CN103922268A - 阶梯梁式高q值抗过载mems悬浮电感 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种阶梯梁式高Q值抗过载MEMS悬浮电感。电感由阶梯梁式悬浮螺旋线圈、电连接立柱和引线组成，通过采用阶梯式线圈导线改善了MEMS悬浮电感的抗过载性能。制作工艺为：清洗基片；基片背面溅射Cr，涂光刻胶，图形化后刻蚀制作对准标记；基片正面溅射Cr/Cu种子层；基片正面涂光刻胶，图形化后电铸引线；基片正面涂光刻胶，图形化后电铸立柱；基片正面涂光刻胶，图形化后电铸第一层线圈；基片正面涂光刻胶，图形化后电铸第二层线圈；基片正面涂光刻胶，图形化后电铸第三层线圈；去除光刻胶和种子层。本发明提出的MEMS悬浮电感具有优异的射频性能和较强的抗过载能力，制作工艺简洁，成品率高。
Description
技术领域
本发明涉及一种阶梯梁式高Q值抗过载MEMS悬浮电感的设计制作方法，属于MEMS工艺技术领域。
背景技术
电感是集成电路的重要无源器件，广泛应用于压控振荡器、功率放大器、滤波器等射频电路。高Q值的电感是射频电路性能的重要保证，而传统的集成电路工艺设计制作的电感Q值一般不超过10，难以满足高性能射频电路的需求。MEMS技术的出现和发展使得高Q值电感成为了可能。采用MEMS技术制作的悬浮线圈结构可以很好的抑制集成电路衬底的涡流损耗，进而提高电感的Q值。但是MEMS悬浮线圈的机械性能较差，在冲击过载环境中容易损坏或是出现塑性变形，导致电感失效。因此MEMS悬浮电感虽然具有优异的射频性能，但是其应用范围受到了较大的限制。
为了提高MEMS悬浮电感的抗过载能力，现有的改善方法主要是在电感线圈下增加支撑柱，但是这种方法具有很明显的缺点：囿于工艺限制，支柱通常采用的是与线圈相同的金属材料，因此增加支撑柱相当于在线圈和衬底之间增加了短路通路，从而增大了线圈和衬底之间的耦合作用，导致MEMS悬浮电感的Q值减小。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足，提出了一种阶梯梁式高Q值抗过载MEMS悬浮电感。该发明基于MEMS表面微加工技术，针对MEMS悬浮微电感在冲击环境中悬浮线圈结构容易破坏、而传统的增加支撑柱的方法又会减小电感Q值的问题，采取了以下解决措施：
首先采用厚胶光刻和电铸工艺，使得悬浮线圈的悬浮高度达到了30μm，同时线圈的厚度不小于10μm，显著抑制了衬底涡流损耗和欧姆损耗，使得电感的Q值大于25；
其次采用多次厚胶光刻和多层电铸工艺，制作了阶梯梁式悬浮螺旋线圈，靠近电连接支柱的线圈金属厚度为20μm，远离电连接支柱的线圈金属的厚度为10μm，中间段线圈的金属厚度为15μm，一方面减小了悬浮线圈在冲击环境下由于过载作用导致的惯性力，另一方面增大了悬浮线圈的结构刚度，从而在不影响MEMS悬浮电感射频性能的同时提高了其抗过载能力。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及的阶梯梁式高Q值抗过载MEMS悬浮电感包括阶梯梁式悬浮螺旋线圈、电连接立柱和引线。
所述的阶梯梁式悬浮螺旋线圈，其导线宽度为20μm，相邻导线的间距10μm，绕线圈数为2.5圈；
所述的阶梯梁式悬浮螺旋线圈，靠近电连接支柱的线圈导线厚度为20μm，远离电连接支柱的线圈导线厚度为10μm，中间段导线厚度为15μm，阶梯式直导线中较厚导线段与较薄导线段的长度之比为3︰7；
所述的电连接立柱为长方体结构，长方体高度20μm，横截面尺寸为20×20μm2。电连接立柱一端与引线相连，另一端与阶梯梁式悬浮螺旋线圈相连，电连接立柱同时起到连通悬浮线圈与电路的作用以及支撑悬浮螺旋线圈的作用；
