CN105118821A - 一种基于石墨烯/金属复合导线的片上电感及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于石墨烯/金属复合导线的片上电感及其制备方法，属于微电子器件技术领域。该片上电感包括衬底，衬底上设有由石墨烯/金属复合导线组成的电感线圈，所述石墨烯/金属复合导线包括金属导线及其外表面包裹的石墨烯膜。其制法为：（1）在衬底、转印有石墨烯的绝缘基片上或生长有二氧化硅的半导体基片上淀积金属膜，将金属膜刻蚀成金属电感线圈；（2）在金属电感线圈上覆盖石墨烯膜，即得基于石墨烯/金属复合导线的片上电感。其优点为：本发明提高了片上电感的品质因数、导热性、抗氧化能力、载流能力及高频工作性能，且单层石墨烯包覆在金属导线表面，对片上电感尺寸影响甚微，而且实现工艺简单，具有很强的实用性。

Description

一种基于石墨烯/金属复合导线的片上电感及其制备方法

技术领域

本发明属于微电子器件技术领域，特别涉及一种基于石墨烯/金属复合导线的片上电感及其制备方法。

背景技术

片上电感是射频集成电路的基础无源元件，能实现电能到磁能的转换与存储，其广泛应用于低噪声放大器、压控振荡器、混频器、滤波器等各类射频前端模块中，构成无线通信电路的基础。在更高频率、更低功耗等应用的驱动下，射频电路需要更高性能的电路元件。然而，与快速发展的有源器件相比，片上电感的高频性能提升缓慢，电感品质因数通常低于10，导致电路频率稳定性差、噪声水平高等问题，使整个电路的性能大打折扣。这对于要求高性能、低损耗、低失真的射频集成电路而言十分不利。

片上电感的品质因数主要由电感线圈材料的电学性能决定。目前，组成片上电感的线圈材料主要为铜、铝等高电导性金属导体。随着工作频率和电流密度的不断提升，金属导线内的高频阻抗及焦耳发热急剧增加，使片上电感的品质因数急剧下降，严重影响了电路的工作稳定性。因此，研发一种新的高电导率、高抗电迁移、散热好、高频性能稳定的导体替代现有电感材料是提升片上电感射频性能的有效方法。

石墨烯是由碳原子基于单层结构形成的六角蜂窝状晶体，厚度只有0.344nm，是碳的一种新型二维同素异形体，是构筑高维度碳质材料的基本单元。由于其独特的原子结构，石墨烯具有高电子迁移率、高热导率、高电导率、高机械强度等优异的材料性能。在室温下，石墨烯理论上的电子迁移率达到200,000cm²/Vs，是硅的100倍以上，同时，其电阻率约为10^-6?·㎝，比金属铜或银更低，是目前已知的在常温下导电性能最好的材料，导电密度是铜的一万倍。此外，石墨烯的理论比表面积高达2600m²/g，具有突出的导热性能(5000W·m^-1·K^-1)，是金刚石的3倍，并具有超强的机械性能(1060GPa)。这些优异的性能使其在纳米电子器件、液晶器件、传感器、能量存储、生物材料及复合材料等领域有光明的应用前景。

石墨烯是现有导电性最好、热导率最高的材料，并且在高频下电阻基本不随频率变化，是一种非常理想的导体材料。然而，在实际应用中，具有最低电阻率的单层石墨烯由于厚度仅仅只有0.334nm，其方阻通常在几十欧以上，绝对电阻值比应用于片上电感的高维度金属导线（厚度通常在μm以上）要高出几个数量级，因此，很难直接应用到现有片上电感中。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于石墨烯/金属复合导体的片上电感及其制备方法，该片上电感具有高品质因数，其制备方法简单易行。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种基于石墨烯/金属复合导线的片上电感，包括衬底，衬底上设有由石墨烯/金属复合导线组成的电感线圈，所述石墨烯/金属复合导线包括金属导线及其外表面包裹的石墨烯膜；所述衬底为绝缘基片或半导体基片，当衬底为半导体基片时，衬底与电感线圈间设有绝缘介质层。

