CN114898986A - Z型mems双层螺线管电感双层线圈及集成化制备方法 - Google Patents

Z型mems双层螺线管电感双层线圈及集成化制备方法 Download PDF

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Abstract

一种Z型MEMS双层螺线管电感双层线圈及其集成制备方法以及电感元件，包括内外两层的双层线圈以及衬底；所述双层线圈以硅基或以浇灌柔性基底作为基础衬底的MEMS双层螺线管电感双层线圈，将现有的单层MEMS螺线管电感线圈拓展为双层，极大拓展了MEMS电感线圈的维度，在电感值的提高和品质因子的提高上有了新的突破。采用Z型的绕组相比于传统的C型绕组方式，其在高频下的电容效应会被很好的抑制，使其谐振频率可以进一步提高，从而用于射频MEMS的一些应用。使用纯MEMS的制备方法，可以提高加工的效率，降低单片线圈的制作成本，同时采用MEMS工艺的方法使其可以与IC技术兼容，从而使其在封装应用上有着比较好的IC兼容性。

Description

Z型MEMS双层螺线管电感双层线圈及集成化制备方法
技术领域
本发明公开一种电感线圈，尤其是涉及一种Z型MEMS双层螺线管电感双层线圈及其集成制备方法以及电感元件。
背景技术
核磁共振(Nuclear Magnetic resonance)技术是对于样品采用检测外加磁场对于不同位置的原子核信号的差异从而分析样品中指定物质的含量及分布的无损检测技术。随着灵敏度和精确度的要求不断提高，采用传统的绕制线圈由于其绕制的误差以及绕组间距离无法很好控制等固有缺陷逐渐使其无法满足现有要求。另外在以电感绕组为核心器件的电磁器件，如磁通门传感器、微泵、微电机、微型能量收集器、微变压器、微隔离器等对于小型化集成化的要求日益提高后，采用体积更小，品质因子更高，发热更小的电感线圈的需求日益提高，新型MEMS线圈的设计呼之欲出。
采用微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)技术，使用光刻(Optical Lithography)技术、深反应离子刻蚀(Deep Reactive Ion Etching,DRIE)技术、硅硅直接键合(Silicon Direct Bonding,SDB)技术等MEMS技术加工的MEMS线圈可以克服手绕线圈的绕组误差的固有缺陷。
中国专利申请号CN202011454522.0提出一种使用MEMS平面矩形电感线圈设计的一种基于电磁感应原理的MEMS三轴能量收集器。其采用了平面的折行电感的布置，使用其作为振动能转换为电能的核心器件，其特征为采用若干纵横相交回旋的线圈，所有线圈绕组均在同一平面中，中间具有从平面伸入底面的连接线将线圈的内外圈连接。采用平面矩形或者圆形MEMS电感线圈是目前比较常用的一种MEMS线圈，其工艺简单，成本低。
中国专利申请号CN201410335299.6提出一种基于镓螺线管线圈与玻璃微流通道集成的探头及其制备方法。其采用的线圈，玻璃衬底主要由上层线圈槽、若干中层通孔、下层线圈槽构成，几层衬底之间采用键合工艺对准组合，而金属绕组采用熔点较低的镓浇铸而成。该种螺线管线圈可以很好的控制不同匝线圈之间的间距，在电感值方面相比于平面型线圈也有提高。
然而，上述现有技术存在如下缺陷：
1)采用平面思路设计的平面矩形或者圆形线圈其主要缺点是漏磁严重，在使用中也难以部署磁芯以实现线圈内磁通量的提高，虽然其制作流程简单，但是在对磁性能要求比较高的NMR技术、微型磁通门传感器、微电机等应用中难以实现良好的效果。
2)采用螺线管式设计的三维线圈虽然解决了一部分漏磁问题，但是其设计思路使其难以制作成为传统绕制线圈式多层结构，限制了其在单位体积内的电感值的提高。如若想要增加其电感值，就必须在单匝线圈宽度和匝数上进行改变，而这样又增加了线圈的体积，使其无法达到较高的电感密度，发展双层以及多层线圈技术是大势所趋。
