CN106129047B - 一种平面螺旋电感的新型制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种平面螺旋电感的新型制作方法，采用玻璃或石英衬底进行平面螺旋电感的制作；采用MEMS技术，包括金属薄膜淀积工艺、介质层薄膜淀积工艺、厚金属层电镀工艺、厚胶光刻工艺、刻蚀工艺等实现平面螺旋电感的制作；平面螺旋电感与衬底之间不需要厚的绝缘层进行隔离；平面螺旋电感的平面形状、线圈厚度不受限制。本发明通过在玻璃或石英衬底上，利用MEMS技术实现平面螺旋电感的制作，避免了高频时线圈与衬底间的耦合和趋肤效应，能够实现高Q值的电感，同时电感线圈的金属层厚度不受限制，使得线圈的损耗低。工艺简单，能够满足信号隔离器、平面天线、微波基带线、平面螺旋电感谐振器等多种领域的需求，降低了工艺难度。
Description
技术领域
本发明涉及平面螺旋电感的制作方法，尤其涉及一种平面螺旋电感的新型制作方法。
背景技术
射频集成电路需要高品质的无源器件，如电感、电容等，其中电感一般采用运算放大器所构成的等效电感来代替，但由于其功耗大、面积大、噪声大、高频性能差而不能满足日益发展的需要，这就使得研究高品质电感的迫切性提高，并由此诞生出了平面结构的螺旋电感。品质因子(Q)实质上表征的是电抗元件的能量损耗情况，它是衡量电感性能的重要标志。目前，平面结构螺旋电感采用的是CMOS工艺在硅衬底上进行制作，但这种方法制作出来的平面螺旋电感有其固有的缺陷，例如受限于集成电路淀积工艺，电感线圈的金属层厚度受到限制，使得线圈的损耗较大，加之由于硅的半导体特性，在高频时线圈与硅衬底间的强烈耦合和趋肤效应使得衬底损耗进一步增加。因此，在硅衬底上采用CMOS工艺很难实现高Q值和S21参数的电感，Q值一般在3以下，S21参数在0.5以下
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的上述不足，提供一种MEMS工艺的平面螺旋电感制作方法，采用玻璃或石英衬底，实现高Q值的电感。该方法不仅工艺简单，适用范围广，而且消除了金属层厚度和硅衬底带来的限制，提高电感的Q值，效果显著。本发明能够适用于信号隔离器、平面天线、微波基带线、平面螺旋电感谐振器等领域。
本发明采用如下技术方案：一种平面螺旋电感的新型制作方法，步骤如下：
(1)选用玻璃或石英作为衬底材料，在石英或玻璃衬底上形成金属导线；
(2)在步骤(1)的衬底和金属导线上同时形成中间绝缘层，然后利用光刻和刻蚀工艺，在中间绝缘层(03)上形成金属导线引线孔(031、032)；
(3)利用金属薄膜淀积工艺在步骤(2)的中间绝缘层(03)和金属导线引线孔(031、032)的表面上形成金属薄膜种子层；
(4)利用MEMS厚胶光刻工艺，用光刻胶作为模版，在步骤(3)金属薄膜种子层上形成螺旋金属线圈和信号输入/输出端图形的光刻胶模版，在形成螺旋金属线圈和信号输入/输出端图形上露出金属薄膜种子层；
(5)在步骤(4)的光刻胶模版上露出金属薄膜种子层的位置，利用电镀工艺进行镀金，然后去除光刻胶模版，利用刻蚀工艺去除步骤(3)的金属薄膜种子层，形成螺旋金属线圈(04)和信号输入/输出端(041、042)，然后在惰性气体保护中，对螺旋金属线圈(04)和信号输入/输出端(041、042)进行合金处理；
(6)利用介质层淀积工艺在步骤(5)合金处理后的螺旋金属线圈(04)、中间绝缘层(03)上淀积钝化层(05)；
(7)利用光刻和刻蚀工艺，用光刻胶作为掩膜，在步骤(6)的钝化层(05)上光刻形成螺旋金属线圈引线孔(051、052)，从螺旋金属线圈引线孔(051、052)露出信号输入和输出端(042)以及金属导线引线孔(031、032)，最后去掉光刻胶，完成平面螺旋电感的制作；
(8)采用机械或激光切割方式，对圆片(01)沿着设定的划片道(102)进行划片，分隔出单个平面螺旋电感芯片(101)。
所述金属导线依次采用剥离工艺或溅射、光刻、腐蚀、去胶的制作工艺直接制作在衬底上，不需与衬底进行厚绝缘层隔离，金属材料和厚度不受限制。
