CN112924719A - 一种改善电绝缘性能的加速度计及其制备方法 - Google Patents

一种改善电绝缘性能的加速度计及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于微纳加工技术领域，更具体地，涉及一种改善电绝缘性能的加速度计及其制备方法。本发明采用特定组成的有机绝缘膜代替PSPI或二氧化硅作为电绝缘层材料，该有机绝缘膜固含量低，具有良好流动性，解决现有技术绝缘层材料粘度大所引起的气泡导致第一金属层和第二金属层断层的问题，很好的提高了第一金属层和第二金属层的导通性，提高器件良品率，同时也解决了现有技术退火工艺时间长的技术问题，提高了器件产能。

Description

一种改善电绝缘性能的加速度计及其制备方法
技术领域
本发明属于微纳加工技术领域，更具体地，涉及一种改善电绝缘性能的加速度计及其制备方法。
背景技术
目前广泛使用的绝缘层材料，例如二氧化硅和PSPI，二氧化硅可以通过物理气相沉积方法或化学气相沉积方法沉积在金属表面。而二氧化硅侧壁过于陡直，绝缘层上和基底上相互连接金属线圈会在胶界面处发生断路，将导致反馈功能无法实现。针对这一问题，华中科技大学提出采用PSPI制作绝缘层，然而，PSPI粘度较大，在固化过程中，由于溶剂蒸发速度大于溶液流动速度，导致在过孔处或者深孔的地方容易产生气泡，在后续封装或者测试过程中通过高温烘烤气泡爆裂就容易形成一个坑，从而两层金属层之间形成断面而无法导通。为解决这个问题，通过变更退火温度得到一定改善，但是还是无法避免。导致器件良率较低。此外，退火工艺为80℃/120min+150℃/60min+180℃/60min+250℃/60min+350℃/60min+400℃/60min，上述工艺比较复杂且耗时长，不适用于大量生产。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种导通性能更好的电绝缘层材料，旨在解决现有技术的绝缘层材料在两层金属之间形成断面而无法导通导致器件良率较低的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种器件结构，包括第一金属层和第二金属层，以及设置于所述第一金属层和第二金属层之间的电绝缘层；所述电绝缘层包含如下组成成分：
二乙二醇甲乙醚60-70重量份
丙二醇单甲醚10-20重量份
丙烯酸树脂10-20重量份
二叠氮基萘醌酯1-10重量份
偶联剂0.1-0.5重量份
1,4-二氧六环0.1-0.5重量份。
优选地，所述二叠氮基萘醌酯为2,3,4,4'-四羟基二苯甲酮1,2-二叠氮基萘醌-5-磺酸酯，所述偶联剂为3-氨基丙基三乙氧基硅烷或3-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷。
优选地，所述第一金属层的厚度为200-800nm，所述电绝缘层的厚度为2-10μm，所述第二金属层的厚度为400-600nm。
优选地，所述第一金属层包括铬层和金层；所述第二金属层包括铬层、镍层和金层。
按照本发明的另一个方面，提供了一种所述的器件结构的制备方法，包含如下步骤：在第一金属层上沉积所述电绝缘层，然后按照如下退火工艺进行退火：先在200-280℃加热25-45分钟，然后在110-150℃加热130-180秒，完成退火后在所述电绝缘层上沉积第二金属层。
按照本发明的另一个方面，提供了一种加速度计，其结构中包括所述的器件结构。
优选地，该加速度计其自下而上包括衬底层、欧姆层、所述第一金属层、所述电绝缘层和所述第二金属层。
按照本发明的另一个方面，提供了一种改善加速度计电绝缘性能的方法，在两层金属层之间设置电绝缘层，所述电绝缘层包含如下组成成分：
二乙二醇甲乙醚60-70重量份
丙二醇单甲醚10-20重量份
丙烯酸树脂10-20重量份
二叠氮基萘醌酯1-10重量份
偶联剂0.1-0.5重量份
1,4-二氧六环0.1-0.5重量份。
优选地，所述的方法，包括如下步骤：
(1)在衬底表面沉积二氧化硅层；
(2)蒸发镀铬层；
(3)沉积第一金属层；
(4)在所述第一金属层表面沉积所述电绝缘层；并对电绝缘层进行退火；
(5)在所述电绝缘层薄膜表面沉积第二金属层。
优选地，步骤(4)所述退火包括如下步骤：先在200-280℃加热25-45分钟，然后在110-150℃加热130-180秒。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