3)采用低熔点的金属作为线圈的本体，并采用液态金属进行浇铸的方法使其的载流能力无法太高，在微变压器、微电机、微隔离器等功率MEMS器件的核心电感设计方面，发热是必须要考虑的一点。电流的热效应会使镓、铝等熔点较低的金属熔化从而使线圈失效，而采用玻璃衬底的方案也由于玻璃的熔点进一步限制了其可以浇铸的温度。若采用电镀金属的方式则可以很好的解决上述缺点。
发明内容
为了解决现有技术中的不足，本发明公开一种MEMS双层螺线管电感线圈及其制备方法，其技术方案如下：
Z型MEMS双层螺线管电感双层线圈，包括内外两层的双层线圈以及衬底；其特征为：采用四层衬底作为双层线圈本体支撑；双层线圈由内层线圈与外层线圈构成，外层线圈通过位于四层衬底上采用MEMS工艺制作的外层通孔与位于外层衬底上的MEMS工艺制作的槽实现电连接；内层线圈通过位于内层衬底上的内层通孔以及MEMS工艺制作的槽实现电连接；内外层线圈通过位于内层衬底上的C型槽实现电连接；上述槽与孔为线圈本体模具，线圈实体采用通孔电镀(TSV)工艺制作；双层螺线管线圈在线圈导线布置上呈Z型，以内层线圈为导线起点即内层最末匝与外层最初匝实现电连接；同时在外层衬底上拥有双pad以实现与PCB电路板的电连接；在两内层衬底内采用MEMS技术批量化封装了软磁材料，软磁材料位于双层线圈最内层，整体被双层线圈包裹。
本发明还公开一种Z型MEMS双层螺线管电感双层线圈制备方法，包括上述的MEMS双层螺线管电感双层线圈，其特征为：包括如下步骤：
步骤1，内层上、下衬底的制作；
步骤2，磁芯的制作；
步骤3，第一、二晶圆键合；
步骤4，内层线圈电镀减薄；
步骤5，外层上、下衬底的制作；
步骤6，外层线圈电镀减薄，完成双层线圈的制备。
本发明还公开一种电感元件，其特征为：包括上述Z型MEMS双层螺线管电感双层线圈制备方法制备的电感线圈。
有益效果
将现有的单层MEMS螺线管电感线圈拓展为双层，极大拓展了MEMS电感线圈的维度，使其对于空间利用率进一步提高，在电感值的提高和品质因子的提高上有了新的突破。
采用Z型的绕组相比于传统的C型绕组方式，其在高频下的电容效应会被很好的抑制，使其谐振频率可以进一步提高，从而用于射频MEMS的一些应用，例如高频变压器，NFC线圈等。相比于渐进型绕组，其在相同体积的元件绕组下可以实现更多线圈匝数，从而大幅提高在在低频段下的电感值，使其拥有成为更高性能的低频功率器件(微泵，微电机)的更大潜力。
使用纯Z型MEMS的制备方法，可以提高加工的效率，降低单片线圈的制作成本，同时采用MEMS工艺的方法使其可以与IC技术兼容，从而使其在封装应用上有着比较好的IC兼容性。而使用半导体材料作为其衬底相比于玻璃衬底，其散热效果会明显增强，对于MEMS功率器件而言对于积热问题可以通过与微半导体散热器集成来很好的解决。
附图说明
图1为本发明Z型双层线圈衬底示意图；
图2为本发明Z型双层线圈实体示意图；
图3为本发明经过步骤1工序4)后的衬底示意图；
图4为本发明经过步骤1工序7)后的内层上、下衬底示意图；
图5为本发明经过步骤1工序9)后的内层上、下衬底示意图；
图6为本发明经过步骤1工序12)后的内层上衬底示意图；
图7位本发明经过步骤1工序13)后的内层下衬底示意图；
图8为本发明经过步骤2工序2)后的内层上衬底示意图；
图9为本发明经过步骤2工序3)后的内层上衬底示意图；
图10为本发明经过步骤2工序6)后的内层上、下衬底示意图；
图11为本发明经过步骤3工序3)后的内层衬底整体示意图；
图12为本发明经过步骤3工序4)后的内层衬底整体示意图；
图13为本发明经过步骤4工序1)后的晶圆衬底整体示意图；
图14为本发明经过步骤4工序2)后的晶圆衬底整体示意图；
图15为本发明经过步骤4工序4)后的晶圆衬底整体示意图；
图16为本发明经过步骤4工序5)后的晶圆整体示意图；
图17为本发明经过步骤5工序3)后的晶圆整体示意图；
图18为本发明经过步骤5工序5)后的晶圆整体示意图；
图19为本发明经过步骤6工序5)后的晶圆整体示意图。
具体实施方式