所述包裹为全包裹或半包裹；所述金属导线的材料为电导率高于10⁷S/m的高导电性金属；所述石墨烯膜为掺杂石墨烯膜或纯净的石墨烯膜，石墨烯膜的层数为一层到九层。

所述高电导性金属为铜或铝；所述为掺杂石墨烯膜为掺杂硼或氮的石墨烯膜。

所述绝缘基片为柔性绝缘基片或刚性绝缘基片。

所述柔性绝缘基片为PET膜；刚性绝缘基片为石英片；半导体基片为硅片；绝缘介质层的材料为二氧化硅。

一种制备上述基于石墨烯/金属复合导线的片上电感，包括如下步骤：

（1）采用薄膜沉积工艺在衬底、转印有石墨烯的绝缘基片上或生长有二氧化硅的半导体基片上淀积一层金属膜，采用光刻工艺和刻蚀工艺将金属膜刻蚀成金属电感线圈；

（2）在步骤（1）制备的金属电感线圈上覆盖石墨烯膜，即得基于石墨烯/金属复合导线的片上电感。

上述方法还包括去除没有覆盖在金属电感线圈上的石墨烯膜。

所述去除方法为光刻工艺和氧等离子体刻蚀工艺。

所述步骤（1）中的薄膜沉积工艺为电子束蒸发工艺或磁控溅射法。

所述步骤（2）中的覆盖石墨烯膜的方法为：原位生长法或转移法。

一种基于石墨烯/金属复合导线的片上电感，位于衬底上方的片上电感采用石墨烯/金属复合导线作为电感线圈材料；石墨烯/金属复合导线由石墨烯膜包覆在金属导线表面组成，共同组成导电通道。

基于石墨烯/金属复合导线的的片上电感制备方法，包括以下步骤：

1）采用化学气相沉积法在铜基底或镍基底上生长石墨烯膜；

采用薄膜沉积工艺和光刻工艺在衬底上制作基于金属导线的片上电感；

2）将石墨烯膜转移至步骤1）中制备有片上电感的衬底上；

3）采用光刻工艺和刻蚀工艺对经过步骤2）处理的石墨烯膜进行刻蚀，除覆盖在金属导线上的石墨烯膜外，其余石墨烯被刻蚀去除；石墨烯膜包覆在金属导线表面组成复合导线，形成基于石墨烯/金属复合导线的片上电感。

基于石墨烯/金属复合导线的的片上电感制备方法，包括以下步骤：

1）采用薄膜沉积工艺和光刻工艺在衬底上制作基于金属导线的片上电感；

2）采用化学气相沉积法在步骤1）制备的金属导线线圈表面原位生长石墨烯层，石墨烯膜包覆在金属导线表面组成复合导线，形成基于石墨烯/金属复合导线的片上电感。

所述金属导线为铜、铝等高电导性金属材料。

所述石墨烯膜为掺杂异物的石墨烯或纯净的石墨烯，石墨烯膜的层数为一层到九层。

所述衬底可采用柔性绝缘介质，如PET膜；或采用刚性绝缘基片，如石英片；或采用半导体基片，如硅片，但在半导体基片与片上电感间采用绝缘介质层进行隔离，如二氧化硅等。

本发明的基本思想是将石墨烯与金属导线复合作为片上电感的线圈材料，在高维度金属导线保持电感线圈低电阻值的基础上，利用低维度石墨烯的高导电率进一步降低电感线圈的电阻值，从而提升片上电感的品质因数；同时，利用石墨烯的弱趋肤效应，在超高频段下复合导体的电阻值受频率的影响很小，有利于片上电感在超高频率下仍保持高品质因数。此外，石墨烯具有很高的热导率，复合在金属导体薄膜上可加强导体的散热，有利于保持片上电感的工作稳定性，进一步提高片上系统的集成度。

本发明的有益效果：本发明以石墨烯/金属复合导线作为片上电感的线圈材料，可提高片上电感的品质因数、导热性、抗氧化能力、载流能力及高频工作性能，且单层石墨烯厚度仅为0.334nm，包覆在金属导线表面，对片上电感尺寸影响甚微，而且实现工艺简单，具有很强的实用性。