所述的引线的导线宽度为20μm，厚度10μm。
本发明所涉及的阶梯梁式高Q值抗过载MEMS悬浮电感，具体包括以下制作步骤：
1.在硅基片背面磁控溅射一层Cr，旋涂光刻胶，图形化后对Cr进行腐蚀形成背面对准标记；
所述的图形化是指对光刻胶进行紫外光曝光显影后得到相应的掩模图形。
2.在硅基片正面溅射Cr/Cu作为电铸工艺种子层；
所述的电铸工艺是指有电极电铸。
3.在Cr/Cu种子层表面旋涂10μm的引线层光刻胶，图形化后形成引线电铸区域；
4.电铸10μm厚的Cu作为引线；
5.旋涂20μm的立柱层光刻胶，图形化后形成电连接立柱的电铸区域；
6.电铸20μm厚的Cu作为电连接立柱；
7.光刻胶烘胶变性；
8.在光刻胶表面磁控溅射Cu作为线圈电铸的种子层；
9.在Cu种子层表面旋涂10μm厚的第一层线圈光刻胶，图形化后形成第一层线圈的电铸区域；
10.电铸10μm厚的Cu作为第一层线圈；
11.旋涂5μm厚的第二层线圈光刻胶，图形化后形成第二层线圈的电铸区域；
12.电铸5μm厚的Cu作为第二层线圈；
13.旋涂5μm厚的第三层线圈光刻胶，图形化后形成第三层线圈的电铸区域；
14.电铸5μm厚的Cu作为第三层线圈；
15.逐层释放光刻胶及种子层。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：(1)该MEMS表面微加工工艺制作的悬浮微电感可以有效地降低集成电路衬底的涡流损耗，具有优异的射频性能；(2)本发明提出的MEMS悬浮微电感采用了阶梯梁式悬浮螺旋线圈，与传统的无阶梯梁结构悬浮电感相比，其抗过载能力提高了3倍，具备优异的机械性能；(3)本发明提出的MEMS工艺为低温工艺，具有与集成电路工艺兼容的特点，成本较低，该非硅MEMS工艺简洁易行，工艺可靠度和成品率高，可大批量生产。
附图说明
图1是本发明提出的阶梯梁式高Q值抗过载MEMS悬浮电感的结构示意图。
图2是本发明提出的阶梯梁式高Q值抗过载MEMS悬浮电感沿A—A′方向的截面示意图；
图3是本发明提出的阶梯梁式高Q值抗过载MEMS悬浮电感线圈导线沿B—B′方向的截面示意图。
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实施，给出了详细的实施方案和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1和图2所示，本实施例由一阶线圈绕线段1、二阶线圈绕线段2、三阶线圈绕线段3、引线4、硅基片5和电连接立柱6组成。阶梯梁式悬浮螺旋线圈由一阶线圈绕线段1、二阶线圈绕线段2和三阶线圈绕线段3组成。引线4制作在硅基片5上；电连接立柱2制作在引线5上，另一端与阶梯梁式悬浮螺旋线圈相连。如图3所示，阶梯梁式金属螺旋线圈的阶梯直导线中较厚导线段与较薄导线段长度比为3︰7。
所述的电连接立柱6为长方体，长方体高度20μm，横截面尺寸20×20μm2。
所述的阶梯梁式金属螺旋线圈的导线宽度为20μm，相邻导线的间距10μm，绕线圈数为2.5圈。
所述的一阶线圈绕线段1的厚度为10μm。
所述的二阶线圈绕线段2的厚度为15μm。
所述的三阶线圈绕线段2的厚度为20μm。
如图1、图2和图3所示，一种阶梯梁式高Q值抗过载MEMS悬浮电感，本实施例包括以下步骤：
第1步：清洗处理硅基片；
第2步：采用磁控溅射的方法在基片背面溅射厚的Cr金属，作为对准标记的材料，溅射工艺条件：本底真空1.00E-6torr，溅射功率1000W，Ar压力5mtorr；