Z型MEMS双层螺线管电感双层线圈，包括内外两层的双层线圈以及衬底；其特征为：采用四层衬底作为双层线圈本体支撑；双层线圈由内层线圈与外层线圈构成，外层线圈通过位于四层衬底上采用MEMS工艺制作的外层通孔与位于外层衬底上的MEMS工艺制作的槽实现电连接；内层线圈通过位于内层衬底上的内层通孔以及MEMS工艺制作的槽实现电连接；内外层线圈通过位于内层衬底上的C型槽实现电连接；上述槽与孔为线圈本体模具，线圈实体采用通孔电镀(TSV)工艺制作；双层螺线管线圈在线圈导线布置上呈Z型，以内层线圈为导线起点即内层最末匝与外层最初匝实现电连接；同时在外层衬底上拥有双pad以实现与PCB电路板的电连接；在两内层衬底内采用MEMS技术批量化封装了软磁材料，软磁材料位于双层线圈最内层，整体被双层线圈包裹。
本发明的Z型双层线圈具有内外两层线圈组成，其衬底如图一所示，共四层衬底，从下往上分别为外层下衬底(10)，内层下衬底(20)，内层上衬底(30)，外层上衬底(40)。其中，位于外层上衬底上的外层上线圈槽(41)通过位于外层上衬底(40)上的通孔(42)、位于内层上衬底(30)上的外层通孔(32)、位于内层下衬底(20)上的外层通孔(24)，以及位于外层下衬底(10)上的通孔(11)与位于外层下衬底(10)上的外层下线圈槽(12)连通。位于内层上衬底(30)上的内层上线圈槽(31)通过位于内层上衬底上(30)的内层通孔(34)以及位于内层下衬底上(20)的内层通孔(22)与位于内层下衬底(20)上的内层下线圈槽(23)连通。双层线圈的内层与外层通过位于内层上衬底上(30)的一根长线圈槽(35)以及位于外层上衬底上(40)的通孔连接。位于内层上衬底(39)上的上磁芯槽(33)与位于内层下衬底上(20)的下磁芯槽(21)位置相对，共同组成双层线圈的磁芯槽。上述外层下衬底(10)，内层下衬底(20)，内层上衬底(30)，外层上衬底(40)在通孔上位置相互对应。
本发明的Z型双层线圈实体在加工完毕后如图2所示，其由内外两层绕组组成，外层绕组起点与内层绕组终点相联系实现一种Z字型绕组方式，该种绕组方式对于空间利用效果较好，可以在单位体积衬底内布置更多匝线圈，从而提高其电感值以及品质因子。
接下来将介绍本发明Z型MEMS双层螺线管电感线圈的集成加工方案，本集成方案采用两片晶圆。具体步骤包括：
步骤1，内层上、下衬底的制作；
1)使用Piranha溶液清洗包括但不限于硅材料的半导体材料的第一、二晶圆；
2)将第一、二晶圆做热氧化处理，热氧化厚度根据晶圆厚度决定，在晶圆表面形成一定厚度的氧化层；
3)将第一、二晶圆表面涂覆一层增粘剂；
4)在第一、二晶圆上表面喷涂或旋涂一层光刻胶，光刻胶类型为涂覆厚度为2微米左右的薄胶；将第一、二晶圆置于氮气烘箱中进行合适时间的预烘；在第一、二晶圆下表面喷涂或旋涂一层光刻胶，光刻胶类型同上表面；将一、二晶圆置于氮气烘箱中进行合适时间的前烘；
5)将第一晶圆上表面曝光出多个平行的内层上部线圈槽形状；将第一晶圆下表面曝光出上磁芯和内、外层通孔形状；将第一晶圆置于对应光刻胶类型的显影剂中进行显影；将第一晶圆置于氮气烘箱中进行合适时间的后烘；
6)将第二晶圆上表面曝光出下磁芯和内、外层通孔形状；将第二晶圆下表面曝光出多个平行的内层下部线圈槽形状；将第二晶圆置于对应光刻胶类型的显影剂中进行显影；将第二晶圆置于氮气烘箱中进行合适时间的后烘；
7)将第一、二晶圆置于衬底材料氧化物选择性刻蚀剂中，刻蚀5)、6)中显影后露出的氧化层至衬底层；
8)使用Piranha溶液清洗第一、二晶圆；将第一、二晶圆表面涂覆一层增粘剂；
9)将第一、二晶圆上表面喷涂或者旋涂一层光刻胶，光刻胶类型为涂覆厚度为10微米左右的厚胶；将第一、二晶圆置于氮气烘箱中进行合适时间的预烘；在第一、二晶圆下表面喷涂或旋涂一层光刻胶，光刻胶类型同上表面；将一、二晶圆置于氮气烘箱中进行合适时间的前烘；
10)将第一晶圆上表面曝光出内、外层通孔形状；将第一晶圆下表面曝光出上磁芯和内、外层通孔形状；将第一晶圆置于对应光刻胶类型的显影剂中进行显影；将第一晶圆置于氮气烘箱中进行合适时间的后烘；