金属线圈采用剥离工艺，也能够采用电镀工艺。当采用电镀工艺时，采用MEMS厚胶工艺和电镀工艺，光刻胶厚度大于5um，优选值为5um至15um，镀金层厚度大于4.5um，优选值为4.5um至10um。
所述步骤(5)中，为了保证电镀金的材料致密性，需要对螺旋金属线圈(04)和信号输入/输出端(041、042)在300摄氏度环境中进行金合金处理，处理时间大于15min，优选时间为20min至40min。5、根据权利要求1所述的一种平面螺旋电感的新型制作方法，其特征在于，金属线圈厚度和匝数不限，金属线圈厚度能够大于10um，间隙小于2um，线圈厚度与线圈间隙的典型比值是0至5。
玻璃或石英衬底的材料是Pyre7740或Tempex，石英晶向不受限制，玻璃或石英衬底至少是单抛面，衬底厚度不限，衬底形状为圆形或方形。
在一个衬底上能够同时制作多个平面螺旋电感结构。
与现有技术相比，本发明具有如下效果：
(1)本发明采用玻璃或石英作为衬底材料，绝缘性好，且介电常数小于硅，避免了高频下硅材料的半导体特性带来的传导电流与涡流效应，也避免了硅衬底厚度对高频下电感性能的巨大影响，显著降低了衬底损耗，提高了电感性能。
(2)本发明采用玻璃或石英作为衬底材料，不需要像硅衬底那样必须在衬底表面制作一层厚绝缘层，工艺简单。
(3)本发明采用MEMS技术进行平面螺旋电感的制作，电感为螺旋金属线圈结构，螺旋金属线圈的几何形状不受限制，外形可以是圆形、方形、多边形等，线圈厚度和匝数不限，能得到厚度大于10um，间隙小于2um的螺旋线圈，实现性能高的电感。
(4)本发明中的平面螺旋电感，能够通过金属导线将螺旋电感的信号输入/输出端引出到结构的同一面上，工艺简单，易于形成平面螺旋线圈阵列，适用于信号隔离器、平面天线、微波基带线、平面螺旋电感谐振器等多种领域，适用范围广。
(5)本发明采用MEMS技术，包括金属薄膜淀积工艺、介质层薄膜淀积工艺、厚金属层电镀工艺、厚胶光刻工艺、刻蚀工艺等，是在同一衬底上同时实现多个平面螺旋电感的制作，器件性能一致性易于控制。
(6)本发明采用MEMS厚胶工艺和电镀工艺的结合实现金属线圈的制作，能够实现匝数多、结构厚的金属线圈，在大电流领域具有非常明显的优势。
(7)本发明采用合金工艺对电镀工艺制作的金属线圈进行热处理，增加线圈材料的致密性，能够降低线圈的欧姆损耗，提高电特性。
附图说明
图1为本发明中圆形石英或玻璃衬底俯视图；
图2为本发明中单个结构衬底剖视图；
图3为本发明中完成金属导线的单个结构剖视图；
图4为本发明中完成绝缘层和引线孔的单个结构剖视图；
图5为本发明中完成螺旋金属线圈和信号输入/输出端的单个结构剖视图；
图6为本发明中完成螺旋金属线圈上的钝化层的单个结构剖视图；
图7为本发明中完成平面螺旋电感的单个结构三维图；
图8为本发明中完成平面螺旋电感的圆片示意图；
图9为本发明平面螺旋电感采用玻璃衬底与传统硅衬底的高频特性对比图。
具体实施方式
本发明的基本思路为：本发明涉及一种平面螺旋电感的新型制作方法。所述制作方法，步骤如下：①采用玻璃或石英衬底进行平面螺旋电感的制作；②采用MEMS技术，包括金属薄膜淀积工艺、介质层薄膜淀积工艺、厚金属层电镀工艺、厚胶光刻工艺、刻蚀工艺等实现平面螺旋电感的制作；③平面螺旋电感与衬底之间不需要厚的绝缘层进行隔离；④平面螺旋电感的平面形状、线圈厚度不受限制。本发明通过在玻璃或石英衬底上，利用MEMS技术实现平面螺旋电感的制作，避免了高频时线圈与衬底间的耦合和趋肤效应，能够实现高Q值的电感，同时电感线圈的金属层厚度不受限制，使得线圈的损耗低。该制作方法工艺简单，能够满足信号隔离器、平面天线、微波基带线、平面螺旋电感谐振器等多种领域的需求，降低了工艺难度，可以实现批量生产。
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明的一种平面螺旋电感的新型制作方法，步骤如下：
一、选用玻璃或石英作为衬底(01)材料，其中玻璃类型可以是Pyre7740、Tempex等型号，衬底至少是单抛面，衬底厚度不限，衬底形状可以是圆形也可以是方形。
