CN115631916A - 一种基于条纹型软磁薄膜的平面电感及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于条纹型软磁薄膜的平面电感及其制备方法，该平面电感设置在基体(4)上，包括电感线圈(2)和电感线圈的上侧和下侧包覆的条纹型软磁薄膜(1)和多层软磁薄膜(3)；电感线圈(2)上侧的条纹型软磁薄膜(1)为软磁材料细纹(7)和高阻材料细纹(8)间隔构成条纹结构，电感线圈(2)下侧的多层软磁薄膜(3)为交替叠放的软磁材料膜(6)和高阻材料膜(5)构成；上层条纹型软磁薄膜(1)的条纹方向垂直于所包覆的电感线圈(2)的方向，平行于磁力线方向。该平面电感由磁控溅射和微纳工艺联合制备而成，具有结构简单、体积小、电感密度高的特点，可以用于高频集成电子电路或柔性电子电路。
Description
技术领域
本发明属于应用于集成电路的平面电感技术领域，涉及一种基于条纹型软磁薄膜的平面电感及其制备方法。
背景技术
作为电子电路中的三大基础元件，电阻和电容已经实现了高频化、微型化，而电感技术在芯片集成电路中始终难于突破，主要面核心问题就是如何解决在微米及亚微米空间和高工作频率的应用限制之下综合提高芯片的电感密度和品质因数。芯片电感元件的技术突破，将有助于催生新一代SoC设计。中国发明专利申请No.202110530371.0公开了‘一种基于三层纳米铁磁薄膜的平面电感’，其中的三层纳米铁磁薄膜均为矫顽力低于10Oe的软磁薄膜FexNyXz，X可以为B或Si两种元素，平面电感由三层FexNyXz软磁薄膜经微纳加工工艺制备而成，三层厚度可在5～80nm不等。三层纳米铁磁薄膜具有高频高磁导率的特性，可应用于高频电子器件的平面电感制备；但是该方案工艺复杂，且制得的平面电感电阻率低，且无法很好地利用磁性薄膜的各向异性，导致损耗偏大、电感密度偏低。
发明内容
针对上述技术问题，本发明的目的是提供一种具有高取向性、高电阻率的条纹型软磁薄膜的平面电感及其制备方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于条纹型软磁薄膜的平面电感，设置在具有电感线圈2的基体4上，所述电感线圈2的上侧和下侧包覆有条纹型软磁薄膜1和多层软磁薄膜3；电感线圈2上侧的条纹型软磁薄膜1为软磁材料细纹7和高阻材料细纹8间隔构成条纹结构，电感线圈2下侧的多层软磁薄膜3由多组密切接触的软磁薄膜组成，其中每组软磁薄膜3为上层的软磁材料膜6和下层的高阻材料膜5构成；上层条纹型软磁薄膜1的条纹方向垂直于所包覆的电感线圈2的方向，平行于磁力线方向；
条纹型软磁薄膜1和多层软磁薄膜3通过磁柱9连接；
条纹型软磁薄膜1和多层软磁薄膜3与电感线圈2之间分别通过电介质绝缘。
条纹型软磁薄膜1中软磁细纹(7)的宽度为10-60μm，条纹之间的间隙为10-60μm，条纹型软磁薄膜1覆盖电感线圈2的长度为100-400μm。
多层软磁薄膜3为上层的软磁材料膜6和下层的高阻材料膜5交替叠放设置，软磁材料膜6的厚度为0.1-1μm，高阻材料膜5厚度为为10-60μm，多层软磁薄膜3厚度为1-2μm。
电感线圈2的线宽为5-40μm，电感线圈2之间的间距为10-60μm，电感线圈2的总面积为0.5-5mm2，电感线圈2为选自金、银、铜、钛的导电性良好的金属材料。
所述基体4的材质为玻璃、石英高阻硅等，或者聚亚苯基亚乙烯、聚二甲基硅氧烷等柔性有机聚合物。
软磁材料细纹和软磁材料膜的材料选自硅钢、铁氧体、多晶软磁材料、非晶软磁材料或纳米晶软磁材料。
软磁材料细纹和软磁材料膜的材料为FeCoB多晶软磁材料。
高阻材料细纹和高阻材料膜的材料为氧化锌、氧化硼、氧化铝、氮化硅、氮化硼、二氧化硅中的一种。
电介质为陶瓷、玻璃、高分子聚合物固态电介质或聚酰亚胺。
