CN115411020A - 片上螺旋磁芯电感器及其制作方法和批量化生产方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种片上螺旋磁芯电感器及其制作方法和批量化生产方法，所述制作方法包括：在第一衬底上形成沟槽结构；形成磁芯复合结构；将所述沟槽结构和所述磁芯复合结构进行电学互连。本发明方案通过在第一衬底上单独制备沟槽结构，然后再将与CMOS工艺不兼容的磁芯复合结构单独制备，最后通过可批量化生产的封装技术将第一衬底上的沟槽结构和磁芯复合结构对准进行电学互连。不仅解决了工艺兼容性问题，还实现了片上螺旋磁芯电感器的批量化生产，提高器件性能。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路制造和封装技术领域，尤其是涉及一种片上螺旋磁芯电感器及其制作方法和批量化生产方法。
背景技术
随着通信技术的快速发展，现代通信系统对集成化、模块化、小型化的需求愈加旺盛。发展无线射频电路小型化的一个重要课题就是如何提高集成电感的电感密度。引入磁性材料是提高电感值的重要途径之一，但是磁性材料的制备工艺复杂，并且一般需要高的工艺温度，与CMOS工艺也存在着不兼容的问题，这大大制约了含有磁性材料的片上电感器的发展。相对于现如今电路中常用的平面螺旋电感器而言，螺线管形的电感器具有更高的品质因数，更低的损耗，更小的面积。含有磁芯的螺线管型集成电感器虽然具有更好的性能，但是其制备工艺的复杂度和不兼容性限制了其大规模批量化生产以及商业化。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种片上螺旋磁芯电感器及其制作方法、批量化生产方法，不仅解决了工艺兼容性问题，还实现了片上螺旋磁芯电感器的批量化生产，提高器件性能。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种片上螺旋磁芯电感器的制作方法，所述制作方法包括：
在第一衬底上形成沟槽结构；
形成磁芯复合结构；
将所述沟槽结构和所述磁芯复合结构进行电学互连。
优选的，在上述的制作方法中，形成沟槽结构的方法包括：
提供所述第一衬底，所述第一衬底具有相对的第一表面和第二表面；
在所述第一表面形成图形化的阻挡层；
基于所述图形化的阻挡层，在所述第一表面内形成沟槽；
在所述沟槽底部、侧边以及部分所述阻挡层表面形成第一金属层；
在所述沟槽两侧的所述第一金属层表面形成接触点。
优选的，在上述的制作方法中，形成磁芯复合结构的方法包括：
提供第二衬底，所述第二衬底具有第三表面；
在所述第三表面形成牺牲层；
在所述牺牲层背离所述第三表面上形成第二金属层；
在所述第二金属层背离所述牺牲层表面形成磁芯结构；
腐蚀所述牺牲层，将所述磁芯结构和所述第二金属层与所述第二衬底剥离开，形成包括所述磁芯结构和所述第二金属层的磁芯复合结构。
优选的，在上述的制作方法中，所述磁芯结构为磁性材料层单层薄膜、或所述磁性材料层与隔离层多层交替复合薄膜。
优选的，在上述的制作方法中，所述磁性材料层为软磁层、硬磁合金层和非晶金属单层薄膜中的任一种；
所述隔离层为SiO2层、Al2O3层、HfO2层和TiO2层中的任一种。
优选的，在上述的制作方法中，所述沟槽结构和所述磁芯复合结构通过热压焊接互连；
或所述沟槽结构和所述磁芯复合结构通过激光焊接互连；
或所述沟槽结构和所述磁芯复合结构通过导电胶粘合互连。
优选的，在上述的制作方法中，所述磁芯复合结构与所述沟槽结构形状匹配，以使得所述磁芯复合结构容纳于所述沟槽结构内。
本发明还提供一种如上述任一项所述制作方法制备的片上螺旋磁芯电感器，所述片上螺旋磁芯电感器包括：
电学互连的沟槽结构和磁芯复合结构；
所述沟槽结构包括：第一衬底，所述第一衬底具有相对的第一表面和第二表面；设置在所述第一表面的图形化的阻挡层；基于所述图形化的阻挡层，形成于所述第一表面内的沟槽；形成于所述沟槽底部、侧边以及部分所述阻挡层表面的第一金属层；形成于所述沟槽两侧的所述第一金属层表面的接触点；
所述磁芯复合结构包括：第二金属层以及设置于所述第二金属层表面的磁芯结构。
本发明还提供一种片上螺旋磁芯电感器的批量化生产方法，所述批量化生产方法包括：
通过上述制作方法制备多个沟槽结构和多个磁芯复合结构；
将多个所述磁芯复合结构和多个所述沟槽结构进行电学互连，形成多个片上螺旋磁芯电感器。
优选的，在上述的批量化生产方法中，所述磁芯复合结构与所述沟槽结构通过热压焊接互连、或通过激光焊接互连。
