CN102723259A

CN102723259A - 一种在硅基底上制作多层微型电感线圈的uv-liga方法

Info

Publication number: CN102723259A
Application number: CN2012101931389A
Authority: CN
Inventors: 徐志祥; 姜凤娟; 寇锦; 尹嘉鹏
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2012-06-12
Filing date: 2012-06-12
Publication date: 2012-10-10
Anticipated expiration: 2032-06-12
Also published as: CN102723259B

Abstract

本发明公开了一种在硅基底上制作多层微型电感线圈的UV-LIGA方法，其结合微机电系统MEMS，通过UV-LAIG工艺：光刻、显影、溅射、电铸工艺以及等离子体化学气相沉积PECVD技术制作截面直径为十几微米乃至几微米的微电感线圈，打破了传统电感线圈制作方法的尺寸限制。本发明用于单层微小线圈或者串、并联导通结构多层线圈的制作，而且通过等离子体化学气相沉积PECVD工艺进行多层线圈之间绝缘层的填充。以硅片作为基底不但起到了良好的底层绝缘效果而且质地轻薄操作灵便，以铬板作为掩膜工具实现设计图形到制作形状的转载使得电感线圈的尺寸、形状以及布局设计变得很灵活简单，根据掩模图形布置可以一次加工多套电感线圈，性价比高，大大提高加工效率和成型率。

Description

一种在硅基底上制作多层微型电感线圈的UV-LIGA方法

技术领域

本发明属于电感线圈制作技术领域，具体涉及硅基底上多层微型电感线圈UV-LIGA工艺方法。

背景技术

目前，电感线圈的制作或者通过将漆皮导线沿绝缘螺线管绕制而成，或者通过印制电路板工艺方法。

螺旋缠绕电感线圈具有一定的缺点：例如，仅限于制作具有一定尺寸的宏观电感线圈，对于制作直径为几十微米以内的微观电感线圈无能为力；匝数较多时线圈结构的稳定性及机械强度比较低，容易出现松动、脱落、滑扣等现象从而影响线圈的电性能，尤其是空心结构；需要具有一定操作经验人员完成。在目前所用技术中，第一种缺点尤为明显，目前传感器在向着微小精密方向发展，尤其是用于制作直径约为十几微米的微型传感器电感线圈，该方法根本无法实现。

印制电路板工艺方法具有上述某些缺点，并且本身还有一些不便之处：例如，电路设计、布线以及照相底板制造周期长，性价比低；在印制板制作过程中，图转工序在显影完成之后很容易产生许多碎膜附着板子上造成断线，从而影响线圈的使用性能；装连人员操作不当很容易引起电路损坏，而且需要高可靠性的检测手段；

对此本文提出来一种新的加工方法，即硅基底多层微型电感线圈的UV-LIGA（光刻、电铸、注塑的合称）工艺方法。

发明内容

本发明的主要目的是，提供一种在硅基底上制作多层微型电感线圈的UV-LIGA方法，以消除目前制作电感线圈所采用技术的上述缺点，该制作工艺方法打破了传统线圈加工方法未能实现微小线圈制作的尺寸限制，可以实现直径为十几微米至几微米线圈的加工。除此之外，本方法为电感线圈与后续信号检测硬件设备（例如，检测电路、信号处理模块等）的集成一体化、微小化提供了广阔的空间。

本发明设计简单方便，只需在掩膜板上布置所需要电感线圈的形状、尺寸以及布局即可，大大缩短了加工之前的准备时期。

本发明的另外一个优点是，通过改变掩膜板的尺寸大小来增加电感线圈的数量从而可以一次制作很多套电感线圈，大大提高了生产效率高以及成型率。

本发明是通过UV-LIGA工艺来完成，具体工艺步骤如下：

在实际UV-LIGA加工之前，通过AutoCAD软件绘制设计所需加工电感线圈的尺寸、匝数、螺旋形状以及布局分布的掩膜图形，根据掩膜图形制作电感线圈的掩膜板，这里选用铬板作为掩膜板；