(1)本发明采用特定组成的有机绝缘膜代替PSPI和二氧化硅作为电绝缘层材料，该有机绝缘膜固含量低，具有良好流动性，解决现有技术绝缘层材料粘度大所引起的气泡问题，有效改善第一金属层和第二金属层断层的问题，很好的提高了第一金属层和第二金属层的导通性，提高良品率。
(2)本发明将特定组成的有机绝缘膜应用于加速度计的绝缘层，实验证明能有效改善第一金属层和第二金属层断层的问题，制备得到的加速度计良品率从30％多提高到70％多。
(3)本发明将特定组成的有机绝缘膜作为电绝缘层材料，相对于现有技术的PSPI和二氧化硅绝缘层材料，不仅提高了器件的良品率，而且制备退火工艺还大大简化，只需要两步加热即可，大大提高了产能。
附图说明
图1是本发明实施例中加速度计器件示意图；
图2是本发明对比例1过孔处示意图；
图3是本发明实施例1过孔处示意图；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-硅片，2-二氧化硅层，3-铬层，4-第一金属层，5-绝缘层，6-第二金属层。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供了一种器件结构，包括第一金属层和第二金属层，以及设置于所述第一金属层和第二金属层之间的电绝缘层；所述电绝缘层为一种有机绝缘膜，该有机绝缘膜为一种液态混合物，包含如下组成成分：
二乙二醇甲乙醚60-70重量份
丙二醇单甲醚10-20重量份
丙烯酸树脂10-20重量份
二叠氮基萘醌酯1-10重量份
偶联剂0.1-0.5重量份
1,4-二氧六环0.1-0.5重量份。
其中，二乙二醇甲乙醚其CAS号为1002-67-1，丙二醇单甲醚其CAS号为107-98-2，丙烯酸树脂其CAS号为9003-01-4，二叠氮基萘醌(NDQ)酯其CAS号可以为107761-81-9(2,3,4,4'-四羟基二苯甲酮1,2-二叠氮基萘醌-5-磺酸酯)；偶联剂其CAS号为919-30-2(3-氨基丙基三乙氧基硅烷)或2530-83-8(3-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷)，1,4-二氧六环其CAS号为123-91-1。
本发明采用的有机绝缘膜材料中二乙二醇甲乙醚和丙二醇单甲醚作为溶剂，在该有机绝缘膜中占比较高，使得该有机绝缘膜流动性较好；丙烯酸树脂和二叠氮基萘醌酯在该有机绝缘膜组合物中作为关键组分，用于起到绝缘的作用，而偶联剂和1,4-二氧六环用于在加热固化过程中作为活性剂，促进丙烯酸树脂和二叠氮基萘醌酯的固化和交联反应，该有机绝缘膜中各组分协同配合，不可分割，各组分共同作用使得该有机绝缘膜用于两层金属层之间作为绝缘层材料时，能够有效提高器件导通性能。
一些实施例中，所述第一金属层的厚度为200-800nm，所述电绝缘层的厚度为2-10μm，优选为3-5微米，所述第二金属层的厚度为400-600nm。
一些实施例中，所述第一金属层自下而上依次包括铬层和金层；所述第二金属层自下而上依次包括铬层、镍层和金层。
本发明还提供了一种上述器件结构的制备方法，包含如下步骤：在第一金属层上沉积所述电绝缘层，然后按照如下退火工艺进行退火：先在200-280℃加热25-45分钟，然后在110-150℃加热130-180秒，完成退火后在所述电绝缘层上沉积第二金属层。
本发明将上述电绝缘层用于加速度计的制备中，该加速度计自下而上包括衬底层、欧姆层、所述第一金属层、所述电绝缘层和所述第二金属层。
通过采用上述有机绝缘膜，可以改善加速度计电绝缘性能。该加速度计的制备包括如下步骤：
(1)在衬底表面沉积二氧化硅层；
(2)蒸发镀铬层；
(3)沉积第一金属层；
(4)在所述第一金属层表面沉积所述电绝缘层；并对电绝缘层进行退火；
(5)在所述电绝缘层薄膜表面沉积第二金属层。
采用本发明的有机绝缘膜代替传统的绝缘层材料PSPI和二氧化硅，不仅避免金属层断路，提高了良品率，而且其退火工艺还可以大大简化。一些实施例中，步骤(4)所述退火包括如下步骤：先在200-280℃加热25-45分钟，然后在110-150℃加热130-180秒。
一些实施例中，第二金属层自下而上依次包括铬层、镍层和金层。镀镍充当阻挡层，防止在后续的金、锡键合过程中，锡与底层的铬互溶，导致键合强度不够。