条纹型磁性薄膜1中软磁材料所占比例为10vol％～80vol％。
条纹型磁性薄膜1中软磁材料所占比例为50vol％～80vol％。
该平面电感在1～3GHz频率下，电感密度为145～157nH/mm2，品质因数为11～15；
该平面电感的磁性薄膜部分，饱和磁感应强度为1000-1300GS，电阻率为8000-12000μΩ·cm，其中条纹型软磁薄膜的各向异性场为350-650Oe。
一种如所述的基于条纹型软磁薄膜的平面电感的制备方法，通过磁控溅射工艺与微纳加工工艺联合制备，该方法包括以下步骤：
a.对基体4进行清洁，去除其表面杂质；
b.采用光刻剥离的方式制作下层的多层软磁薄膜3；
c.旋涂并预亚胺化聚酰亚胺作为下层的多层软磁薄膜3和电感线圈2之间的绝缘层；
d.采用光刻剥离的方法制作电感线圈2的图形；
e.旋涂并预亚胺化聚酰亚胺作为上层的条纹型软磁薄膜1和电感线圈2之间的绝缘层；
f.在聚酰亚胺上刻蚀磁柱9的通孔图形，并对聚酰亚胺进行固化；
g.用电镀的方式用软磁材料填充磁柱9的通孔；
h.采用光刻剥离的方式制作上层的条纹型软磁薄膜1；制得基于条纹型软磁薄膜的平面电感后，在整个器件的表面用磁控溅射工艺溅射一层高阻材料膜，填充条纹间隙的同时，对整个平面电感进行绝缘保护。
一种如所述的基于条纹型软磁薄膜的平面电感的用途：用于制备高频集成电子电路或柔性电子电路。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明的软磁薄膜平面电感采用半导体微纳工艺制备而成，具有结构简单、体积小、电感密度高等特点，不仅可以应用于高频集成电子电路，还可应用于柔性电子电路。
本发明的平面电感为上部的条纹磁膜和下部的多层磁膜包覆线圈的结构，可以更好地利用条纹磁膜的各向异性和多层软磁膜的高电阻率，具有电感密度高、品质因数高等特点。这种条纹型软磁薄膜和多层磁膜的结合由于其具备高阻值和高取向性，一方面可以有效地降低电感器件的涡流损耗，另一方面可以提高磁膜的抗偏磁能力，从而有效的提升电感元件高频下的电感密度和品质因数。
附图说明
图1是本发明基于条纹型软磁薄膜的平面电感的结构示意图。
附图标记：
1条纹型软磁薄膜，2电感线圈，3多层软磁薄膜，4基体，5高阻材料膜，6软磁材料膜，7软磁材料细纹，8高阻材料细纹，9磁柱
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
如图1所示，一种基于条纹型软磁薄膜的平面电感，包括条纹型软磁薄膜1、多层软磁薄膜3、高阻材料膜5、软磁材料膜6、软磁材料细纹7、高阻材料细纹8和磁柱9。
所述平面电感的上层为条纹型软磁薄膜1，下层为多层软磁薄膜3。其中，条纹型软磁薄膜1为软磁材料细纹7和高阻材料细纹8间隔构成的条纹结构。多层软磁薄膜3，由多组密切接触的软磁薄膜组成，其中每组软磁薄膜3为上层的软磁材料膜6和下层的高阻材料膜5构成。条纹型软磁薄膜1和多层软磁薄膜3通过磁柱9连接。
条纹型软磁薄膜1和多层软磁薄膜3分别包覆在基体4表面的电感线圈2上侧和下侧，上层条纹型软磁薄膜1的条纹方向垂直于所包覆的电感线圈2的方向，平行于磁力线方向。
其中，条纹型软磁薄膜1中软磁材料细纹7的宽度为10-60μm，软磁材料细纹7之间的间隙为10-60μm，条纹型软磁薄膜1覆盖线圈的长度为100-400μm。多层软磁薄膜3由多组密切接触的软磁薄膜组成，每组软磁薄膜为软磁材料膜6和高阻材料膜5上下设置，每组软磁薄膜中的软磁材料膜6的厚度为0.1-1μm，高阻材料膜5厚度为为0.1-1μm，多层软磁薄膜3厚度为1-10μm。
其中，电感线圈2的线宽为5-40μm，线圈之间的间距为10-60μm，总的线圈面积为0.5-5mm2。