根据掩膜图形制作电感线圈的掩膜板；制作线圈时，采用正负二块掩膜板，分别用于溅射和电铸；制作导线柱层时，仅需要负掩膜板，用于电铸。

掩膜板作为载体将电感线圈图形转移到光刻胶表面。根据实际UV-LIGA加工能力以及实际设计需要，电感线圈现状可以设计为圆形或者方形平面螺旋形式，线圈截面尺寸最小可以达到5μm×5μm，并且可以矩阵式布局。

首先，制作电感线圈的种子层。由于硅基底轻薄而且属于非导电材质，以200μm厚硅片作为电感线圈的基底，对其进行清洗烘干处理，在其上面利用涂胶机甩涂大约2.5μm厚度正光刻胶，结合光刻正胶感光特性，即感光之后由难溶变得极易溶于相应的显影液中，通过正掩膜板上遮光和透光区域进行一定时间的紫外线曝光即完成了光刻，接下来在显影液中进行显影处理，并通过氮气吹干处理，此时在光刻正胶表面形成了电感线圈的图形沟道；接着利用溅射机溅射一层大约400nm的金属，通过剥离工艺去除光刻正胶及其表层的溅射金属，基底表面剩下金属图形即是电感线圈种子层，为下一步电铸做准备。

其次，在上一步种子层基础上进行电铸。通过甩胶机甩涂约15μm厚的负胶（属于感光负胶，其感光特性与光刻正胶相反，即曝光之后由易溶变得难溶于显影液），基于负胶感光特性利用负掩膜板（与正掩膜板图形遮光和透光区域彼此相反）进行类似第一阶段的光刻显影工艺处理，负胶表层便会出现的线圈图形沟道用于电铸，该图形沟道与上一阶段光刻正胶表层的图形沟道完全相同，并且沟道底部为上一阶段制作种子层；接下来即可进行电铸金属，通过控制时间以及电流密度来控制电铸的厚度使得金属近似充满图形沟道。到此即完成了单层电感线圈的制作。

然后，在上述电感线圈制作完成基础之上电铸导通柱用于跟下一层线圈导通，使得线圈之间成串或并联导通结构。甩涂一层大约15μm厚的负胶，并且通过该导线柱图形的负掩膜版进行紫外线曝光，经过光刻显影工艺之后便可在负胶表面获得该导线柱的图形沟道，且沟道底部为上一阶段电铸的金属，也即是用于导线柱电铸的种子层；接下来通过同样的电铸方法，进行导线柱的电铸。到此，即是一套完整的单层电感线圈以及导线柱制作工艺。

另外，根据实际需要，每两层线圈之间并非导通连接，而需要互相绝缘，可以通过等离子体化学气相沉积技术PECVD在前一层电感线圈表面沉积一层SiO2绝缘层，来达到绝缘隔离效果。

对于多层结构电感线圈制作，可重复利用上述完整加工工艺进行多层电感线圈加工，获得具有串或并联导通结构的多层微型电感线圈或者具有绝缘隔离层结构的多层微型电感线圈的制作。

本发明的有益效果是将微精密加工工艺应用于微小电感线圈制作，该方法不但性价比高、效率高，价格合理，更为重要的是打破了传统电感线圈加工的宏观局限性，使电感线圈截面尺寸可达5μm×5μm，能够应用于更多的场合，为微型传感器的研制提供了广阔空间，同时也开创了一种新的思路，具有重要实际应用价值，。