通过上述描述可知，本发明技术方案提供的片上螺旋磁芯电感器及其制作方法和批量化生产方法中，通过在第一衬底上单独制备沟槽结构，然后再将与CMOS工艺不兼容的磁芯复合结构单独制备，最后利用封装技术将第一衬底上的沟槽结构和磁芯复合结构对准进行电学互连。不仅解决了工艺兼容性问题，还实现了片上螺旋磁芯电感器的批量化生产，提高器件性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1-图15为本发明实施例提供的一种片上螺旋磁芯电感器的制作方法工艺流程图；
图16为本发明实施例提供的一种片上螺旋磁芯电感器的立体结构图；
图17为本发明实施例提供的一种片上螺旋磁芯电感器的俯视图；
图18和图19为本发明实施例提供的一种片上螺旋磁芯电感器的批量化生产方法原理示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。
参考图1-图15，图1-图15为本发明实施例提供的一种片上螺旋磁芯电感器的制作方法工艺流程图，所述制作方法包括：
步骤S11：如图1-图9所示，在第一衬底201上形成沟槽结构200；
本发明实施例中，形成沟槽结构200的方法包括：
步骤S21：如图1所示，提供所述第一衬底201，所述第一衬底201具有相对的第一表面和第二表面；其中，所述第一衬底201可以是硅衬底或者其他半导体衬底，例如Ge、GaAs等衬底。
步骤S22：如图2所示，在所述第一表面和所述第二表面形成阻挡层202；可以通过沉积工艺形成所述阻挡层202，所述阻挡层202可以是SiO2，也可以是其他材料，例如氧化铝等。
步骤S23：如图3-图6所示，在所述第一表面形成图形化的阻挡层202；
其中，在形成图形化的阻挡层202之前，首先，如图3所示，在阻挡层202背离所述第一表面上旋涂光刻胶层203；然后，如图4所示，对光刻胶层203进行掩膜光刻图案，形成图形化的光刻胶层203，露出部分阻挡层202；再然后，如图5所示，基于图形化的光刻胶层203，刻蚀第一表面上的阻挡层202，形成图形化的阻挡层202；最后，如图6所示，去除光刻胶层203。
步骤S23：如图7所示，基于所述图形化的阻挡层202，在所述第一表面内形成沟槽204；
可以通过光刻工艺在第一表面形成该沟槽204，所述沟槽204的形状可以根据设计的电感器或变压器的结构而定，从俯视图的角度看，所述沟槽204的开口形状可以是多边形，或圆形，或椭圆形沟等形状。
步骤S24：如图8所示，在所述沟槽204底部、侧边以及部分所述阻挡层202表面形成第一金属层205；所述第一金属层205的材料可以是铜、金、铝、钨等其他导电材料。
步骤S25：如图9所示，在所述沟槽204两侧的所述第一金属层205表面形成接触点206，并去除第二表面的阻挡层202。其中，所述沟槽结构200可通过所述接触点206与磁芯复合结构300电学互连。
步骤S12：如图10-图14所示，形成磁芯复合结构300；
本发明实施例中，形成磁芯复合结构300的方法包括：
步骤S31：如图10所示，提供第二衬底301，所述第二衬底301具有第三表面；其中，所述第二衬底301可以是蓝宝石衬底，也可以是其他材料的衬底。
步骤S32：如图11所示，在所述第三表面形成牺牲层302；可以通过沉积工艺形成所述牺牲层302，所述牺牲层302可以但不限于是聚酰亚胺等。
步骤S33：如图12所示，在所述牺牲层302背离所述第三表面上形成第二金属层303；可以利用光刻和沉积技术形成所述第二金属层303。
其中，在形成第二金属层303之前，首先在牺牲层302表面旋涂光刻胶层，然后进行掩膜光刻图案化，形成图形化的光刻胶层，并露出部分牺牲层302，然后在露出的部分牺牲层302表面沉积第二金属层303，最后去除光刻胶层。
步骤S34：如图13所示，在所述第二金属层303背离所述牺牲层302表面形成磁芯结构306；所述磁芯结构306可以为磁性材料层305单层薄膜、或所述磁性材料层305与隔离层304多层交替复合薄膜。
其中，所述磁性材料层可以为软磁层、硬磁合金层和非晶金属单层薄膜中的任一种；所述磁性材料层305包括NiFe层、FeCo层、CoZrTa层、MnZn层、NiZn层以及BaM层。
所述隔离层可以为SiO2层、Al2O3层、HfO2层和TiO2层等绝缘层中的任一种。
需要说明的是，所述磁芯结构306若是单层薄膜结构，磁性材料层305可以通过脉冲激光沉积、或丝网印刷烘烤、或等离子体溅射沉积等方式形成；若是多层复合薄膜结构，可以通过脉冲激光沉积、或者等离子体溅射沉积方式交替沉积磁性材料层305和隔离层304，形成磁性材料层305与隔离层304多层交替复合薄膜。
需要说明的是，本发明实施例仅以磁芯结构306为多层复合薄膜结构为例进行说明，其他方式中，也可以将磁芯结构为单层薄膜结构为例进行说明，此处不再赘述。
