CN102915957B

CN102915957B - 一种制作空气桥及电感的方法

Info

Publication number: CN102915957B
Application number: CN201210345336.2A
Authority: CN
Inventors: 张波; 靳纯艳; 方敏; 王金延; 王茂俊; 于民; 解冰; 吴文刚
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2012-09-17
Filing date: 2012-09-17
Publication date: 2014-08-06
Anticipated expiration: 2032-09-17
Also published as: CN102915957A

Abstract

本发明提供一种制作空气桥及电感的方法。其步骤主要包括：在基片上利用光刻胶制作第一牺牲胶层；在第一牺牲胶层上涂敷光刻胶制作第二牺牲胶层，该第二牺牲胶层的长度小于第一牺牲胶层的长度；通过烘烤使牺牲胶层的边角圆滑并固化，形成拱形的空气桥支撑基片；利用电子束蒸发制作种子层；在种子层上电镀金属材料层；采用腐蚀方法去除种子层，采用有机溶剂去除牺牲胶层，形成空气桥。本发明使用光刻胶制作两层牺牲胶层，可以提高空气桥的性能，并能提高工艺效率，减小制作过程中对器件造成的损伤，同时避免使用剧毒试剂，保护环境。

Description

一种制作空气桥及电感的方法

技术领域

本发明属于微电子技术领域，涉及半导体器件及集成电路制造工艺技术，具体涉及一种制作空气桥的方法，以及利用空气桥制作电感的方法。

背景技术

随着近年来无线通信领域的发展，以及军事科技应用（例如雷达系统等）的进步，对于微波功率管的各项指标要求逐步提高。因为GaN材料击穿场强大和电子饱和漂移速度高，所以基于GaN基的器件在高频高功率应用中比基于传统半导体材料的器件更有优势。如GaN基HEMT（High Electron Mobility Transistor）器件，其高输出功率密度使得可以用更小尺寸器件达到相同的输出功率。而小尺寸器件引发的高阻抗在放大器的输入输出匹配时损耗更小。并且因为器件击穿电场更大，能承受更高的击穿电压，使其工作时不仅不需要电压转换，还有可能得到更高的效率，这也是放大器工作时的另一个重要指标。此外，宽禁带能使GaN基器件工作在高温条件下，这对于航天、航空等军事领域具有重要意义。另外HEMT器件比MESFET（Metal-Semiconductor FET，金属-半导体场效应晶体管）器件的噪声更小。

随着现代通信系统和电子技术的发展，将无源元件（如电感、电容等）和有源器件集成到一块芯片上的应用越来越广泛，因为这样能大规模减小芯片面积，节省成本，这种电路也被称作单片集成电路（MMIC）。目前国外已报道GaN单片集成电路制成的低噪声放大器（LNA）、压控振荡器（VCO）、功率放大器（PA）等。在GaN MMIC中，需要大量使用平面螺旋电感，金属-绝缘物-金属（MIM）电容。这些器件的性能直接影响单片集成电路的整体性能。因此，设计出与HEMT工艺兼容且性能良好的无源器件变得很重要。

由于AlGaN/GaN化学性质与硅不同，在GaN上制作电感与在硅上制作电感会有很多不同的地方，硅基电感的很多经验原理和工艺方法并不适用于GaN基电感。GaN基电感制作过程中，若电感中心的金属引线和电感线圈相互交叉或者重叠，就会存在寄生。由于空气的介电常数最小，以空气为介质的交叉或重叠的金属线寄生最小，这种空气桥结构也成为了电感制作中的关键环节。

目前常用的制作空气桥的方法有两种，一是采用复合胶电镀制作空气桥，二是采用光刻胶将所需图形转移到另一层牺牲层上制作空气桥的方法。

采用复合胶电镀制作空气桥的方法主要包括以下步骤：1）在基片上涂复合胶，光刻桥墩；2）高温烘烤，使复合胶边角圆滑；3）在复合胶上溅射种子层；4）在种子层上涂二次光刻胶，光刻桥面；5）光刻桥面后在种子层上电镀金属；6）剥离去除光刻胶以下的种子层，使之露出两侧的基片，形成空气桥。该方法可以制作很厚的金属的空气桥。溅射形成种子层时，速度慢效率低，且当样品面积较大时膜的均匀性较差。采用剥离的方法去除光刻胶以下的种子层，去除过程对器件造成损伤。工艺流程是用的HDMS为致癌物质。