11)将第二晶圆上表面曝光出下磁芯和内、外层通孔形状；将第二晶圆下表面曝光出内、外层通孔形状；将第二晶圆置于对应光刻胶类型的显影剂中进行显影；将第二晶圆置于氮气烘箱中进行合适时间的后烘；
12)将第一晶圆进行干法刻蚀；首先在晶圆背面刻蚀出上磁芯槽以及内、外层通孔槽；接着从正面刻蚀内、外层通孔槽至完全刻通；将第一晶圆使用Piranha溶液清洗；最后刻蚀正面的若干平行的内层上线圈槽；完成内层上衬底的制作；
13)将第二晶圆进行干法刻蚀；首先在晶圆正面刻蚀出下磁芯槽以及内、外层通孔槽；接着从反面刻蚀内、外层通孔至完全刻通；将第二晶圆使用Piranha溶液清洗；最后刻蚀反面的若干平行的内层下线圈槽；完成内层衬底的制作；
步骤2，磁芯的制作
1)将经过步骤1制作的第一、二晶圆分别进行Piranha溶液清洗；
2)将第一晶圆反面磁芯槽处进行图案化溅射钛或金金属层；在上述图案化位置继续溅射或采用化学镀方式得到一层铁或镍金属层；
3)在上述第一晶圆背面磁芯槽位置电镀铁镍合金或铁钴合金至一定高度；
4)将第二晶圆正面磁芯槽处进行图案化溅射钛或金金属层；在上述图案化位置继续溅射或采用化学镀方式得到一层铁或镍金属层；
5)在上述第二晶圆正面磁芯槽位置电镀铁镍合金或铁钴合金至一定高度；
6)将上述第一、二晶圆电镀磁芯槽处图案化涂覆一层耐酸涂层；
步骤3，第一、二晶圆键合
1)将经过步骤2的第一、二晶圆分别进行Piranha溶液清洗；
2)将第一、二晶圆置于超过耐酸涂层气化温度的管式炉环境中，消除耐酸涂层；
3)将第一、二晶圆置于衬底材料氧化物选择性刻蚀剂中，刻蚀剩余所有衬底氧化物；
4)将第一晶圆的下表面与第二晶圆的上表面相对放置，进行低温硅硅键合，形成晶圆整体；
5)将晶圆整体进行热氧化处理。
步骤4，内层线圈电镀减薄
1)将步骤3得到的晶圆整体的反面溅射钛或金金属层，接着在晶圆整体的背面溅射或者化学镀得到一层铜金属层；
2)从晶圆背面电镀金属铜；使其填满内层下衬底上的线圈槽、并电镀内、外层通孔至内层上衬底上的线圈槽之下平面位置；
3)在上述进行过电镀铜的晶圆整体正面溅射钛或金金属层，接着在晶圆整体的正面溅射或者化学镀得到一层铜金属层；
4)从晶圆正面电镀金属铜；使其填满内层的线圈槽，并通过内层通孔与内层下衬底上的线圈槽连通。
5)使用化学机械抛光机(CMP)减薄铜金属至衬底热氧化层高度，并进行CMP抛光正反衬底表面。
步骤5，外层上、下衬底的制作
1)将经过步骤4抛光的晶圆整体表面涂覆一层增粘剂；
2)在晶圆整体正面旋涂一层高厚度固化后高硬度耐酸光刻胶；经过合适温度的软烘；
3)在晶圆整体反面旋涂一层高厚度固化后高硬度耐酸光刻胶；经过合适温度的软烘；
4)使用弱光强在晶圆整体正面曝光外层上线圈槽；调整光强在晶圆整体正面曝光外层通孔；
5)使用弱光强在晶圆整体反面曝光外层下线圈槽；调整光强在晶圆整体反面曝光外层通孔；完成外层上、下衬底制作。
步骤6，外层线圈电镀减薄
1)将经过步骤5得到的晶圆整体的外层下衬底的下表面溅射钛或者金金属层，接着在外层下衬底的下表面溅射或者化学镀一层铜金属层；
2)从内层下衬底的下表面电镀外层下线圈槽至外层下衬底高度；
3)在晶圆整体的外层上衬底的上表面溅射钛或者金金属层，接着在外层上衬底的上表面溅射或者化学镀一层铜金属层；
4)从外层上衬底的上表面电镀外层下线圈槽至外层上衬底高度；
5)使用化学机械抛光机(CMP)减薄铜金属至衬底高度，并进行CMP抛光上下衬底表面。
6)使用划片机分离各个双层线圈，完成双层线圈的制备。
实施例1：硅基MEMS双层线圈
在使用硅基作为基础衬底时，使用两片4英寸800μm厚超高阻区熔硅单晶(FZ-Silicon)晶圆，其电阻率大于1000Ω·cm。采用电镀铜作为绕组时，其内层各匝线圈之间共同处于硅基衬底之中，若采用低阻硅则会出现不同匝之间线圈直接通过硅衬底连通使得整个内层线圈短路从而失去电感本身的螺旋形电接通的功能。而采用高阻硅晶圆可以较好的避免这一问题，在实例步骤三键合两层基底之后进行的热氧化也是起到相同的作用，在已经被干法刻蚀暴露出的高阻硅表面再次通过氧化产生一层氧化层从而进一步保护各匝内层线圈通过衬底连通的绝缘性。接下来将介绍具体实施的步骤，该器件主要由六个步骤组成。