步骤S35：如图14所示，腐蚀所述牺牲层302，将所述磁芯结构306和所述第二金属层303与所述第二衬底301剥离开，形成包括所述磁芯结构306和所述第二金属层303的磁芯复合结构300。
步骤S13：如图15所示，将所述沟槽结构200和所述磁芯复合结构300进行电学互连。
即将第一衬底201上的沟槽结构200的接触点206与磁芯复合结构300的相应位置进行对准，在两个结构的触点位置401，用焊接技术，加热加压，进行两个结构的电学互连，以使得第一金属层205与第二金属层303电学互连，形成片上螺旋磁芯电感器。
本发明实施例中，所述沟槽结构200和所述磁芯复合结构300可以通过热压焊接互连，或通过激光焊接互连，或通过导电胶粘合互连。
其中，所述磁芯复合结构300与所述沟槽结构200形状匹配，尺寸吻合，以使得所述磁芯复合结构300容纳于所述沟槽结构200内。
需要说明的是，将所述磁芯复合结构300容纳于所述沟槽结构200内时，磁芯复合结构300与沟槽结构200之间可以预留间隙，也可以相互贴合。可以基于磁芯复合结构300中的磁芯结构306的材料而定，若磁芯结构306为可导电材料，则磁芯复合结构300与沟槽结构200之间预留间隙，若磁芯结构306为不可导电材料，则磁芯复合结构300与沟槽结构200之间相互贴合。
通过上述描述可知，本发明技术方案提供的片上螺旋磁芯电感器的制作方法中，通过在第一衬底201上单独制备沟槽结构200，然后再将与CMOS工艺不兼容的磁芯复合结构300单独制备，最后利用封装技术将第一衬底上的沟槽结构200和磁芯复合结构300对准进行电学互连，从而避免了磁芯复合结构200中磁性材料工艺带来的不兼容问题。不仅解决了目前集成电路生产中含磁芯的电感制造与CMOS工艺不兼容的问题，还实现了片上螺旋磁芯电感器的批量化生产，提高器件性能。
基于上述实施例，本发明另一实施例还提供一种如上述实施例所述制作方法制备的片上螺旋磁芯电感器，如图15-图17所示，图16为本发明实施例提供的一种片上螺旋磁芯电感器的立体结构示意图，图17为本发明实施例提供的一种片上螺旋磁芯电感器的俯视图。所述片上螺旋磁芯电感器包括：
电学互连的沟槽结构200和磁芯复合结构300；
所述沟槽结构200包括：第一衬底201，所述第一衬底201具有相对的第一表面和第二表面；设置在所述第一表面的图形化的阻挡层202；基于所述图形化的阻挡层202，形成于所述第一表面内的沟槽204；形成于所述沟槽204底部、侧边以及部分所述阻挡层202表面的第一金属层205；形成于所述沟槽204两侧的所述第一金属层205表面的接触点206；
所述磁芯复合结构300包括：第二金属层303以及设置于所述第二金属层303表面的磁芯结构306。
通过上述描述可知，本发明技术方案提供的片上螺旋磁芯电感器中，通过在第一衬底上单独制备沟槽结构200，然后再将与CMOS工艺不兼容的磁芯复合结构300单独制备，最后利用封装技术将第一衬底201上的沟槽结构200和磁芯复合结构300对准进行电学互连，从而避免了磁芯复合结构200中磁性材料工艺带来的不兼容问题。不仅解决了工艺兼容性问题，还实现了片上螺旋磁芯电感器的批量化生产，提高器件性能。
基于上述实施例，本发明另一实施例还提供一种片上螺旋磁芯电感器的批量化生产方法，如图18和图19所示，图18和图19为本发明实施例提供的一种片上螺旋磁芯电感器的批量化生产方法原理示意图。所述批量化生产方法包括：
步骤S41：通过上述实施例所述制作方法制备多个沟槽结构200和多个磁芯复合结构300；
步骤S42：将多个所述磁芯复合结构300和多个所述沟槽结构200进行电学互连，形成多个片上螺旋磁芯电感器。
首先，如图18所示，可以通过上述制作方法制备多个磁芯复合结构300，将多个磁芯复合结构300按照一定的间距，利用聚酰亚胺501连接起来，形成载带。
然后，如图19所示，通过上述制作方法在第一衬底201上制备沟槽结构200，将多个具有沟槽结构200的第一衬底201按照载带上磁芯复合结构300的间距排列在传送带601上。
最后，如图19所示，当第一衬底201上的沟槽结构200与载带上的磁芯复合结构300对准后，利用热压头603进行加压加热，从而实现两结构的电学互连。在两结构电学互连完成后，进行切割，随后传送带601移动，对下一对结构进行相同处理，以此类推，形成多个片上螺旋磁芯电感器，从而实现批量化生产。
其中，所述磁芯复合结构300与所述沟槽结构200可以通过热压焊接互连、或通过激光焊接互连。