二、利用金属薄膜淀积工艺在衬底(01)的抛光表面上形成金属薄膜，金属可以是铝等单层金属薄膜，也可以是钛/金、铬/金或其他种类的多层薄膜。然后利用光刻、电镀、刻蚀等工艺将金属薄膜制作出金属导线(02)，金属导线的材料厚度优选为1000A至1um，可选5000A，具体值与工作频率和通过电流有关。
三、利用PE CVD工艺在衬底(01)和金属导线(02)上同时形成中间绝缘层(03)，绝缘层材料可以是SiO2、Si3N4等，中间绝缘层(03)的厚度不限，但必须大于金属导线(02)厚度，具体值与工作频率和通过电流有关；然后利用光刻和刻蚀工艺，在中间绝缘层(03)上形成金属导线引线孔(031、032)，通过引线孔露出金属导线(02)的两端作为信号输入/输出端。
四、利用金属薄膜淀积、厚胶光刻、电镀、刻蚀、合金等MEMS工艺在衬底(01)上同时形成螺旋金属线圈(04)、信号输入/输出端(041、042)，金属材料为金，其中螺旋金属线圈(04)的形状不限，可以是圆形、方形、多边形等，螺旋金属线圈(04)的线圈厚度和匝数不限，具体参数与工作频率和通过电流有关。具体方案如下：
(1)利用金属薄膜淀积工艺在中间绝缘层(03)和金属导线引线孔(031、032)的表面上形成金属薄膜种子层，金属可以是钛/金、铬/金或其他带金的多层薄膜，金属薄膜种子层厚度优选值是0.2um。
(2)利用MEMS厚胶光刻工艺形成螺旋金属线圈和信号输入/输出端图形的光刻胶模具，光刻胶可以是正性光刻胶，也可是负性光刻胶，光刻胶厚度大于5um，选值为15um。
(3)在光刻胶模具中利用电镀工艺进行镀金，镀金层厚度大于4.5um，选值为10um。
(4)去除光刻胶，利用刻蚀工艺去除金属薄膜种子层，同时形成螺旋金属线圈(04)和信号输入/输出端(041、042)，螺旋金属线圈(04)和信号输入/输出端(041、042)的厚度选值为8um。
(5)在惰性气体保护中，进行合金处理，保证电镀金的材料致密性。
五、利用介质层淀积工艺在衬底(01)上同时形成钝化层(05)、螺旋金属线圈引线孔(051、052)，钝化层材料可以是SiO2、Si3N4、PSG、BPSG、聚酰亚胺等。具体方案如下：
(1)利用PE CVD工艺在螺旋金属线圈(04)、信号输入/输出端(041、042)、中间绝缘层(03)、金属导线引线孔(031、032)上淀积钝化层(05)，钝化层材料可以是SiO2、Si3N4、PSG、BPSG，或利用旋涂工艺在螺旋金属线圈(04)、信号输入/输出端(041、042)、中间绝缘层(03)、金属导线引线孔(031、032)上涂覆聚酰亚胺作为钝化层(05)。钝化层(05)的厚度大于螺旋金属线圈(04)和信号输入/输出端(041、042)的厚度，优选值为1um至20um，具体参数与工作频率和环境条件有关。
(2)利用光刻和刻蚀工艺，在钝化层(05)上形成螺旋金属线圈引线孔(051、052)，露出信号输入/输出端(042)和金属导线(02)的信号输入/输出端，最后去掉光刻胶，完成平面螺旋电感的制作。
本发明提出一种平面螺旋电感的新型制作方法，优选的实施例如下，包括以下步骤：
步骤(一)在Tempax玻璃衬底(01)上形成金属导线(02)
选用Tempax圆形双抛玻璃片作为衬底，如图1所示为本发明中采用的圆形玻璃衬底，图2为本发明中单个结构衬底剖视图。利用金属薄膜淀积工艺在衬底(01)的光滑表面上形成金属薄膜，金属可以是铝等单层金属薄膜，也可以是钛/金、铬/金或其他种类的多层薄膜。然后利用光刻、电镀、刻蚀等工艺将金属薄膜制作出金属导线(02)，其中电镀工艺是根据金属导线的厚度来选择是否需要。金属导线(02)厚度是0.5μm。如图3所示为完成金属导线(02)后的衬底(01)剖面图。
步骤(二)在衬底(01)和金属导线(02)上形成中间绝缘层(03)和金属导线引线孔(031、032)