采用光刻胶将所需图形转移到另一种牺牲层上制作空气桥的方法主要包括以下步骤：1）在衬底上涂两层光刻胶；2）在上层光刻胶上曝光、显影，获得桥模图形；3）对下层刻蚀和氯苯浸泡，将上层的桥模图形转移到下层；4）泛曝光、显影去除剩余的上层胶；5）在已成形桥膜的衬底上，涂薄聚甲基丙烯酸甲酯-顺丁烯二酐光刻胶和厚正胶；经曝光，反转显影使普通正性光刻胶形成布线图形，等离子刻蚀去除布线图形窗口内的聚甲基丙烯酸甲酯-顺丁烯二酐光刻胶；6）蒸发金属、剥离后形成空气桥布线金属。该方法制作空气桥质量较好，但是制作支撑空气的牺牲胶块的过程复杂，而且要是用氯苯（致癌物质），并且氯苯浸泡过程可控性不好，空气桥精度不高。

发明内容

本发明目的在于针对上述问题，提供一种制作空气桥的方法，以及利用空气桥制作电感的方法，可以提高工艺效率，减小制作过程中对器件造成的损伤，避免使用剧毒试剂。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种制作空气桥的方法，其步骤包括：

1）在基片上利用光刻胶制作第一牺牲胶层；

2）在第一牺牲胶层上涂敷光刻胶制作第二牺牲胶层，该第二牺牲胶层的长度小于第一牺牲胶层的长度；

3）对步骤2）所得基片进行烘烤，使牺牲胶层的边角圆滑并固化，形成拱形的空气桥支撑基片；

4）在步骤3）所得基片上利用电子束蒸发制作覆盖牺牲胶层的种子层；

5）在种子层上电镀金属材料层；

6）采用腐蚀方法去除种子层，采用有机溶剂去除第一牺牲胶层和第二牺牲胶层，形成空气桥。

上述方法中，在制作牺牲胶层时，先涂敷光刻胶，在对其进行光刻、曝光并显影。

上述方法可用于制作单个空气桥或多个空气桥，比如制作电感时为避免金属引线和电感线圈相互交叉或者重叠而需要制作多个并列的空气桥。在制作多个空气桥时，可以在步骤4）所得基片上第三次涂敷光刻胶，并进行光刻、曝光和显影，用于保护非电镀区域。最后在步骤6）中采用有机溶剂将这些光刻胶一并去除。

可选地，所述基片为GaN基片或Si基片。

优选地，第一牺牲胶层和第二牺牲胶层采用AZ6130光刻胶，其厚度为3μm左右，优选2.8μm-3.2μm。所述第三次光刻胶使用AZ4620光刻胶，其厚度为8μm左右，优选7.5μm-8.5μm。

优选地，采用接触式曝光机进行所述曝光；在曝光之前对涂敷有光刻胶的基片进行烘烤，其温度为110℃-125℃，时间为10～20分钟。

优选地：通过电子束蒸发依次制作20nm厚的Ni层和100nm厚的Au层，形成所述种子层；步骤5）进行电镀时采用含金的电镀溶液，电镀采用的总电流为5mA，电镀溶液采用的水浴加热温度为65℃；步骤6）进行腐蚀时，先用KI/I₂溶液腐蚀所述Au，腐蚀液起始浓度配比为I₂：KI：H₂O=1:3:30；再用稀盐酸腐蚀Ni。