由于石墨烯具有高电导率，与金属导线复合后可降低导线的电阻，应用于片上电感能有效提升片上电感的品质因数。同时，由于石墨烯属于低维度材料，其电阻受频率变化的影响较小，在超高工作频率下，石墨烯稳定的电导性可有效保障片上电感在射频频段内的工作可靠性，特别适用于射频集成电路。

附图说明

图1为本发明实施例1与实施例2制备的石墨烯/金属复合导线的结构示意图；

图2为本发明实施例1与实施例2中的基于石墨烯/金属复合导线的片上电感制备工艺流程图；

图3为本发明实施例3中基于石墨烯/金属复合导线的片上电感制备工艺流程图；

图4为本发明实施例3制备的石墨烯/金属复合导线的结构示意图

图5为本发明实施例4中基于石墨烯/金属复合导线的片上电感制备工艺流程图；

图6为本发明实施例4基于石墨烯/金属复合导线的片上电感品质因数增益图。

其中，1-石墨烯；2-金属导线；3-衬底；4-绝缘介质层。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述，以下实施例并不构成对本发明的限定。

实施例1

1）准备一片PET膜，清洗，烘干；采用化学气相沉积法在镍箔上生长掺有氮杂质的九层石墨烯膜；采用石墨烯转移工艺将镍箔上的九层石墨烯膜转移至PET膜上，如图2（a）所示；

采用电子束蒸发工艺在转印有石墨烯的PET膜上淀积一层2um的铝膜，采用光刻工艺和湿法腐蚀工艺将铝膜刻蚀成铝电感线圈，如图2（b）所示；

2）采用化学气相沉积法在镍箔上生长掺有氮杂质的九层石墨烯膜；采用石墨烯转移工艺将镍箔上的九层石墨烯转移至制备有铝电感线圈的PET膜上，如图2（c）所示；

3）采用光刻工艺和氧等离子体刻蚀工艺对转移至PET膜上的石墨烯膜进行刻蚀，除覆盖在铝电感线圈上的石墨烯外，其余石墨烯被去除，石墨烯包裹在铝导线表面形成如图1所示的全包裹复合导线结构，整体上，形成如图2（d）所示的基于石墨烯/铝复合导线的片上电感。

实施例2

1）准备一片石英片，清洗，烘干；采用化学气相沉积法在镍箔上生长掺有硼杂质的三层石墨烯；采用石墨烯转移工艺将铜箔上的三层石墨烯转移至石英片上，如图2（a）所示；

采用电子束蒸发工艺在转印有石墨烯的石英片上淀积一层2um的铝膜，采用光刻工艺和湿法腐蚀工艺将铝膜刻蚀成铝电感线圈,如图2（b）所示；

2）采用化学气相沉积法在镍箔上生长掺有硼杂质的三层石墨烯；采用石墨烯转移工艺将镍箔上的三层石墨烯转移至制备有铝电感线圈的石英片上，如图2（c）所示；

3）采用光刻工艺和氧等离子体刻蚀工艺对转移至石英片上的石墨烯膜进行刻蚀，除覆盖在铝电感线圈上的石墨烯外，其余石墨烯被去除，石墨烯包裹在铝导线表面形成如图1所示的全包裹复合导线结构，整体上，形成如图2（d）所示的基于石墨烯/铝复合导线的片上电感。

实施例3

1）准备一片石英片，清洗，烘干；

采用磁控溅射法在石英片上淀积一层2um的铜膜；采用光刻和湿法刻蚀工艺将铜膜图形化，形成铜电感线圈，如图3（a）所示；

2）将生长有铜电感线圈的石英片放入化学气相沉积系统中，通入15sccm流量的氢气，60分钟内升温至1024℃，保持15分钟；随后充入30sccm流量的甲烷气体，温度保持不变，进入石墨烯生长阶段；15分钟后，以1℃/min的速率缓慢降温至700℃，关闭甲烷气体，石墨烯生长阶段完成，至此，单层石墨烯生长在铜导线表面形成如图4所示的半包裹复合导线结构；快速降温至室温，降温过程中保持氢气流量，至室温后，关闭氢气，取出石英片。石英片上，形成了如图3（b）所示的基于石墨烯/铝复合导线的片上电感。