如图4所示为本发明中衬底(01)和金属导线(02)上形成中间绝缘层(03)的剖面图。利用PE CVD工艺在衬底(01)和金属导线(02)上同时形成中间绝缘层(03)，绝缘层材料优选SiO2、Si3N4等，中间绝缘层(03)的厚度大于金属导线(02)厚度，选用1μm。然后利用光刻和刻蚀工艺，在中间绝缘层(03)上形成金属导线引线孔(031、032)，通过引线孔露出金属导线(02)的两端作为信号输入/输出端。
步骤(三)在中间绝缘层(03)和金属导线引线孔(031、032)同时形成螺旋金属线圈(04)和信号输入/输出端(041、042)。
如图5所示为本发明中在中间绝缘层(03)和金属导线引线孔(031、032)同时形成螺旋金属线圈(04)和信号输入/输出端(041、042)的剖面图。具体方法如下：
(1)利用金属薄膜淀积工艺在中间绝缘层(03)和金属导线引线孔(031、032)的表面上形成金属薄膜种子层，金属可以是钛/金、铬/金或其他带金的多层薄膜，金属薄膜种子层厚度是0.2um。
(2)利用MEMS厚胶光刻工艺形成螺旋金属线圈和信号输入/输出端图形的光刻胶模具，光刻胶可以是正性光刻胶，也可是负性光刻胶，光刻胶厚度优选10um。
(3)在光刻胶模具中利用电镀工艺进行镀金，镀金层厚度为9um。
(4)去除光刻胶，利用刻蚀工艺去除金属薄膜种子层，同时形成螺旋金属线圈(04)和信号输入/输出端(041、042)，螺旋金属线圈(04)和信号输入/输出端(041、042)的厚度优选是8um。
(5)在氮气保护，优选300摄氏度环境中持续30min进行合金处理，电镀金的材料致密性得到保证。
步骤(四)在衬底(01)上同时形成钝化层(05)和螺旋金属线圈引线孔(051、052)
如图6所示为本发明中在衬底(01)上同时形成钝化层(05)和螺旋金属线圈引线孔(051、052)的剖面图。利用PE CVD或旋涂工艺在螺旋金属线圈(04)、信号输入/输出端(041、042)、中间绝缘层(03)、金属导线引线孔(031、032)上淀积钝化层(05)，钝化层材料可以是SiO2、Si3N4、PSG、BPSG、聚酰亚胺等，钝化层(05)的厚度是10μm。然后利用光刻和刻蚀工艺，在钝化层(05)上形成引线孔(051、052)，露出信号输入/输出端(042)和金属导线(02)的信号输入/输出端。如图7所示为本发明制作完成平面螺旋电感的单个结构三维图。
步骤(五)划片
如图8所示为本发明制作完成平面螺旋电感的圆片示意图。圆片01上排列着多个平面螺旋电感结构101，沿着划片道102利用机械或激光切割即可形成单个平面螺旋电感。
为了简化附图，本发明图2～图7给出的是单个结构的图示。
本发明在玻璃或石英衬底上，利用MEMS工艺实现平面螺旋电感的制作方法，一方面避免了高频下硅材料的半导体特性带来的传导电流与涡流效应，避免了高频时线圈与硅衬底间的耦合和趋肤效应，显著降低了衬底损耗，提高了电感性能；另一方面，采用MEMS技术能够方便地实现各种几何形状的螺旋电感，金属线圈厚度和匝数不限，尤其适合大电流领域。由于易于形成平面螺旋线圈阵列，能够适用于信号隔离器、平面天线、微波基带线、平面螺旋电感谐振器等多种领域；除此之外，采用MEMS工艺是在同一衬底上同时实现多个平面螺旋电感的制作，不仅能够保证器件性能一致性，而且可以实现批量生产。
采用本发明的方法在TEMPAX玻璃衬底上制作出线圈厚度8um，间隙2um，匝数12,芯片面积1.2mm×0.55mm的圆形螺旋线圈构成的平面螺旋电感，在400MHz下Q值达到10，相对于传统的电感实现了3倍以上Q值性能显著提高，能够应用于信号隔离领域。
如图9所示，横坐标为频率，纵坐标为S21参数(图中的s(2.1))，平面螺旋电感采用玻璃衬底明显比硅衬底的高频特性好，除了Q值，S21参数是表征高频信号传输效率的重要指标。为了表征玻璃衬底上制作平面螺旋电感的优势，选用pyre7740、Tempax、硅(电阻率100Ωcm，表面覆盖2um厚的热氧)三种衬底，对同一种结构的金属螺旋线圈进行S21参数测试，如图9所示，由图看出玻璃衬底的S21参数(即图中的s(2.1))明显大于硅衬底，因此本发明制作的平面螺旋电感具有显著优势。