本发明提供了一种改善加速度计绝缘层的方法，该绝缘层位于第一金属层与第二金属层之间，其目的在于阻断除连接处以外的导通，采用低固含量、强流动性、低粘度有机绝缘膜制备绝缘层，使得有机绝缘膜填充所述第一金属层和第二金属层之间深孔迅速，不易形成气泡。
本发明提出的有机绝缘膜材料用作器件中两金属层之间的绝缘层，由于其特定的物理性质，比如低固含量、强流动性、低粘度等，能够很好的填充沉积得到的金属层表面的凹坑，经过简单的退火工艺能够形成致密的绝缘层，使得第一金属层和第二金属层接触良好，从而使得两层金属层之间不会出现断层。本发明提出的这种三层结构的设计不仅可用于加速度计的制备，也可用于其他涉及需要在两金属层之间设置绝缘层，以实现电绝缘，避免两金属层断层的场合。
对比例1
一种如图1所示的加速度计的制备方法，包括如下步骤：
(1)在硅片1表面沉积二氧化硅2，具体包括如下步骤：
(1-1)对硅片1进行有机洗及氧等离子体清洗；硅片1厚度为500μm；硅片1表面热氧化层(不导电衬底)厚度：300nm；
(1-2)采用英国Oxford公司生产的PlasmaPro 80PECVD等离子体增强化学气相沉积系统，沉积200nm厚度的二氧化硅薄膜。沉积步骤的工艺参数为：温度为300℃，沉积速率为50nm/min，沉积时间为4min；
(2)采用匀胶机匀胶(AZ9260)8μm，预烘烤120℃/5min，采用MA6进行曝光15s，显影6-9min，后烘烤150℃/10min，采用氢氟酸腐蚀二氧化硅层，浸泡10-12min，然后采用电子束蒸发在二氧化硅表面镀铬100nm，镀膜速率
Figure BDA0002924013740000061
刻蚀铬(硝酸铈銨和冰醋酸的混合溶液)和二氧化硅(氢氟酸)，形成图1中二氧化硅层2和铬层3作为欧姆层；
(3)在欧姆层上沉积第一金属层4，步骤如下：采用电子束蒸发在欧姆层表面依次镀铬20nm，速率
Figure BDA0002924013740000062
金200nm，
Figure BDA0002924013740000063
镀铬用来增加金和二氧化硅之间的粘附性。
(4)在第一金属层4上沉积绝缘层5，步骤如下：采用数控匀胶旋涂仪涂覆PSPI胶8μm，火：80℃/120min+150℃/60min+180℃/60min+250℃/60min+350℃/60min+400℃/60min。
(5)在绝缘层5上沉积第二金属层6，采用电子束蒸发在欧姆层表面依次镀铬25nm，速率
Figure BDA0002924013740000071
镍80nm，速率
Figure BDA0002924013740000072
金400nm，
Figure BDA0002924013740000073
镀镍充当阻挡层，防止在后续的金、锡键合过程中，锡与底层的铬互溶，导致键合强度不够。
通过该工艺制备得到的加速度计器件，测试其导通性能，良品率仅为31.6％，可能的原因是PSPI粘度较大，在固化过程中，由于溶剂蒸发速度大于溶液流动速度，导致在过孔处或者深孔的地方容易产生气泡，在后续封装或者测试过程中通过高温烘烤气泡爆裂就容易形成一个坑，从而两层金属层之间形成断面而无法导通。图2是本对比例的金属第一层和金属第二层过孔处图片示意图，过孔处金属出现部分断层现象。
实施例1
一种如图1所示的加速度计的制备方法，包括如下步骤：
(1)在硅片1表面沉积二氧化硅2，具体包括如下步骤：
(1-1)对硅片1进行有机洗及氧等离子体清洗；硅片1厚度为500μm；硅片1表面热氧化层(不导电衬底)厚度：300nm；
(1-2)采用英国Oxford公司生产的PlasmaPro 80PECVD等离子体增强化学气相沉积系统，沉积200nm厚度的二氧化硅薄膜。沉积步骤的工艺参数为：温度为300℃，沉积速率为50nm/min，沉积时间为4min；
(2)采用匀胶机匀胶(AZ9260)8μm，预烘烤120℃/5min，采用MA6进行曝光15s，显影6-9min，后烘烤150℃/10min，采用氢氟酸腐蚀二氧化硅层，浸泡10-12min，然后采用电子束蒸发在二氧化硅表面镀铬100nm，镀膜速率
Figure BDA0002924013740000074
刻蚀铬(硝酸铈銨和冰醋酸的混合溶液)和二氧化硅(氢氟酸)，形成图1中二氧化硅层2和铬层3作为欧姆层；
(3)在欧姆层上沉积第一金属层4，步骤如下：采用电子束蒸发在欧姆层表面依次镀铬20nm，速率