步骤1，内层上、下衬底的制作；
1)使用Piranha溶液清洗上述由超高阻区熔硅单晶(FZ-Silicon)构成的4英寸大小、800μm厚度的第一、二晶圆，Piranha具体配比为浓硫酸(95％)与浓过氧化氢溶液(30％)按照体积比3:1。去除硅片表面有机以及金属杂质，减少硅片在下一步热氧化中出现的氧化层厚度不均问题
2)将第一、二晶圆做热氧化处理，热氧化厚度为2μm，其厚度保证在后续干法步骤中进行内层线圈槽刻蚀之后表面仍旧剩余一定厚度的二氧化硅氧化层，从而保证在更后续的键合过程中可以保证整体平整的硅表面；
3)将第一、二晶圆表面涂覆一层由六甲基二硅氮烷(HMDS)蒸气组成的增粘剂，提高下一步涂胶时光刻胶的黏附性，具体涂覆参数为腔体温度为150℃，腔体压力为20800mTorr；
4)在第一、二晶圆上表面旋涂一层光刻胶，光刻胶类型为Shipley1813 G2Series，其旋涂参数为转速2000rpm、时间30s，目标光刻胶涂敷厚度为2μm；将第一、二晶圆置于氮气烘箱中进行预烘，具体参数为烘箱温度115℃，预烘时间5min，使光刻胶表面部分固化，保证在下表面涂胶时上表面光刻胶不会在旋胶机真空吸盘上脱落；在第一、二晶圆下表面喷涂或旋涂一层光刻胶，光刻胶类型与旋涂参数同上表面；将一、二晶圆置于氮气烘箱中进行前烘，具体参数为烘箱温度115℃，预烘时间为30min，进一步使光刻胶部分固化，保证其在光刻时的稳定的光学性能；该工序具体如图3所示；
5)将第一晶圆上表面光刻出多个平行的内层上部线圈槽及外层通孔形状；将第一晶圆下表面曝光出上磁芯和内、外层通孔形状；光刻参数为波长365nm，光强10mJ/cm2/s,曝光时长为3s。将第一晶圆置于NMD-W 2.38％显影剂中进行显影，显影时间2min；将第一晶圆置于氮气烘箱中进行后烘，具体参数为烘箱温度115℃，后烘时间为15min；
6)将第二晶圆上表面光刻出下磁芯和内、外层通孔形状；将第二晶圆下表面光刻出多个平行的内层下部线圈槽形状，；将第二晶圆置于NMD-W 2.38％显影剂中进行显影，显影时间2min；将第二晶圆置于氮气烘箱中进行后烘，具体参数为烘箱温度115℃，后烘时间为15min；
7)将第一、二晶圆置于缓冲氧化物刻蚀剂(BOE)中，具体配比为49％HF水溶液：40％NH4F水溶液＝1：6(体积比)的成分混合而成，刻蚀时间30min，刻蚀5)、6)中显影后露出的氧化层至衬底层，在后期线圈槽刻蚀时利用二氧化硅做掩膜用；该工序具体如图4所示；
8)使用Piranha溶液清洗第一、二晶圆，洗去前置步骤中涂敷于晶圆正反面的S1813光刻胶；将第一、二晶圆表面涂覆一层六甲基二硅氮烷(HMDS)蒸气组成的增粘剂，涂敷参数同上述3)中所描述步骤；
9)将第一、二晶圆上表面旋涂一层光刻胶，光刻胶类型为AZ P4620，其旋涂参数为转速2000rpm、时间50s；将第一、二晶圆置于氮气烘箱中进行预烘，具体参数为烘箱温度95℃；，预烘时间10min；在第一、二晶圆下表面旋涂一层光刻胶，光刻胶类型与旋涂参数同上表面；将一、二晶圆置于氮气烘箱中进行前烘，具体参数为烘箱温度95℃；，前烘时间60min；该工序具体如图5所示；
10)将第一晶圆上表面光刻出内、外层通孔形状；将第一晶圆下表面光刻出上磁芯和内、外层通孔形状，光刻参数为波长365nm，光强10mJ/cm2/s,曝光时长为9s；将第一晶圆置于AZ 400K与超纯水按比例1：3配置的显影剂中进行显影，显影时间2min；将第一晶圆置于氮气烘箱中进行后烘，具体参数为烘箱温度95℃，后烘时间为30min；
11)将第二晶圆上表面曝光出下磁芯和内、外层通孔形状；将第二晶圆下表面曝光出内、外层通孔形状，光刻参数与10)中描述相同；将第二晶圆置于AZ 400K与超纯水按比例1：3配置的显影剂中进行显影，显影时间2min；将第二晶圆置于氮气烘箱中进行后烘，后烘参数与10)中描述相同；