多层软磁薄膜3和电感线圈2之间通过电介质绝缘，所述基体4的材质为玻璃、石英高阻硅等，或者聚亚苯基亚乙烯、聚二甲基硅氧烷等柔性有机聚合物。
在一些实施例中，软磁材料可以为硅钢或者铁氧体或者软磁合金或者非晶软磁材料或者纳米晶软磁材料，优选地，软磁材料可以为FeCoB软磁合金，具有饱和磁感应高、磁导率高、矫顽力小、磁致伸缩系数小等特点，可有效提高电感元件的电感密度。
在一些实施例中，高阻材料为氧化锌、氧化硼、氧化铝、氮化硅、氮化硼等，优选地，高阻材料可以为二氧化硅，可有效增高多层软磁膜的电阻率的同时具有高稳定性。
在一些实施例中，电介质为陶瓷、玻璃、高分子聚合物等固态电介质，优选地，电介质可以为聚酰亚胺，选取聚酰亚胺作为电介质具备制备加工工艺简单、可靠性强等特点，可有效的提升电感元件高频下的电品质因数。
在一些实施例中，电感线圈2可以为金、银、铜、钛等导电性良好的金属材料，优选地，电感线圈2可以为铜，可以更好地与半导体工艺兼容。
在一些实施例中，条纹型磁性薄膜1中软磁材料6所占体积百分比介于10％和80％之间，优选的，介于50％和80％之间，体积百分比在上述范围之内的条纹型磁性薄膜1具有较优异的软磁特性，同时具有高各向异性场、高饱和磁化强度和高电阻率。
下面将描述本发明的一种基于条纹型软磁薄膜的平面电感的工艺方案。
条纹型软磁薄膜的平面电感是通过半导体微纳工艺加工而成，该工艺包括以下步骤：
a.对基体4进行清洁，去除其表面杂质。具体地讲，一些实施例中，采用标准RCA清洗工艺清洗高阻硅片表面，用氮气吹干。然而，本发明不限于此，可以以其他方法对基体4进行清洁。
b.采用光刻剥离的方式制作下层的多层软磁薄膜3。具体地讲，一些实施例中，采用掩模版对下层的多层软磁薄膜3进行图形化处理，将涂覆光刻胶的硅片置于掩模版下进行真空接触式曝光后显影，随后溅射的方法溅射交替溅射软磁材料膜6和高阻材料膜5，最后将基体4上残余的光刻胶剥离掉，获得多层软磁薄膜3的图形。
c.旋涂并预亚胺化聚酰亚胺作为下层的多层软磁薄膜3和电感线圈2之间的绝缘层。具体地讲，在一些实施例中，采用匀胶机少量多次旋涂PI-2610以达到覆盖多层软磁薄膜3的目的和厚度要求，在130℃加热90秒以上，以达到预亚胺化下层聚酰亚胺电介质薄膜的效果。
d.采用光刻剥离的方法制作电感线圈2的图形。具体地讲，在一些实施例中，需要先用光刻显影的方式做出电感线圈2的图形，再在的光刻胶掩膜遮挡下电镀电感线圈2的图形，在用磁控溅射的方式在基底上溅射一层电镀种子层，随后进行电镀增厚，最后剥离掉残余的光刻胶，获得电感线圈2的图形。
e.旋涂并预亚胺化聚酰亚胺作为上层的条纹型软磁薄膜1和电感线圈2之间的绝缘层。具体地讲，在一些实施例中，采用匀胶机少量多次旋涂PI-2610以达到填充电感线圈2间隙的目的和厚度要求，在130℃加热90秒以上，以达到预亚胺化上下层聚酰亚胺电介质薄膜的效果。
f.在聚酰亚胺上刻蚀磁柱9的通孔图形，并对聚酰亚胺进行固化。具体地讲，在一些实施例中，用铝作为掩膜，在通过光刻工艺制作出通孔图形，再用反应离子刻蚀的方法在聚酰亚胺上刻蚀通孔图形。
g.用电镀的方式用软磁材料细纹7填充磁柱9的通孔。具体地讲，在一些实施例中，将露出的底层的磁性材料细纹7作为种子层，依据软磁材料细纹7成分配制电解液，实施电镀工艺，进行通孔填充。
h.采用光刻剥离的方式制作上层的条纹型软磁薄膜1；具体地讲，一些实施例中，采用条纹型掩模版对软磁材料细纹7进行图形化处理，将涂覆光刻胶的硅片置于掩模版下进行真空接触式曝光后显影，随后溅射的方法溅射软磁材料细纹7最后将基片上参与的光刻胶剥离掉，获得条纹型软磁薄膜1，制得基于条纹型软磁薄膜的平面电感后，在整个器件的表面用磁控溅射工艺溅射一层高阻材料膜，填充条纹间隙的同时，对整个平面电感进行绝缘保护。
实施例