通过上述描述可知，本发明技术方案提供的片上螺旋磁芯电感器的批量化生产方法中，通过在第一衬底上单独制备沟槽结构，然后再将与CMOS工艺不兼容的磁芯复合结构单独制备，最后利用封装技术将多个第一衬底上的沟槽结构和多个磁芯复合结构对准进行电学互连，形成多个片上螺旋磁芯电感器。不仅解决了工艺兼容性问题，还实现了片上螺旋磁芯电感器的批量化生产，提高器件性能。
本说明书中各个实施例采用递进、或并列、或递进和并列结合的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的片上螺旋磁芯电感器及批量化生产方法而言，由于其与实施例公开的片上螺旋磁芯电感器的制作方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见片上螺旋磁芯电感器的制作方法部分说明即可。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括上述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种片上螺旋磁芯电感器的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括：
在第一衬底上形成沟槽结构；
形成磁芯复合结构；
将所述沟槽结构和所述磁芯复合结构进行电学互连。
2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，形成沟槽结构的方法包括：
提供所述第一衬底，所述第一衬底具有相对的第一表面和第二表面；
在所述第一表面形成图形化的阻挡层；
基于所述图形化的阻挡层，在所述第一表面内形成沟槽；
在所述沟槽底部、侧边以及部分所述阻挡层表面形成第一金属层；
在所述沟槽两侧的所述第一金属层表面形成接触点。
3.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，形成磁芯复合结构的方法包括：
提供第二衬底，所述第二衬底具有第三表面；
在所述第三表面形成牺牲层；
在所述牺牲层背离所述第三表面上形成第二金属层；
在所述第二金属层背离所述牺牲层表面形成磁芯结构；
腐蚀所述牺牲层，将所述磁芯结构和所述第二金属层与所述第二衬底剥离开，形成包括所述磁芯结构和所述第二金属层的磁芯复合结构。
4.根据权利要求3所述的制作方法，其特征在于，所述磁芯结构为磁性材料层单层薄膜、或所述磁性材料层与隔离层多层交替复合薄膜。
5.根据权利要求4所述的制作方法，其特征在于，所述磁性材料层为软磁层、硬磁合金层和非晶金属单层薄膜中的任一种；
所述隔离层为SiO2层、Al2O3层、HfO2层和TiO2层中的任一种。
6.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述沟槽结构和所述磁芯复合结构通过热压焊接互连；
或所述沟槽结构和所述磁芯复合结构通过激光焊接互连；
或所述沟槽结构和所述磁芯复合结构通过导电胶粘合互连。
7.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述磁芯复合结构与所述沟槽结构形状匹配，以使得所述磁芯复合结构容纳于所述沟槽结构内。
8.一种如权利要求1-7任一项所述制作方法制备的片上螺旋磁芯电感器，其特征在于，所述片上螺旋磁芯电感器包括：
电学互连的沟槽结构和磁芯复合结构；
所述沟槽结构包括：第一衬底，所述第一衬底具有相对的第一表面和第二表面；设置在所述第一表面的图形化的阻挡层；基于所述图形化的阻挡层，形成于所述第一表面内的沟槽；形成于所述沟槽底部、侧边以及部分所述阻挡层表面的第一金属层；形成于所述沟槽两侧的所述第一金属层表面的接触点；
所述磁芯复合结构包括：第二金属层以及设置于所述第二金属层表面的磁芯结构。
9.一种片上螺旋磁芯电感器的批量化生产方法，其特征在于，所述批量化生产方法包括：
通过权利要求1所述制作方法制备多个沟槽结构和多个磁芯复合结构；
将多个所述磁芯复合结构和多个所述沟槽结构进行电学互连，形成多个片上螺旋磁芯电感器。
10.根据权利要求9所述的批量化生产方法，其特征在于，所述磁芯复合结构与所述沟槽结构通过热压焊接互连、或通过激光焊接互连。
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| CN202110577536.XA CN115411020A (zh) | 2021-05-26 | 2021-05-26 | 片上螺旋磁芯电感器及其制作方法和批量化生产方法 |
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