第3步：在基片背面旋涂1μm厚的RZJ-304-10cp光刻胶，光刻胶烘干温度98℃，时间3min，用于Cr膜腐蚀时掩模材料；
第4步：紫外光刻，硬接触曝光，曝光光强7.7mw/cm2，时间6.5s，显影40s，后烘坚膜采用烘箱烘胶，第一段温度：80℃，烘胶时间20min，第二段温度：120℃，烘胶时间30min；
第5步：腐蚀光刻后曝露出的Cr膜，未腐蚀部分为套刻对准标记；具体工艺如下：Cr膜腐蚀采用硝酸铈铵溶液，其配比为：硝酸铈铵:水=2:5（质量比），时间20s；
第6步：使用丙酮溶液去除基片背面的光刻胶；
第7步：在基片正面采用磁控溅射的方法溅射Cr/Cu种子层作为电铸时种子层，后续工艺均在该溅射面进行，溅射工艺条件：本底真空1.00E-6torr，Cr溅射功率1000W，Ar压力5mtorr，Cu溅射功率2000W，Ar压力8mtorr；
第8步：旋涂10μm厚AZ P4620光刻胶作为引线层光刻胶，光刻胶前烘采用烘箱，第一段温度：室温～50℃升温，时间20min，第二段温度：50℃，保持1.5h，第三段温度：50～95℃升温，时间30min，第四段温度：95℃，保持1.5h；
第9步：利用基片背面对准标记进行对准紫外光刻，硬接触，光强7.7mw/cm2，时间170s，显影3min，后烘坚膜采用烘箱烘胶，第一段：75～85℃逐步升温，时间5min，第二段：85℃，保持15min；
第10步：电铸Cu引线层，电铸液采用硫酸盐镀铜，电铸厚度10μm；
第11步：旋涂20μm厚的AZ P4903光刻胶，光刻胶前烘采用烘箱，第一段：室温～50℃逐步升温，时间20min，第二段：50℃，保持1h，第三段：50～95℃逐步升温，时间30min，第四段：95℃，保持1h，该层光刻胶作为Cu电连接支柱的电铸层，工艺结束后将去除；
第12步：利用基片背面对准标记进行对准紫外光刻，硬接触，光强7.7mw/cm2，时间300s，显影5min，后烘坚膜采用烘箱烘胶，第一段：75～85℃逐步升温，时间5min，第二段：85℃，保持15min；
第13步：电铸Cu电连接立柱层，电铸液采用硫酸盐镀铜，电铸厚度20μm：
第14步：将基片冲水甩干，采用烘箱对光刻胶进行高温变性，目的是使底层光刻胶变的更加稳定，保证下步工艺的完好，具体工艺为：第一段：室温～120℃升温，时间10min，第二段：120℃，保持20min；
第15步：采用磁控溅射的方法溅射厚的Cu层间种子层，溅射工艺条件：本底真空1.00E-6torr，溅射功率2000W，Ar压力8mtorr；
第16步：旋涂10μm厚AZ P4620光刻胶作为第一层线圈光刻胶，光刻胶前烘采用烘箱，第一段温度：室温～50℃升温，时间20min，第二段温度：50℃，保持30min，第三段温度：50～85℃升温，时间30min，第四段温度：85℃，保持30min；
第17步：利用基片背面对准标记进行对准紫外光刻，硬接触，光强7.7mw/cm2，时间160s，显影3min，后烘坚膜采用烘箱烘胶，第一段：75～85℃逐步升温，时间5min，第二段：85℃，保持10min；
第18步：电铸Cu线圈，作为第一层线圈，电铸液采用硫酸盐镀铜，电铸厚度10μm；
第19步：旋涂5μm厚AZ P4620光刻胶作为第二层线圈光刻胶，光刻胶前烘采用烘箱，第一段温度：室温～50℃升温，时间20min，第二段温度：50℃，保持30min，第三段温度：50～85℃升温，时间20min，第四段温度：85℃，保持20min；