采用标准RCA清洗工艺清洗硅片表面，用氮气吹干。然后，3000转/分钟的转速下旋涂光刻胶AZ4620，时间20s，100℃下进行烘烤，时间120s；将涂覆光刻胶的硅片放置到室温后放到下层磁膜的掩膜版下进行真空接触式曝光，曝光时间5s，AZ4620专用显影液进行显影，显影时间45s，随后用超纯水清洗吹干，在硅片表面获得两个长方形掩膜。
用磁控溅射的方式制作下层的多层软磁薄膜3，将硅片放入磁控溅射设备的基体4上，半关闭抽气阀，打开进气阀充入氩气，直至真空度达到10mTorr。打开连接靶枪的直流电源，100W/π(38cm)2下溅射(Fe65Co35)97B3 50min，形成厚度约400nm的金属薄膜；打开连接另一个靶枪的射频电源，100W/π(38cm)2下溅射SiO2 50min，形成厚度约100nm的高阻材料，交替溅射4次。将硅片置入盛有丙酮的容器中水浴加热，将硅片上残留的光刻胶及光刻胶上的(Fe65Co35)97B3和SiO2去除，得到下层的多层软磁薄膜3。5000转旋涂PI260，旋涂4次，在130℃下保持90s预亚胺化聚酰亚胺，作为下层的多层软磁薄膜3和电感线圈2之间的电介质。
通过上述光刻工艺制得电感线圈2掩膜。用磁控溅射的方式制作铜电感线圈，将硅片放入磁控溅射设备的基体4上，半关闭抽气阀，打开进气阀充入氩气，直至真空度达到10mTorr。打开连接靶枪的直流电源，100W/π(38cm)2下溅射Cu 200min，形成厚度约2μm的金属薄膜。将硅片置入盛有丙酮的容器中水浴加热，将硅片上残留的光刻胶及光刻胶上的Cu去除，得到电感线圈层。5000转旋涂PI260，旋涂4次，在130℃下保持30s预亚胺化聚酰亚胺，作为电感线圈2和上层的条纹型软磁薄膜1之间的电介质。
通过上述磁控溅射200nm铝膜，通过上述光刻剥离的工艺在铝膜表面制作出通孔图形作为磁通孔掩膜，用反应离子刻蚀的方法在聚酰亚胺上刻蚀通孔图形。将样品在350℃下保存30分钟，对聚酰亚胺进行固化。
用硫酸亚铁、硫酸钴、氯化钠、硼酸、糖精和稳定剂按1400：1500：375：1250：50：1配比制备电解液，将刻蚀聚酰亚胺厚度露出的底层磁性材料作为种子层，在0.2A的电流下电镀FeCo 40min，填充磁柱9通孔。
再通过上述图形化光刻剥离工艺，制得上层(Fe65Co35)97B3条纹型软磁薄膜1的图形，最终制得基于条纹型软磁薄膜的平面电感，用上述SiO2溅射工艺，在整个器件的表面溅射一层二氧化硅薄膜，填充条纹间隙的同时，对整个平面电感进行绝缘保护。
通过HFSS仿真模拟，该电感在不同频率下的电感密度及品质因数如表1所示。
| 频率(GHz) | 电感密度(nH/mm<sup>2</sup>) | 品质因数 |
| 1 | 157 | 13 |
| 2 | 148 | 15 |
| 3 | 145 | 11 |
该平面电感的磁性薄膜部分，饱和磁感应强度可达1000-1300GS，电阻率可达8000-12000μΩ·cm，其中，条纹型软磁薄膜各向异性场可达350-650Oe。
通过上面对本发明具体示例性实施例的描述可以看出，本发明基于条纹型软磁薄膜的平面电感在高频下具有高品质因数和电感密度(平面线圈空芯电感的电感密度小于10nH/mm2)。
Claims (14)
1.一种基于条纹型软磁薄膜的平面电感，设置在具有电感线圈(2)的基体(4)上，其特征在于：
所述电感线圈(2)的上侧和下侧包覆有条纹型软磁薄膜(1)和多层软磁薄膜(3)；电感线圈(2)上侧的条纹型软磁薄膜(1)为软磁材料细纹(7)和高阻材料细纹(8)间隔构成条纹结构，电感线圈(2)下侧的多层软磁薄膜(3)由多组密切接触的软磁薄膜组成，其中每组软磁薄膜(3)为上层的软磁材料膜(6)和下层的高阻材料膜(5)构成；上层条纹型软磁薄膜(1)的条纹方向垂直于所包覆的电感线圈(2)的方向，平行于磁力线方向；