12)将第一晶圆进行干法刻蚀；首先在晶圆背面干法刻蚀出上磁芯槽以及内、外层通孔槽至450μm深度，干法刻蚀采用电感耦合等离子体干法刻蚀机(ICP)进行，刻蚀参数为气体激发电场功率为600W，在刻蚀阶段采用六氟化硫SF6(流量为130sccm)与氧气O2(流量为13sccm)被激发成为等离子体后经电场(功率为25W)加速后轰击硅片表面，通过物理与化学反应刻蚀硅，此过程持续8s；而在沉积保护阶段采用八氟环丁烷C4F8(流量为85sccm)被激发成等离子体经重力黏附在刻蚀侧壁上进行保护硅侧壁，从而实现高垂直比的刻蚀，此过程持续5s，刻蚀过程与沉积过程交替进行；腔体温度保持在40℃，硅片基片台温度控制在25℃，在硅片台背面采用氦气(He)做硅片冷却，其工作压力为9800mTorr；刻蚀过程中六氟化硫SF6等离子体化的反应如下式表示
SF6+e-→SxFy ++SxFy -+F-+e- (1)
产生的氟等离子体轰击至硅表面时与硅反应如下式表示
Si+F-→SiFx↑ (2)
产生的气体被涡轮分子泵抽出反应腔，从而实现硅的刻蚀，沉积过程中八氟环丁烷C4F8的等离子体化的反应如下式表示
C4F8+e-→CFx ++CFx -+F-+e- (3)
产生的负等离子体在硅表面及侧壁沉积成为高分子钝化膜，反应过程如下式所示
CFx -→nCF2 (4)
而钝化膜在下一循环中SF6产生的氟等离子体的轰击下发生反应产生气体后被抽出反应腔体
Figure BDA0003627994870000161
而在刻蚀过程中由于电场加速，使得等离子体更容易轰击硅底面，从而保护侧壁沉积的高分子钝化膜，实现深宽比大于10：1的图形化刻蚀。
在刻蚀到磁芯槽目标深度445μm时取消沉积保护过程，仅采用刻蚀阶段工艺气体配比(即六氟化硫SF6(流量为130sccm)与氧气O2(流量为13sccm))，在达到450μm时，可以产生一个底面圆角。从而提升在键合、减薄过程中磁芯槽空腔的强度，防止后续键合、减薄过程中产生裂纹从基片底面扩展至整个器件，从而器件报废的情况发生。
接着从正面刻蚀内、外层通孔至完全刻通；将第一晶圆使用Piranha溶液清洗，洗去晶圆表面残留的光刻胶；最后使用氧化层作为掩膜刻蚀正面的若干平行的内层上线圈槽，具体刻蚀深度为200μm；完成内层上衬底的制作；该工序具体如图6所示；
13)将第二晶圆进行干法刻蚀；首先在晶圆正面刻蚀出下磁芯槽以及内、外层通孔槽，工艺参数同12)中所描述；接着从反面刻蚀内、外层通孔至完全刻通；将第二晶圆使用Piranha溶液清洗光刻胶；最后刻蚀反面的若干平行的内层下线圈槽，具体刻蚀深度为200μm；完成内层下衬底的制作；该工序具体如图7所示；
步骤2，磁芯的制作
1)将经过步骤1制作的第一、二晶圆进行Piranha溶液清洗，洗去之前步骤中可能产生的有机、金属杂质；
2)将第一晶圆反面磁芯槽处进行图案化溅射钛金属层，具体溅射厚度为100nm；在上述图案化位置继续溅射一层镍金属层，具体厚度为100nm；该工序具体如图8所示；
3)在上述第一晶圆背面磁芯槽位置电镀铁镍合金至445μm；该工序具体如图9所示；
4)将第二晶圆正面磁芯槽处进行图案化溅射钛金属层，具体溅射厚度为100nm；在上述图案化位置继续溅射镍金属层，具体厚度为100nm；
5)在上述第二晶圆正面磁芯槽位置电镀铁镍合金至高度445μm；
6)将上述第一、二晶圆电镀磁芯槽处图案化涂覆一层耐酸涂层，具体参数为涂层采用特氟龙(聚四氟乙烯)涂层，涂覆厚度为5μm；该工序具体如图10所示；
步骤3，第一、二晶圆键合
1)将经过步骤2的第一、二晶圆分别进行Piranha溶液清洗；
将第一、二晶圆置于450℃的管式炉环境中，消除特氟龙涂层；
2)将第一、二晶圆置于二氧化硅选择性刻蚀剂中，具体采用49％HF水溶液与超纯水以1:5配比，刻蚀剩余所有衬底氧化物，并使晶圆表面活化，使其更易在预键合中相互结合；
3)将第一晶圆的下表面与第二晶圆的上表面相对放置，采用预设好的对准标记进行对准，接着进行低温硅硅键合。具体工艺参数为首先进行预键合，在1500N力、温度300℃以及高真空环境下将晶圆预键合，接着放入200摄氏度的退火炉中进行10小时退火。形成晶圆整体；该工序具体如图11所示；