第20步：利用基片背面对准标记进行对准紫外光刻，硬接触，光强7.7mw/cm2，时间90s，显影2min，后烘坚膜采用烘箱烘胶，第一段：75～85℃逐步升温，时间5min，第二段：85℃，保持10min；
第21步：电铸Cu线圈，作为第二层线圈，电铸液采用硫酸盐镀铜，电铸厚度5μm：
第22步：旋涂5μm厚AZ P4620光刻胶作为第三层线圈光刻胶，光刻胶前烘采用烘箱，第一段温度：室温～50℃升温，时间20min，第二段温度：50℃，保持20min，第三段温度：50～85℃升温，时间20min，第四段温度：85℃，保持10min；
第23步：利用基片背面对准标记进行对准紫外光刻，硬接触，光强7.7mw/cm2，时间90s，显影2min，后烘坚膜采用烘箱烘胶，第一段：75～85℃逐步升温，时间5min，第二段：85℃，保持10min；
第24步：电铸Cu线圈，作为第三层线圈，电铸液采用硫酸盐镀铜，电铸厚度5μm：
第25步：逐层释放，得到线圈结构，具体工艺步骤如下：
1)室温下用7‰的NaOH溶液腐蚀最上层光刻胶，直到露出种子层为止，用去离子水冲洗干净；
2)去除铜（Cu）层间种子层：用氨水:双氧水=5:2（体积比）腐蚀铜（Cu）膜，时间10s；
3)用7‰的NaOH溶液腐蚀牺牲层光刻胶；
4)用丙酮浸泡，溶解少量残余光刻胶；
5)用无水酒精浸泡，溶解丙酮同时有助于去除结构中水；
6)去除Cr/Cu种子层：用氨水:双氧水=5:2（体积比）腐蚀铜（Cu）膜，时间10s；用铁氰化钾和氢氧化钠的水溶液刻蚀铬(Cr)膜，时间10min，配比为K3[Fe(CN)6]:NaOH:H2O=3:2:100(质量比)；
7)用去离子水清洗；
8)酒精脱水：用酒精浸泡10min，用热板80℃烘干脱水，得到释放的电感结构。
Claims (21)
1.一种阶梯梁式高Q值抗过载MEMS悬浮电感，包括：一级线圈绕线段1、二级线圈绕线段2、三级线圈绕线段3、引线4和电连接立柱6，其特征在于，还包括：阶梯梁式高Q值抗过载MEMS悬浮电感的阶梯梁式悬浮螺旋线圈由一阶线圈绕线段1、二阶线圈绕线段2和三阶线圈绕线段3组成，电连接立柱2制作在引线5上，另一端与阶梯梁式悬浮螺旋线圈相连，一级线圈绕线段1、二级线圈绕线段2、三级线圈绕线段3、引线4和电连接立柱6均为铜金属材料。
2.如权利要求1所述的阶梯梁式高Q值抗过载MEMS悬浮电感，其特征是，所述电连接立柱6为长方体结构，长方体高度20μm，横截面积20×20μm2。
3.如权利要求1所述的阶梯梁式高Q值抗过载MEMS悬浮电感，其特征是，所述的引线4的导线宽度为20μm，导线厚度10μm。
4.如权利要求1所述的阶梯梁式高Q值抗过载MEMS悬浮电感，其特征是，所述的阶梯梁式悬浮螺旋线圈的导线宽度为20μm，相邻导线的间距为10μm，绕线圈数为2.5圈。
5.如权利要求1所述的阶梯梁式高Q值抗过载MEMS悬浮电感，其特征是，所述的一阶线圈绕线段1的厚度为10μm，二阶线圈绕线段2的厚度为15μm，三阶线圈绕线段3的厚度为20μm。
6.如权利要求1，一种阶梯梁式高Q值抗过载MEMS悬浮电感，其特征在于，制作方法包括以下步骤：
(1)在硅基片背面磁控溅射一层Cr，旋涂光刻胶，图形化后对Cr进行腐蚀形成背面对准标记；
(2)在硅基片正面溅射Cr/Cu作为电铸工艺种子层；
(3)在Cr/Cu种子层表面旋涂10μm的引线层光刻胶，图形化后形成引线电铸区域；
(4)电铸10μm厚的Cu作为引线层；
(5)旋涂20μm的立柱层光刻胶，图形化后形成电连接立柱的电铸区域；
(6)电铸20μm厚的Cu作为电连接立柱；
(7)光刻胶烘胶变性；
(8)在光刻胶表面磁控溅射Cu作为线圈电铸的种子层；