条纹型软磁薄膜(1)和多层软磁薄膜(3)通过磁柱(9)连接；
条纹型软磁薄膜(1)和多层软磁薄膜(3)与电感线圈(2)之间分别通过电介质绝缘。
2.根据权利要求1所述的基于条纹型软磁薄膜的平面电感，其特征在于：
条纹型软磁薄膜1中软磁细纹(7)的宽度为10-60μm，条纹之间的间隙为10-60μm，条纹型软磁薄膜(1)覆盖电感线圈(2)的长度为100-400μm。
3.根据权利要求1所述的基于条纹型软磁薄膜的平面电感，其特征在于：
多层软磁薄膜(3)为上层的软磁材料膜(6)和下层的高阻材料膜(5)交替叠放设置，软磁材料膜(6)的厚度为0.1-1μm，高阻材料膜(5)厚度为为10-60μm，多层软磁薄膜(3)厚度为1-2μm。
4.根据权利要求1所述的基于条纹型软磁薄膜的平面电感，其特征在于：
电感线圈(2)的线宽为5-40μm，电感线圈(2)之间的间距为10-60μm，电感线圈(2)的总面积为0.5-5mm2，电感线圈(2)为选自金、银、铜、钛的导电性良好的金属材料。
5.根据权利要求1所述的基于条纹型软磁薄膜的平面电感，其特征在于：
所述基体(4)的材质为玻璃、石英高阻硅等，或者聚亚苯基亚乙烯、聚二甲基硅氧烷等柔性有机聚合物。
6.根据权利要求1所述的基于条纹型软磁薄膜的平面电感，其特征在于：
软磁材料细纹和软磁材料膜的材料选自硅钢、铁氧体、多晶软磁材料、非晶软磁材料或纳米晶软磁材料。
7.根据权利要求6所述的基于条纹型软磁薄膜的平面电感，其特征在于：
软磁材料细纹和软磁材料膜的材料为FeCoB多晶软磁材料。
8.根据权利要求1所述的基于条纹型软磁薄膜的平面电感，其特征在于：
高阻材料细纹和高阻材料膜的材料为氧化锌、氧化硼、氧化铝、氮化硅、氮化硼、二氧化硅中的一种。
9.根据权利要求1所述的基于条纹型软磁薄膜的平面电感，其特征在于：
电介质为陶瓷、玻璃、高分子聚合物固态电介质或聚酰亚胺。
10.根据权利要求1所述的基于条纹型软磁薄膜的平面电感，其特征在于：
条纹型磁性薄膜(1)中软磁材料所占比例为10vol％～80vol％。
11.根据权利要求10所述的基于条纹型软磁薄膜的平面电感，其特征在于：
条纹型磁性薄膜(1)中软磁材料所占比例为50vol％～80vol％。
12.根据权利要求11所述的基于条纹型软磁薄膜的平面电感，其特征在于：
该平面电感在1～3GHz频率下，电感密度为145～157nH/mm2，品质因数为11～15；
该平面电感的磁性薄膜部分，饱和磁感应强度为1000-1300GS，电阻率为8000-12000μΩ·cm，其中条纹型软磁薄膜的各向异性场为350-650Oe。
13.一种如权利要求1所述的基于条纹型软磁薄膜的平面电感的制备方法，其特征在于：通过磁控溅射工艺与微纳加工工艺联合制备，该方法包括以下步骤：
a.对基体(4)进行清洁，去除其表面杂质；
b.采用光刻剥离的方式制作下层的多层软磁薄膜(3)；
c.旋涂并预亚胺化聚酰亚胺作为下层的多层软磁薄膜(3)和电感线圈(2)之间的绝缘层；
d.采用光刻剥离的方法制作电感线圈(2)的图形；
e.旋涂并预亚胺化聚酰亚胺作为上层的条纹型软磁薄膜(1)和电感线圈(2)之间的绝缘层；
f.在聚酰亚胺上刻蚀磁柱(9)的通孔图形，并对聚酰亚胺进行固化；
g.用电镀的方式用软磁材料填充磁柱(9)的通孔；
h.采用光刻剥离的方式制作上层的条纹型软磁薄膜(1)；制得基于条纹型软磁薄膜的平面电感后，在整个器件的表面用磁控溅射工艺溅射一层高阻材料膜，填充条纹间隙的同时，对整个平面电感进行绝缘保护。
14.一种如权利要求1所述的基于条纹型软磁薄膜的平面电感的用途，其特征在于：用于制备高频集成电子电路或柔性电子电路。
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