本发明不仅工艺简单，适用范围广，而且消除了金属层厚度和硅衬底带来的限制，提高电感的Q值，效果显著，能够适用于信号隔离器、平面天线、微波基带线、平面螺旋电感谐振器等领域，尤其是航天元器件对Q值和S21参数的严格需求，解决了现有指标Q值和S21参数的平面螺旋电感无法满足航天元器件需要的空白问题。
上面详细叙述了基于MEMS技术的平面螺旋电感的新型制作方法，本领域内的技术人员可以在此基础上进行局部调整和修改，不难重复出本发明的结果，但这并不会超出本发明权利要求的保护范围。
Claims (7)
1.一种平面螺旋电感的制作方法，其特征在于步骤如下：
(1)选用玻璃或石英作为衬底材料，在石英或玻璃衬底上形成金属导线；
(2)在步骤(1)的衬底和金属导线上同时形成中间绝缘层(03)，然后利用光刻和刻蚀工艺，在中间绝缘层(03)上形成金属导线引线孔(031、032)；
(3)利用金属薄膜淀积工艺在步骤(2)的中间绝缘层(03)和金属导线引线孔(031、032)的表面上形成金属薄膜种子层；
(4)利用MEMS厚胶光刻工艺，用光刻胶作为模版，在步骤(3)金属薄膜种子层上形成螺旋金属线圈(04)和信号输入/输出端图形的光刻胶模版，在形成螺旋金属线圈(04)和信号输入/输出端图形上露出金属薄膜种子层；
(5)在步骤(4)的光刻胶模版上露出金属薄膜种子层的位置，利用电镀工艺进行镀金，然后去除光刻胶模版，利用刻蚀工艺去除步骤(3)的金属薄膜种子层，形成螺旋金属线圈(04)和信号输入/输出端(041、042)，其中，信号输入/输出端(041、042)中的一个信号输入/输出端(041)接触金属导线引线孔(031、032)中的一个金属导线引线孔(031)，然后在惰性气体保护中，对螺旋金属线圈(04)和信号输入/输出端(041、042)进行合金处理；
(6)利用介质层淀积工艺在步骤(5)合金处理后的螺旋金属线圈(04)、中间绝缘层(03)上淀积钝化层(05)；
(7)利用光刻和刻蚀工艺，用光刻胶作为掩膜，在步骤(6)的钝化层(05)上光刻形成螺旋金属线圈引线孔(051、052)，从螺旋金属线圈引线孔(051、052)露出信号输入/输出端(041、042)中的另一个信号输入/输出端(042)和金属导线引线孔(031、032)中的另一个金属导线引线孔(032)，最后去掉光刻胶，完成平面螺旋电感的制作；
(8)采用机械或激光切割方式，对圆片(01)沿着设定的划片道(102)进行划片，分隔出单个平面螺旋电感芯片(101)。
2.根据权利要求1所述的一种平面螺旋电感的制作方法，其特征在于：所述金属导线采用剥离工艺或溅射、光刻、腐蚀、去胶的制作工艺直接制作在衬底上，不需与衬底进行厚绝缘层隔离，金属材料和厚度不受限制。
3.根据权利要求1所述的一种平面螺旋电感的制作方法，其特征在于，金属线圈(04)采用剥离工艺，采用电镀工艺，当采用电镀工艺时，采用MEMS厚胶工艺和电镀工艺，光刻胶厚度大于5um，镀金层厚度大于4.5um。
4.根据权利要求1所述的一种平面螺旋电感的制作方法，其特征在于，所述步骤(5)中，为了保证电镀金的材料致密性，需要对螺旋金属线圈(04)和信号输入/输出端(041、042)在300摄氏度环境中进行金合金处理，处理时间大于15min。
5.根据权利要求1所述的一种平面螺旋电感的制作方法，其特征在于，金属线圈(04)厚度和匝数不限，金属线圈(04)厚度大于10um，间隙小于2um。
6.根据权利要求1所述的一种平面螺旋电感的制作方法，其特征在于玻璃或石英衬底的材料是Pyre7740或Tempex，石英晶向不受限制，玻璃或石英衬底至少是单抛面，衬底厚度不限，衬底形状为圆形或方形。
7.根据权利要求1所述的一种平面螺旋电感的制作方法，其特征在于，能够在一个衬底上同时制作多个平面螺旋电感结构。
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2016
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