优选地，步骤6）所述有机溶剂为丙酮或乙醇。

本发明还提供一种利用空气桥制作电感的方法，其步骤包括：

1）在基片上制作电感的金属引线；

2）在基片上利用光刻胶制作第一牺牲胶层，覆盖所述金属引线，并根据定义的电感线圈图形进行光刻、曝光和显影；

3）在第一牺牲胶层上涂敷光刻胶制作第二牺牲胶层，该第二牺牲胶层的长度小于第一牺牲胶层的长度；

4）通过烘烤使牺牲胶层的边角圆滑并固化；

5）利用电子束蒸发制作电感线圈的种子层；

6）涂敷第三次光刻胶，对非线圈区域进行光刻、曝光和显影；

7）在所述种子层上电镀金属材料层，形成电感线圈；

8）采用腐蚀方法去除种子层，采用有机溶剂去除第一牺牲胶层、第二牺牲胶层和第三次光刻胶，形成电感。

可选地，所述基片为GaN基片或Si基片。

本发明的优点和积极效果如下：

1）本发明的制作空气桥的方法，在制作空气桥的过程中，使用电子束蒸发制作种子层，比溅射的速度快，提高了工艺效率；且能获得具有更好的均匀性的膜；

2）本发明的制作空气桥的方法，在制作空气桥的过程中，使用腐蚀去除种子层，与剥离相比，减小了工艺流程对器件造成的损伤。通过严格控制腐蚀时间，可以保证种子层去除干净的同时，电镀金属腐蚀厚度控制在0.5μm以内，不需要通过先腐蚀再剥离的工艺步骤去除种子层，简化了工艺步骤；

3）本发明的制作空气桥的方法，在制作空气桥的过程中，使用光刻胶制作两层牺牲胶层，烘烤以后可以进一步提高空气桥的高度和拱形弧度，便于制作金属时金属爬坡，并减小了桥面与基片金属之间的寄生效应；

4）本发明的制作空气桥的方法，在制作空气桥的过程中，不是用剧毒化学试剂，保护操作人员的身体健康，保护环境。

5）利用本发明的空气桥可进一步制作电感等其它器件。需要上下两层金属隔离的情况，都可以应用这种结构的空气桥来实现隔离。比如平面螺旋电感，其中心引出线与电感线圈需要绝缘物质隔离开来，可以是SiO2、Si3N4、Polyimide等介质，也可以是空气。空气的介电常数更低，隔离效果更好，可以采用本发明方法制备构成电感结构的空气桥。

附图说明

图1为本发明实施例的制作空气桥的方法的步骤流程图。

图2为本发明实施例的空气桥及电感的制作过程示意图。其中：1-基片，2-引线金属，3-第一牺牲胶层，4-第二牺牲胶层，5-种子层，6-三次光刻胶，7-电镀层。

图3为本发明实施例的应用空气桥结构实现的GaN基螺旋电感的扫描电镜图。

图4为本发明实施例的GaN基螺旋电感中空气桥结构的扫描电镜图。

具体实施方式

下面通过具体实施例并配合附图，对本发明做进一步说明。

本实施例为一个螺旋电感的制作过程。为了避免电感的引出线和螺旋电感线圈重叠，需要制作空气桥。图1为该实施例的制作空气桥的方法的步骤流程图，具体说明如下：

步骤101：在基片上涂敷光刻胶制作第一牺牲胶层，根据定义的电感线圈的图形对牺牲胶层进行光刻、曝光、显影。金属引出线处未显影的牺牲胶层，形成空气桥支撑基片。

在涂牺牲胶层时，需要覆盖基片上的金属，即电感引出线。该金属可通过光刻和电子束蒸发工艺做在基片上。

步骤102：在第一牺牲胶层上涂敷光刻胶制作第二牺牲胶层，使支撑基片增高，将用于制作空气桥桥面。

牺牲胶层的厚度决定了空气桥的高度和形貌，在第一牺牲胶层的基础上再制作一层牺牲胶层，其比第一牺牲层的长度要小，边缘呈阶梯状（如图2b-1所示），进行烘烤以后可以进一步提高空气桥的高度和拱形弧度，便于制作金属时金属爬坡，同时还能减小桥面与基片金属之间的寄生效应。