Figure BDA0002924013740000081
金200nm，
Figure BDA0002924013740000082
镀铬用来增加金和二氧化硅之间的粘附性。
(4)在第一金属层4上沉积绝缘层5，步骤如下：采用数控匀胶旋涂仪涂覆有机绝缘膜，4μm，退火：前烘烤烘箱温度为230℃，烘烤时间30min；后烘烤烘箱温度为115℃，烘烤时间为147s；该有机绝缘膜为由二乙二醇甲乙醚、丙烯酸树脂、二叠氮基萘醌酯、偶联剂和1,4-二氧六环按照质量比为65:15:15:5:0.25:0.2混合制备得到的液态混合物。其中丙烯酸树脂其CAS号为9003-01-4，二叠氮基萘醌(NDQ)酯其CAS号为107761-81-9，偶联剂CAS号为919-30-2。
(5)在有机绝缘膜5上沉积第二金属层6，采用电子束蒸发在欧姆层表面依次镀铬25nm，速率
Figure BDA0002924013740000083
镍80nm，速率
Figure BDA0002924013740000084
金400nm，
Figure BDA0002924013740000085
镀镍充当阻挡层，以防止在后续的金、锡键合过程中，锡与底层的铬互溶，导致键合强度不够。
通过该工艺制备得到的加速度计器件，测试其导通性能，良品率可以达到71.3％，可能的原因是本实施例采用低固含量、强流动性、低粘度有机绝缘膜制备绝缘层，使得有机绝缘膜填充所述第一金属层和第二金属层之间深孔迅速，不易形成气泡。图3是本对比例的金属第一层和金属第二层过孔处图片示意图，图中过孔处金属连接平缓，无断层和脱落现象。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种器件结构，其特征在于，包括第一金属层和第二金属层，以及设置于所述第一金属层和第二金属层之间的电绝缘层；所述电绝缘层包含如下组成成分：
二乙二醇甲乙醚60-70重量份
丙二醇单甲醚10-20重量份
丙烯酸树脂10-20重量份
二叠氮基萘醌酯1-10重量份
偶联剂0.1-0.5重量份
1,4-二氧六环0.1-0.5重量份。
2.如权利要求1所述的器件结构，其特征在于，所述二叠氮基萘醌酯为2,3,4,4'-四羟基二苯甲酮1,2-二叠氮基萘醌-5-磺酸酯，所述偶联剂为3-氨基丙基三乙氧基硅烷或3-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷。
3.如权利要求1所述的器件结构，其特征在于，所述第一金属层的厚度为200-800nm，所述电绝缘层的厚度为2-10μm，所述第二金属层的厚度为400-600nm。
4.如权利要求1所述的器件结构，其特征在于，所述第一金属层包括铬层和金层；所述第二金属层包括铬层、镍层和金层。
5.如权利要求1至4任一项所述的器件结构的制备方法，其特征在于，包含如下步骤：在第一金属层上沉积所述电绝缘层，然后按照如下退火工艺进行退火：先在200-280℃加热25-45分钟，然后在110-150℃加热130-180秒，完成退火后在所述电绝缘层上沉积第二金属层。
6.一种加速度计，其特征在于，其结构中包括如权利要求1至4任一项所述的器件结构。
7.如权利要求6所述的加速度计，其特征在于，其自下而上包括衬底层、欧姆层、所述第一金属层、所述电绝缘层和所述第二金属层。
8.一种改善加速度计电绝缘性能的方法，其特征在于，在两层金属层之间设置电绝缘层，所述电绝缘层包含如下组成成分：
二乙二醇甲乙醚60-70重量份
丙二醇单甲醚10-20重量份
丙烯酸树脂10-20重量份
二叠氮基萘醌酯1-10重量份
偶联剂0.1-0.5重量份
1,4-二氧六环0.1-0.5重量份。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)在衬底表面沉积二氧化硅层；
(2)蒸发镀铬层；
(3)沉积第一金属层；
(4)在所述第一金属层表面沉积所述电绝缘层；并对电绝缘层进行退火；
(5)在所述电绝缘层薄膜表面沉积第二金属层。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，步骤(4)所述退火包括如下步骤：先在200-280℃加热25-45分钟，然后在110-150℃加热130-180秒。
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