(9)在Cu种子层表面旋涂10μm厚的第一层线圈光刻胶，图形化后形成第一层线圈的电铸区域；
(10)电铸10μm厚的Cu作为第一层线圈；
(11)旋涂5μm厚的第二层线圈光刻胶，图形化后形成第二层线圈的电铸区域；
(12)电铸5μm厚的Cu作为第二层线圈；
(13)旋涂5μm厚的第三层线圈光刻胶，图形化后形成第三层线圈的电铸区域；
(14)电铸5μm厚的Cu作为第三层线圈；
(15)逐层释放光刻胶及种子层。
7.如权利要求1，一种阶梯梁式高Q值抗过载MEMS悬浮电感的制作方法，其特征是，步骤1)中，在清洗处理过的基片背面磁控溅射厚的Cr金属，溅射工艺条件：本底真空1.00E-6torr，溅射功率1000W，Ar压力5mtorr；在基片背面旋涂1μm厚的RZJ-304-10cp光刻胶，前烘温度98℃，时间3min；紫外光刻，硬接触曝光，曝光光强7.7mw/cm2，时间6.5s，显影40s，采用烘箱后烘坚膜，第一段温度：80℃，烘胶时间20min，第二段温度：120℃，烘胶时间30min；以光刻胶为掩模腐蚀光刻后曝露出的Cr膜得到套刻对准标记，Cr膜腐蚀采用硝酸铈铵溶液，配比为：硝酸铈铵:水=2:5（质量比），时间20s；最后使用丙酮溶液去除基片背面的光刻胶。
8.如权利要求1，一种阶梯梁式高Q值抗过载MEMS悬浮电感的制作方法，其特征是，步骤2)中，在基片正面磁控溅射Cr/Cu种子层作为电铸种子层，溅射工艺条件：本底真空1.00E-6torr，Cr溅射功率1000W，Ar压力5mtorr，Cu溅射功率2000W，Ar压力8mtorr。
9.如权利要求1，一种阶梯梁式高Q值抗过载MEMS悬浮电感的制作方法，其特征是，步骤3)中，旋涂10μm厚AZ P4620光刻胶作为引线层光刻胶，光刻胶前烘采用烘箱，第一段温度：室温～50℃升温，时间20min，第二段温度：50℃，保持1.5h，第三段温度：50～95℃升温，时间30min，第四段温度：95℃，保持1.5h；利用基片背面对准标记进行紫外光刻，硬接触，光强7.7mw/cm2，时间170s，显影3min，后烘坚膜采用烘箱烘胶，第一段：75～85℃逐步升温，时间5min，第二段：85℃，保持15min。
10.如权利要求1，一种阶梯梁式高Q值抗过载MEMS悬浮电感的制作方法，其特征是，步骤4)中，电铸Cu引线层，电铸液采用硫酸盐镀铜，电铸厚度10μm。
11.如权利要求1，一种阶梯梁式高Q值抗过载MEMS悬浮电感的制作方法，其特征是，步骤5)中，旋涂20μm厚的AZ P4903光刻胶，光刻胶前烘采用烘箱，第一段：室温～50℃逐步升温，时间20min，第二段：50℃，保持1h，第三段：50～95℃逐步升温，时间30min，第四段：95℃，保持1h，该层光刻胶作为Cu电连接支柱的电铸层；利用基片背面对准标记进行对准紫外光刻，硬接触，光强7.7mw/cm2，时间300s，显影5min，后烘坚膜采用烘箱，第一段：75～85℃逐步升温，时间5min，第二段：85℃，保持15min。
12.如权利要求1，一种阶梯梁式高Q值抗过载MEMS悬浮电感的制作方法，其特征是，步骤6)中，电铸Cu电连接立柱层，电铸液采用硫酸盐镀铜，电铸厚度20μm。
13.如权利要求1，一种阶梯梁式高Q值抗过载MEMS悬浮电感的制作方法，其特征是，步骤7)中，将基片冲水甩干，采用烘箱对光刻胶进行高温变性，具体工艺为：第一段：室温～120℃升温，时间10min，第二段：120℃，保持20min。
14.如权利要求1，一种阶梯梁式高Q值抗过载MEMS悬浮电感的制作方法，其特征是，步骤8)中，采用磁控溅射的方法溅射厚的Cu层间种子层，溅射工艺条件：本底真空1.00E-6torr，溅射功率2000W，Ar压力8mtorr。