步骤103：对形成空气桥支撑的基片进行烘烤，使牺牲胶层的边角圆滑并使牺牲胶固化。

步骤104：在步骤103所得基片上利用电子束蒸发制作种子层。

步骤105：在步骤104所得基片上第三次涂敷光刻胶，并进行光刻、曝光和显影。

该步骤进行的二层光刻是为了保护非电镀区域，即显影后，只有非电镀区域才会有二次光刻胶覆盖。

步骤106：在基片上电镀金属材料层。该步骤形成的电镀金属层即为形成电感的各个线圈。

步骤107：有机溶剂去除第三次光刻胶，并用腐蚀方法去除种子层。

步骤108：有机溶剂去除第一和第二牺牲胶层，形成空气桥，同时也形成了包含多个空气桥的螺旋电感。

图2为上述制作空气桥过程的示意图，其中左边图片（图a-1至图g-1）展示的是空气桥的制作过程，右边图片（图a-2至图g-2）展示了从左边图片所示截面位置看去的电感线圈的形成过程。最终制得的空气桥及螺旋电感如图3所示，其中示意了图2中的截面位置。下面结合图2做具体说明。

1）制作第一牺牲胶层

如图2a所示，在GaN基片1上涂敷一定厚度的光刻胶3（即第一牺牲胶层），覆盖底层金属2（电感的引出线），该光刻胶为光敏的正胶，材质为AZ6130，厚度为3μm左右，长度为10μm左右。该金属引线是Ni/Au合金，宽度是10μm，厚度为300nm，通过光刻和电子束蒸发工艺做在基片上。将基片放入120摄氏度烘箱烘烤20分钟。将涂敷有AZ6130型光刻胶采用接触式曝光机进行曝光。将曝光后的基片置于显影液中显影，形成支撑空气桥的牺牲胶块。该胶块要将底层金属覆盖完全。

2）制作第二牺牲胶层

如图2b-1所示，在步骤1）所得牺牲层上再光刻一层光刻胶AZ6130，即第二牺牲胶层4，厚度与第一次相同，长度为8μm左右；将基片放入120摄氏度烘箱烘烤20分钟。将涂敷有AZ6130型光刻胶采用接触式曝光机进行曝光。将曝光后的基片置于显影液中显影，形成加高后的牺牲胶块。图2右侧b-2至f-2由于是引桥部分的截面（请参考图3），所以只进行第一次牺牲层光刻，无需制备第二牺牲胶层。

3）烘烤

如图2c所示，将基片进行烘烤，使牺牲胶层边缘变缓，形成拱形，便于制作金属时金属爬坡，同时固化牺牲胶层。该步骤采用热板，将基片放入120摄氏度烘箱烘烤20分钟。

4）制作种子层

如图2d所示，将显影后的基片放入蒸发炉中，抽真空，在基片上通过电子束蒸发20nm的Ni，再电子束蒸发100nm的Au，形成种子层5。

5）第三次涂敷光刻胶

如图2e所示，在基片上涂敷约为8μm厚的AZ4620三次光刻胶6，然后在温度120摄氏度下烘烤20分钟，将涂敷有AZ4620三次光刻胶的基片在接触式曝光机下曝光，将曝光后的基片置于显影液中显影。第三次光刻是为了保护非电镀区域，即显影后，只有非电镀区域才会有二次光刻胶覆盖，而从图2e-1的视角看去，整个空气桥都是要进行电镀的，所以看上去图2e-1和图2d-1没有区别。

6）电镀金属材料层

如图2f所示，将电子束蒸发种子层后的基片浸入含金（Au）的电镀液中，金属阳离子在样品表面被还原为电镀层7。电镀过程中，电镀液的浓度会不断下降，需要及时补充以保证电镀液浓度不变。电镀采用总电流为5mA，电镀溶液采用水浴加热温度为65℃。空气桥的桥墩和桥面都是通过该步骤中的电镀形成的。

7）去除第二次光刻胶层、牺牲胶层和种子层，形成空气桥

如图2g所示，将电镀了一层金属材料后的基片浸泡在丙酮或乙醇等有机溶剂中若干时间，去除三次光刻胶。用KI/I2溶液腐蚀Au，腐蚀时间为30秒，再用稀盐酸腐蚀Ni，从而去掉种子层。再将基片浸泡在丙酮或乙醇等有机溶剂中若干时间，去除牺牲胶层。

该步骤中，先用KI/I2溶液腐蚀Au，腐蚀液起始浓度配比为I2：KI：H2O=1:3:30，其中碘化钾的主要作用是增加碘在水中的溶解度；再用稀盐酸腐蚀Ni，严格控制控制腐蚀时间，使去掉种子层的同时，电镀金属被腐蚀的厚度控制在0.5μm以内。