4)将晶圆整体进行热氧化处理，热氧化厚度为1μm,以保证电镀后线圈各匝之间的绝缘性；该工序具体如图12所示；
步骤4，内层线圈电镀减薄
1)将步骤3得到的晶圆整体的反面溅射钛金属层，具体厚度为100nm，接着在晶圆整体的背面溅射一层铜金属层，具体厚度为100nm；该工序具体如图13所示；
2)从晶圆背面电镀金属铜；使其填满内层下衬底上的线圈槽、并电镀内、外层通孔至内层上衬底上的线圈槽之下平面位置；该工序具体如图14所示；
3)在上述进行过电镀铜的晶圆整体正面溅射钛金属层，具体厚度为100nm，接着在晶圆整体的正面溅射或者化学镀得到一层铜金属层，具体厚度为100nm；
4)从晶圆正面电镀金属铜；使其填满内层的线圈槽，并通过内层通孔与内层下衬底上的线圈槽连通。该工序具体如图15所示；
5)使用化学机械抛光机(CMP)减薄铜金属至硅衬底热氧化层高度，并进行CMP抛光正反衬底表面。该工序具体如图16所示；
步骤5，外层上、下衬底的制作
1)将经过步骤4抛光的晶圆整体表面涂覆一层增粘剂；
2)在晶圆整体正面旋涂一层SU-82100光刻胶，具体厚度为20μm,旋胶转速为1500rpm；在95℃的热板上进行软化烘，时长为30分钟；
3)在晶圆整体反面旋涂一层SU-82100光刻胶，具体厚度为20μm,旋胶转速为1500rpm；在95℃的热板上进行软化烘，时长为35分钟；该工序具体如图17所示；
4)使用弱光强在晶圆整体正面曝光外层上线圈槽；调整光强在晶圆整体正面曝光外层通孔；曝光参数为光强10mJ/cm2/s,曝光时长为28s
5)使用弱光强在晶圆整体反面曝光外层下线圈槽；调整光强在晶圆整体反面曝光外层通孔；将晶圆放置于95℃的热板上进行后烘，并放置于SU-82000的显影液中进行17分钟显影，最后将晶圆放置于200℃的热板上进行20分钟的硬化烘；得到外层衬底的制作；该工序具体如图18所示；
步骤6，外层线圈电镀减薄
1)将经过步骤5得到的晶圆整体的外层下衬底的下表面溅射钛金属层，具体厚度为100nm，接着在外层下衬底的下表面溅射一层铜金属层,具体厚度为100nm；
2)从内层下衬底的下表面电镀外层下线圈槽至外层下衬底高度；
3)在晶圆整体的外层上衬底的上表面溅射钛或者金金属层，接着在外层上衬底的上表面溅射或者化学镀一层铜金属层；
4)从外层上衬底的上表面电镀外层下线圈槽至外层上衬底高度；
5)使用化学机械抛光机(CMP)减薄铜金属至衬底高度，并进行CMP抛光上下衬底表面。该工序具体如图19所示；
6)使用划片机分离各个双层线圈，完成双层线圈的制备。
实施例2：PDMS柔性基底Z型双层线圈。
在使用做柔性基底双层线圈时，将本发明中提及经过6个步骤加工出的双层线圈根据衬底材料的不同采用不同的衬底选择刻蚀剂将四层衬底全部消解，得到线圈本体和磁芯本体。将其放置于特制的模具中，浇灌柔性基底(如PDMS)，将模具与柔性基底分离后即可得到柔性基底线圈。其可应用于人体植入器件中的电磁器件核心，诸如供血泵，供药泵等应用。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (9)

1.Z型MEMS双层螺线管电感双层线圈，包括内外两层的双层线圈以及衬底；其特征为：采用四层衬底作为双层线圈本体支撑；双层线圈由内层线圈与外层线圈构成，外层线圈通过位于四层衬底上采用MEMS工艺制作的外层通孔与位于外层衬底上的MEMS工艺制作的槽实现电连接；内层线圈通过位于内层衬底上的内层通孔以及MEMS工艺制作的槽实现电连接；内外层线圈通过位于内层衬底上的C型槽实现电连接；上述槽与孔为线圈本体模具，线圈实体采用通孔电镀(TSV)工艺制作；双层螺线管线圈在线圈导线布置上呈Z型，以内层线圈为导线起点即内层最末匝与外层最初匝实现电连接；同时在外层衬底上拥有双pad以实现与PCB电路板的电连接；在两内层衬底内采用MEMS技术批量化封装了软磁材料，软磁材料位于双层线圈最内层，整体被双层线圈包裹。