15.如权利要求1，一种阶梯梁式高Q值抗过载MEMS悬浮电感的制作方法，其特征是，步骤9)中，旋涂10μm厚AZ P4620光刻胶作为第一层线圈光刻胶，光刻胶前烘采用烘箱，第一段温度：室温～50℃升温，时间20min，第二段温度：50℃，保持30min，第三段温度：50～85℃升温，时间30min，第四段温度：85℃，保持30min；利用基片背面对准标记进行对准紫外光刻，硬接触，光强7.7mw/cm2，时间160s，显影3min，后烘坚膜采用烘箱，第一段：75～85℃逐步升温，时间5min，第二段：85℃，保持10min。
16.如权利要求1，一种阶梯梁式高Q值抗过载MEMS悬浮电感的制作方法，其特征是，步骤10)中，电铸Cu线圈作为第一层线圈，电铸液采用硫酸盐镀铜，电铸厚度10μm。
17.如权利要求1，一种阶梯梁式高Q值抗过载MEMS悬浮电感的制作方法，其特征是，步骤11)中，旋涂5μm厚AZ P4620光刻胶作为第二层线圈光刻胶，光刻胶前烘采用烘箱，第一段温度：室温～50℃升温，时间20min，第二段温度：50℃，保持30min，第三段温度：50～85℃升温，时间20min，第四段温度：85℃，保持20min；利用基片背面对准标记进行对准紫外光刻，硬接触，光强7.7mw/cm2，时间90s，显影2min，后烘坚膜采用烘箱烘胶，第一段：75～85℃逐步升温，时间5min，第二段：85℃，保持10min。
18.如权利要求1，一种阶梯梁式高Q值抗过载MEMS悬浮电感的制作方法，其特征是，步骤12)中，电铸Cu线圈作为第二层线圈，电铸液采用硫酸盐镀铜，电铸厚度5μm。
19.如权利要求1，一种阶梯梁式高Q值抗过载MEMS悬浮电感的制作方法，其特征是，步骤13)中，旋涂5μm厚AZ P4620光刻胶作为第三层线圈光刻胶，光刻胶前烘采用烘箱，第一段温度：室温～50℃升温，时间20min，第二段温度：50℃，保持20min，第三段温度：50～85℃升温，时间20min，第四段温度：85℃，保持10min；利用基片背面对准标记进行对准紫外光刻，硬接触，光强7.7mw/cm2，时间90s，显影2min，后烘坚膜采用烘箱烘胶，第一段：75～85℃逐步升温，时间5min，第二段：85℃，保持10min。
20.如权利要求1，一种阶梯梁式高Q值抗过载MEMS悬浮电感的制作方法，其特征是，步骤14)中，电铸Cu线圈作为第三层线圈，电铸液采用硫酸盐镀铜，电铸厚度5μm。
21.如权利要求1，一种阶梯梁式高Q值抗过载MEMS悬浮电感的制作方法，其特征是，步骤15)中，逐层释放具体工艺步骤如下：
1)室温下用7‰的NaOH溶液腐蚀最上层光刻胶，直到露出种子层为止，用去离子水冲洗干净；
2)去除铜（Cu）层间种子层：用氨水:双氧水=5:2（体积比）腐蚀铜（Cu）膜，时间10s；
3)用7‰的NaOH溶液腐蚀牺牲层光刻胶；
4)用丙酮浸泡，溶解少量残余光刻胶；
5)用无水酒精浸泡，溶解丙酮同时有助于去除结构中水；
6)去除Cr/Cu种子层：用氨水:双氧水=5:2（体积比）腐蚀铜（Cu）膜，时间10s；用铁氰化钾和氢氧化钠的水溶液刻蚀铬(Cr)膜，时间10min，配比为K3[Fe(CN)6]:NaOH:H2O=3:2:100(质量比)；
7)用去离子水清洗；
8)酒精脱水：用酒精浸泡10min，用热板80℃烘干脱水，得到释放的电感结构。
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