经过上述步骤制得的空气桥及螺旋电感如图3所示，该图为应用空气桥结构实现的GaN基螺旋电感的扫描电镜图。图4为GaN基螺旋电感中空气桥的扫描电镜图。可以看出，由于在制作空气桥的过程中，使用光刻胶制作两层牺牲胶层，并使用电子束蒸发制作种子层，使用腐蚀去除种子层，使得最终制得的空气桥结构材质均匀性好，表面形貌平整，对器件造成的损伤小。与介质隔离相比，空气因具有更小的介电常数，因此用该空气桥结构制作的螺旋电感，采用空气桥将金属引线和电感线圈进行隔离，可以实现更好的隔离效果。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求所述为准。

Claims

1.一种制作空气桥的方法，其步骤包括：

1)在基片上利用光刻胶制作第一牺牲胶层；

2)在第一牺牲胶层上涂敷光刻胶制作第二牺牲胶层，该第二牺牲胶层的长度小于第一牺牲胶层的长度；第一牺牲胶层和第二牺牲胶层采用AZ6130光刻胶，且每一层的厚度为2.8μm-3.2μm；

3)通过烘烤使所述第一牺牲胶层和所述第二牺牲胶层的边角圆滑并固化，形成拱形的空气桥支撑基片；

4)在步骤3)所得基片上利用电子束蒸发制作覆盖所述第一牺牲胶层和所述第二牺牲胶层的种子层；然后涂敷第三次光刻胶，并进行光刻，用于保护非电镀区域，第三次光刻胶使用AZ4620光刻胶，其厚度为7.5μm-8.5μm；

5)在所述种子层上电镀金属材料层；

6)采用腐蚀方法去除种子层，采用有机溶剂去除第一牺牲胶层、第二牺牲胶层和第三次光刻胶，形成空气桥。

2.根据权利要求1所述的制作空气桥的方法，其特征在于：采用接触式曝光机对光刻胶进行曝光；在曝光之前对涂敷有光刻胶的基片进行烘烤，其温度为110℃-125℃，时间为10～20分钟。

3.根据权利要求1所述的制作空气桥的方法，其特征在于：通过电子束蒸发依次制作20nm厚的Ni层和100nm厚的Au层，形成所述种子层。

4.根据权利要求3所述的制作空气桥的方法，其特征在于：所述电镀采用含金的电镀溶液，电镀采用的总电流为5mA，电镀溶液采用的水浴加热温度为65℃。

5.根据权利要求3所述的制作空气桥的方法，其特征在于，步骤6)所述腐蚀的方法为：用KI/I₂溶液腐蚀Au层，用稀盐酸腐蚀Ni层。

6.根据权利要求1所述的制作空气桥的方法，其特征在于，所述有机溶剂为丙酮或乙醇。

7.一种利用空气桥制作电感的方法，其步骤包括：

1)在基片上制作电感的金属引线；

2)在基片上利用光刻胶制作第一牺牲胶层，覆盖所述金属引线，并根据定义的螺旋电感线圈图形进行光刻；

3)在第一牺牲胶层上涂敷光刻胶制作第二牺牲胶层，该第二牺牲胶层的长度小于第一牺牲胶层的长度；第一牺牲胶层和第二牺牲胶层采用AZ6130光刻胶，且每一层的厚度为2.8μm-3.2μm；

4)通过烘烤使所述第一牺牲胶层和所述第二牺牲胶层的边角圆滑并固化；

5)利用电子束蒸发制作电感线圈的种子层；

6)涂敷第三次光刻胶，对非线圈区域进行光刻，第三次光刻胶使用AZ4620光刻胶，其厚度为7.5μm-8.5μm；

7)在所述种子层上电镀金属材料层，形成电感线圈；

8)采用腐蚀方法去除种子层，采用有机溶剂去除第一牺牲胶层、第二牺牲胶层和第三次光刻胶，形成电感。

8.根据权利要求7所述的利用空气桥制作电感的方法，其特征在于：所述基片为GaN基片或Si基片。