附图说明

下面结合附图和实施例对发明进一步说明。

图1是本发明的工艺流程图。■表示金属Cu，□表示光刻胶。

图2是本发明实施例的纵切面结构示意图。

图3a是第一层检测线圈俯视图。

图3b是对应图3a的导线柱俯视图。

图3c是对应图3a、3b的第二层检测线圈俯视图。

图3d是对应图3a、3b、3c的检测线圈与激励线圈之间绝缘层俯视图。

图3e是对应图3a、3b、3c、3d的激励线圈俯视图。

图4是实施例的第一层检测线圈层整体俯视图。

图5是该实施例的激励线圈层整体俯视图。

图中：1在硅基底表面甩涂正胶，2根据正掩膜板进行光刻，3显影，4溅射，5剥离，6甩涂负胶即SU8胶，7根据负掩膜板光刻，8显影，9电铸，10硅基底，11掩膜板，12紫外线，13光刻正胶，14光刻负胶（SU8胶），15 Cu，16激励线圈层，17激励线圈与检测线圈之间SiO₂绝缘隔离层，18、20检测线圈层，19两层检测线圈之间的导线柱层，21硅基底，22导线柱，23、24检测线圈的两个接线柱，32公共电极，33截面尺寸为10μm×10μm的检测线圈区域，34截面尺寸为20μm×15μm的检测线圈区域，35截面尺寸为30μm×15μm的检测线圈区域，36方形平面螺旋线圈，37圆形平面螺旋线圈，25截面尺寸为140μm×20μm的激励线圈区域，26圈截面尺寸为290μm×20μm的激励线圈区域，27截面尺寸为430μm×20μm的激励线圈区域，28、29检测线圈的两个接线柱，用于外接信号检测电路，30、31激励线圈的两个接线柱，用于加载激励电源。

具体实施方式

结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施方案

本发明的工艺大致流程如图1所示，具体步骤如下：

1)根据所设计电感线圈形状、尺寸及布局绘制掩模图形并制作各层线圈掩膜版，选用铬板，每层线圈需要图形（遮光区域存在铬，透光区域无铬）完全相反的正负两个掩膜板分别用于溅射阶段的正胶光刻和电铸阶段的负胶光刻（正负光刻胶的感光特性相反）。线圈之间的导线柱以及绝缘层以前一层金属作为种子层，故只需要负掩膜版用于电铸阶段的负胶光刻；

2)选用厚度为200μm的三寸Si片作为基底，首先对Si基底进行清洗，清洗剂使用的顺序为浓硫酸、1号洗液（去离子水、双氧水、氨水的液体混合物）、2号洗液（去离子水、盐酸、双氧水液体混合物），待清洗完毕后，在180℃烘干机上烘干；

3)甩涂光刻正胶。在Si底上利用台式匀胶机涂敷光刻正胶，转速为2.3千转/分钟，获得大致2.5μm左右的胶膜。接下来在烤干机上进行85℃前烘，15min之后取出进行室温冷却；

4)光刻。在光刻室进行紫外线曝光，曝光剂量为400mJ/cm²，曝光时间为29s。之后进行84℃左右后烘；

5)显影。采用正胶显影液NaOH溶液进行显影，浸泡大致30s左右，显影后即可获得所设计线圈的图形沟道；

6)溅射Cu。利用磁控溅射台JS3X-808溅射一层约为400nm厚的Cu，功率为300瓦，时间大致为9min；

7)剥离。通过超声有机溶剂来去除光刻胶，有机溶剂选用乙醇、丙酮，在数控超声清洗器KQ-250DB上清洗5min左右，光刻胶表面400nm左右的Cu随之脱落。之后利用去离子水冲洗并用氮气吹干。到此完成了第一层线圈种子层的制作，为下一步电铸做准备。

8)甩涂光刻负胶，即SU-8胶。用吸管取一定量的SU-8胶滴在上一步种子层表面，在台式匀胶机KW-4A上旋转匀胶，开始转速调为600转/分钟，大致10s之后将转速调至1500转/分钟，保持大约30s，之后水平放置进行自平整15min左右，获得大约10μm厚的SU-8胶膜。接下来在烘箱中进行烘干30min左右，之后取出进行室温冷却；