2.根据权利要求1所述的Z型MEMS双层螺线管电感双层线圈，其特征为：所述衬底从下往上分别为外层下衬底，内层下衬底，内层上衬底，外层上衬底；其中，位于外层上衬底上的外层上线圈槽通过位于外层上衬底上的通孔、位于内层上衬底上的外层通孔、位于内层下衬底上的外层通孔，以及位于外层下衬底上的通孔与位于外层下衬底上的外层下线圈槽连通；位于内层上衬底上的内层上线圈槽通过位于内层上衬底上的内层通孔以及位于内层下衬底上的内层通孔与位于内层下衬底上的内层下线圈槽连通；所述双层线圈的内层与外层通过位于内层上衬底上的一根长线圈槽以及位于外层上衬底上的通孔连接；位于内层上衬底上的上磁芯槽与位于内层下衬底上的下磁芯槽位置相对，共同组成双层线圈的磁芯槽；上述外层下衬底、内层下衬底、内层上衬底，外层上衬底在通孔上位置相互对应。
3.根据权利要求1所述的Z型MEMS双层螺线管电感双层线圈，其特征为：所述的MEMS双层螺线管电感双层线圈以硅基或以浇灌柔性基底作为基础衬底的MEMS双层螺线管电感双层线圈。
4.Z型MEMS双层螺线管电感双层线圈制备方法，包括权利要求1-3任一所述的MEMS双层螺线管电感双层线圈，其特征为：包括如下步骤：
步骤1，内层上、下衬底的制作；
步骤2，磁芯的制作；
步骤3，第一、二晶圆键合；
步骤4，内层线圈电镀减薄；
步骤5，外层上、下衬底的制作；
步骤6，外层线圈电镀减薄，完成双层线圈的制备。
5.根据权利要求4所述的Z型MEMS双层螺线管电感双层线圈制备方法，其特征为：所述步骤2进一步包括如下内容：
1)将经过步骤1制作的第一、二晶圆分别进行Piranha溶液清洗；
2)将第一晶圆反面磁芯槽处进行图案化溅射钛或金金属层；在上述图案化位置继续溅射或采用化学镀方式得到一层铁或镍金属层；
3)在上述第一晶圆背面磁芯槽位置电镀铁镍合金或铁钴合金至一定高度；
4)将第二晶圆正面磁芯槽处进行图案化溅射钛或金金属层；在上述图案化位置继续溅射或采用化学镀方式得到一层铁或镍金属层；
5)在上述第二晶圆正面磁芯槽位置电镀铁镍合金或铁钴合金至一定高度；
6)将上述第一、二晶圆电镀磁芯槽处图案化涂覆一层耐酸涂层。
6.根据权利要求5所述的Z型MEMS双层螺线管电感双层线圈制备方法，其特征为：所述步骤3进一步包括如下内容：
1)将经过步骤2的第一、二晶圆分别进行Piranha溶液清洗；
2)将第一、二晶圆置于超过耐酸涂层气化温度的管式炉环境中，消除耐酸涂层；
3)将第一、二晶圆置于衬底材料氧化物选择性刻蚀剂中，刻蚀剩余所有衬底氧化物；
4)将第一晶圆的下表面与第二晶圆的上表面相对放置，进行低温硅硅键合，形成晶圆整体；
5)将晶圆整体进行热氧化处理。
7.根据权利要求6所述的Z型MEMS双层螺线管电感双层线圈制备方法，其特征为：所述步骤5进一步包括如下内容：
1)将经过步骤4抛光的晶圆整体表面涂覆一层增粘剂；
2)在晶圆整体正面旋涂一层高厚度固化后高硬度耐酸光刻胶；经过合适温度的软烘；
3)在晶圆整体反面旋涂一层高厚度固化后高硬度耐酸光刻胶；经过合适温度的软烘；
4)使用弱光强在晶圆整体正面曝光外层上线圈槽；调整光强在晶圆整体正面曝光外层通孔；
5)使用弱光强在晶圆整体反面曝光外层下线圈槽；调整光强在晶圆整体反面曝光外层通孔；完成外层上、下衬底制作。
8.根据权利要求7所述的Z型MEMS双层螺线管电感双层线圈制备方法，其特征为：所述步骤6进一步包括如下内容：
1)将经过步骤5得到的晶圆整体的外层下衬底的下表面溅射钛或者金金属层，接着在外层下衬底的下表面溅射或者化学镀一层铜金属层；
2)从内层下衬底的下表面电镀外层下线圈槽至外层下衬底高度；
3)在晶圆整体的外层上衬底的上表面溅射钛或者金金属层，接着在外层上衬底的上表面溅射或者化学镀一层铜金属层；
4)从外层上衬底的上表面电镀外层下线圈槽至外层上衬底高度；
5)使用化学机械抛光机(CMP)减薄铜金属至衬底高度，并进行CMP抛光上下衬底表面。
6)使用划片机分离各个双层线圈，完成双层线圈的制备。
9.电感元件，其特征为：包括权利要求3-8任一所述的Z型MEMS双层螺线管电感双层线圈制备方法制备的双层线圈。
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