实施例4

1）准备一片硅片，清洗，烘干，热氧化生长一层500nm厚的绝缘介质层二氧化硅，如图5（a）所示；

采用磁控溅射法在生长有二氧化硅的硅片上淀积一层2um的铜膜；采用光刻和湿法刻蚀工艺将铜膜图形化，形成铜电感线圈，如图5（b）所示；

2）将生长有铜电感线圈的硅片放入化学气相沉积系统中，通入15sccm流量的氢气，60分钟内升温至1024℃，保持15分钟；随后充入30sccm流量的甲烷气体，温度保持不变，进入石墨烯生长阶段；15分钟后，以1℃/min的速率缓慢降温至700℃，关闭甲烷气体，石墨烯生长阶段完成，至此，单层石墨烯生长在铜导线表面形成半包裹复合导线结构；快速降温至室温，降温过程中保持氢气流量，至室温后，关闭氢气，取出硅片。硅片上，形成了如图5（c）所示的基于石墨烯/铝复合导线的片上电感。

本实施例所制备的片上电感为：线宽为10um、线隙为10um、线厚为1um、外径为100um、三圈结构的方形片上电感，与同类型基于铜电感线圈的片上电感比较，基于石墨烯/铜复合导线的片上电感品质因数明显增加，如图6所示。

Claims (10)

1.一种基于石墨烯/金属复合导线的片上电感，其特征在于：包括衬底，衬底上设有由石墨烯/金属复合导线组成的电感线圈，所述石墨烯/金属复合导线包括金属导线及其外表面包裹的石墨烯膜；所述衬底为绝缘基片或半导体基片；当衬底为半导体基片时，衬底与电感线圈间设有绝缘介质层。

2.根据权利要求1所述一种基于石墨烯/金属复合导线的片上电感，其特征在于：所述包裹为全包裹或半包裹；所述金属导线的材料为电导率高于10⁷S/m的高导电性金属；所述石墨烯膜为掺杂石墨烯膜或纯净的石墨烯膜，石墨烯膜的层数为一层到九层。

3.根据权利要求2所述一种基于石墨烯/金属复合导线的片上电感，其特征在于：所述高电导性金属为铜或铝；所述为掺杂石墨烯膜为掺杂硼或氮的石墨烯膜。

4.根据权利要求1-3任一项所述一种基于石墨烯/金属复合导线的片上电感，其特征在于：所述绝缘基片为柔性绝缘基片或刚性绝缘基片。

5.根据权利要求4所述一种基于石墨烯/金属复合导线的片上电感，其特征在于：所述柔性绝缘基片为PET膜；刚性绝缘基片为石英片；半导体基片为硅片；绝缘介质层的材料为二氧化硅。

6.一种制备权利要求1-5任一项所述基于石墨烯/金属复合导线的片上电感的方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）采用薄膜沉积工艺在衬底、转印有石墨烯的绝缘基片上或生长有二氧化硅的半导体基片上淀积一层金属膜，采用光刻工艺和刻蚀工艺将金属膜刻蚀成金属电感线圈；

（2）在步骤（1）制备的金属电感线圈上覆盖石墨烯膜，即得基于石墨烯/金属复合导线的片上电感。

7.根据权利要求6所述一种基于石墨烯/金属复合导线的片上电感的制备方法，其特征在于：上述方法还包括去除没有覆盖在金属电感线圈上的石墨烯膜。

8.根据权利要求7所述一种基于石墨烯/金属复合导线的片上电感的制备方法，其特征在于：所述去除方法为光刻工艺和氧等离子体刻蚀工艺。

9.根据权利要求6或7所述一种基于石墨烯/金属复合导线的片上电感的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中的薄膜沉积工艺为电子束蒸发工艺或磁控溅射法。

10.根据权利要求6或7所述一种基于石墨烯/金属复合导线的片上电感的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中的覆盖石墨烯膜的方法为：原位生长法或转移法。