9)光刻。在光刻室进行紫外线曝光，曝光剂量设为600 mJ/cm²，曝光时间大致为1min左右。之后在热板上进行85℃后烘，时间为10min左右，之后进行室温冷却；

10)显影。采用SU-8显影液PGMEA进行浸泡显影，在SU-8胶上获得第一层线圈图形沟道，该图形沟道形状与上一阶段正胶图形沟道完全重叠；

11)电铸Cu。电铸液为硫酸铜和硫酸混合液，电铸时间大约为6h，之后进行去离子水清洗，并进行烘干。到此完成了第一层检测线圈制作。

12) 制作导线柱，与下一层线圈串或并联（根据实际需要设计）导通。利用上述工艺8)、9)、10)、11)进行导线柱的制作。

13）另外，根据实际需要，如果每两层线圈之间并非导通结构，而是互相绝缘，可通过等离子体化学气相沉积技术PECVD在前一层电感线圈表面沉积一层SiO₂，达到绝缘隔离效果。实验设备采用日本SAMCO生产的PDO220等离子增强化学气相沉积系统，采用SiH₄ 和N₂O 作为反应气体，电阻式加热, 最高温度为400℃，射频电源频率13.56 MHz。

14）对于多层结构电感线圈制作，可重复利用上述完整加工工艺进行多层电感线圈加工，获得具有串或并联导通结构或者具有绝缘隔离层结构的多层微型电感线圈。

在图2、3、4、5所示实施例中，是将本发明应用于微型涡流线圈制作，用于微小裂纹的检测。图2是本发明实施例的剖视结构示意图，其中微型涡流电感线圈是以200μm厚的三寸硅片为基底，由单层激励线圈、多层检测线圈以及导线柱层和绝缘层构成。每两层检测线圈成反向螺旋环绕通过中心导线柱串联导通，保证感应磁场叠加增强检测信号提高灵敏度；检测线圈和激励线圈之间填充了SiO₂绝缘层。图4是该实施例中第一层检测线圈整体俯视图，电感线圈呈方形和圆形两种平面螺旋为了比较二者灵敏度，并根据形状及尺寸呈矩阵式分布来增加检测面积提高检测效率，检测线圈截面尺寸为10μm×10μm、20μm×15μm、30μm×15μm三种且每个线圈均为10匝。图5是该实施例中激励线圈整体俯视图，与检测线圈形状尺寸对应，激励线圈截面尺寸分别为140μm×20μm、290μm×20μm、430μm×20μm且均为单匝。

Claims

1.一种在硅基底上制作多层微型电感线圈的UV-LIGA方法，其特征在于，

（1）根据掩膜图形制作电感线圈的掩膜板；制作线圈时，采用正负二层掩膜板，分别用于溅射和电铸；制作导线柱层时，仅需要负掩膜板，用于电铸；

（2）制作电感线圈的种子层：对基底进行清洗烘干，涂正光刻胶，根据正掩膜板图形光刻，显影，在光刻正胶表面形成了电感线圈的图形沟道；接着溅射金属层，通过剥离工艺去除光刻正胶及其表层的溅射金属，基底表面剩下金属图形即是电感线圈种子层；

（3）电铸：甩涂负胶，利用负掩膜板进行光刻，显影处理得到线圈图形沟道，电铸；

（4）电铸导通柱：在上述电感线圈制作完成基础之上电铸导通柱用于跟下一层线圈导通，使得线圈之间成串或并联导通结构；甩涂负胶，利用负掩膜板进行光刻，显影处理得到线圈图形沟道，电铸；

如果每两层线圈之间并非导通连接，而需要互相绝缘，通过等离子体化学气相沉积技术PECVD在前一层电感线圈表面沉积一层SiO2绝缘层。

2.根据权利要求1所述的UV-LIGA方法，其特征在于，掩膜版为铬板。