模具；

步骤8，在上衬底(8)上的种子层(4)上，电镀或化学镀用作线圈的金属(6)；

步骤9，在上衬底(8)上的用作线圈的金属(6)上，电镀或化学镀连接金属(7)；

步骤10，去光刻胶(5)及其下面的种子层(4)；

三、将制作好的上下两半部分进行对准倒装焊，形成微机电系统螺线管电感。

2.根据权利要求1所述的一种微机电系统螺线管电感的制备方法，其特征在于，下半部分制作的步骤1和上半部分制作中步骤1中的上衬底(8)和下衬底(1)的材料为硅或玻璃；阻挡层(2)和阻挡层(9)采用淀积碳化硅、氮化硅、多晶硅或氧化硅的方法，或者热氧化的方法制成。

3.根据权利要求1所述的一种微机电系统螺线管电感的制备方法，其特征在于，下半部分制作中步骤4和上半部分制作中步骤4中的槽为半圆弧或梯形截面形状，槽为半圆弧截面形状时，采用各向同性刻蚀的方法，槽为梯形截面形状时，采用各向异性刻蚀的方法。

4.根据权利要求1所述的一种微机电系统螺线管电感的制备方法，其特征在于，下半部分制作的步骤6和上半部分制作中步骤6中种子层(4)为一层钛和一层用作线圈的金属(6)复合成，或一层铬和一层用作线圈的金属(6)复合成。

5.根据权利要求1所述的一种微机电系统螺线管电感的制备方法，其特征在于，下半部分制作的步骤8和上半部分制作中步骤8中电镀或化学镀用作线圈的金属(6)，所镀金属为铜、镍、金中的一种金属。

6.根据权利要求1所述的一种微机电系统螺线管电感的制备方法，其特征在于，下半部分制作的步骤9和上半部分制作中步骤9中的电镀或化学镀连接金属(7)，所镀金属为铜、镍、钴、铑、铂、钯、铬、铝、银、金中的一种金属。

7.根据权利要求1所述的一种微机电系统螺线管电感的制备方法，其特征在于，将制作好的上下两半部分进行对准倒装焊后，腐蚀掉上衬底(8)。