CN1456032A - 在非平面的表面上产生导电结构的方法及其应用 - Google Patents

Abstract

在非平面的表面上产生导电结构的方法，以及所述方法的应用。本发明涉及在非平面的表面(1)上产生导电结构的方法，具有以下的步骤：a)在所述表面(1)上以电化学方式沉积光学抗蚀剂层(2)；b)对部分的光学抗蚀剂层(2)进行曝光；c)通过显影去除部分的光学抗蚀剂层(2)；d)在所述表面(1)从光学抗蚀剂层(2)露出的部分沉积导电材料(3)。此外本发明还涉及采用所述的方法生产微形化的线圈。通过在非平面的表面上电化学地沉积光学抗蚀剂层可以达到非常均匀的层厚。

Description

在非平面的表面上产生导电结构的方法及其应用

本发明涉及在非平面的表面上产生导电结构的方法，其中于第一步骤在所述的表面上涂覆光学抗蚀剂，其中在第二步骤中对光学抗蚀剂进行曝光并且通过显影进行结构化，并且其中于第三步骤在所述表面的光学抗蚀剂层的露出部分上沉积导电材料。此外本发明还涉及所述方法的应用。

从文献DE198 17 852 A1公知一种前序部分所述的方法，利用具有相互倾斜的表面的线圈骨架制造线圈的方法。其中通过喷溅把光学抗蚀剂层涂覆在线圈骨架上。在对光学抗蚀剂结构化后在线圈骨架上电镀铜，由此构成线圈的绕组。其中，光学抗蚀剂的构形通过对适当的平面进行光刻。

公知的方法的缺点是，不能够通过喷溅在整个线圈骨架上产生均匀的层厚。特别是在线圈骨架平坦表面之间的交棱(Stosskanten)处层厚变化非常剧烈，由此在对光学抗蚀剂曝光时产生问题，因为不同的抗蚀剂厚也要求不同的曝光时间。然而可变的曝光时间只有付出高昂的成本才能实现。

此外，公知的方法的缺点是，通过喷溅涂覆的光学抗蚀剂特别是在线圈平坦表面之间的交棱上在硬化后因此易于产生裂纹，由此在在后续的电镀时可能出现导线的短路。

因此本发明的目的是，提出在非平面的表面上产生导电结构的方法，使之能够制备改善了其均匀性的光学抗蚀剂层。

根据本发明，所述的目的通过如权利要求1的所述的方法达到。本发明的优选扩展及所述方法的应用由其它权利要求给出。

本发明给出在非平面的表面上产生导电结构的方法，具有以下的步骤：

a)在所述表面上电化学地沉积光学抗蚀剂层

b)曝光部分的光学抗蚀剂层

c)通过显影除去光学抗蚀剂的部分

d)在所述表面的从光学抗蚀剂露出的部分沉积导电材料。

其中，光学抗蚀剂指的是半导体技术中普遍采用的材料，所述的材料可以借助于光，同步辐射或者电子辐射曝光，并且光学抗蚀剂还公知为“Resist”。

根据本发明的方法的优点是，通过在在非平面的表面上电化学沉积适当的光学抗蚀剂层可以产生有良好均匀性的层厚。

此外根据本发明的方法的优点是，通过电化学沉积的覆层的光学抗蚀剂在平坦表面之间的交棱上只有很小的构成裂纹趋向。

电化学沉积光学抗蚀剂层要求表面导电或者表面设置有导电层。这样的层最好以高的层厚均匀性进行沉积。

借助于本发明涉及的方法可以特别有利地以在表面上的变化小于25％的层厚沉积。

此外本发明的方法特别有利的是，其中以10至50微米的层厚沉积光学抗蚀剂层。由此可以产生对于制造微型线圈所要求的导电结构厚度恰好足够的光学抗蚀剂层。由于光学抗蚀剂层厚很小，可以相应地沉积恰好避免线圈欧姆阻抗过高的薄导电结构。

在实施根据本发明的方法时，光学抗蚀剂曝光可以特别有利地采用发散度＜10毫弧度的辐射束。这样的发散度很小的辐射束例如可以用同步辐射的形式也可以用激光的形式提供。这提供了可校正非平坦表面的距离差异的优点，这种校正是通常采用的光刻掩模所不要求的。因为，较大的曝光发散度按光学抗蚀剂与光刻掩模的距离导致对所要绘制结构的不同放大。

此外，通过借助于发散辐射束对具有透明掩模面的光刻掩模进行映射来曝光光学抗蚀剂层，从而根据光学抗蚀剂层与光刻掩模之间的距离，相对于在光学抗蚀剂层上要曝光的面把掩模面缩小到抵消辐射束发散所产生的掩模面放大。

储助于发散的辐射束通过映射光刻掩模对光学抗蚀剂进行曝光使得能够采用半导体技术公知的并且易于得到的曝光机。这一方面其优点在于：这种曝光机可以对大到20厘米×20厘米的大表面进行曝光，可以同时曝光较多的较小的非平面的表面。另一方面所述的曝光机具有与同步辐射或者激光辐射相比阶格低廉的优点。

这种方法还有至少可以部分地校正由采用发散辐射束产生的放大的掩模面图形的优点。

此外根据本发明的方法还可以特别有利地用于制造导电结构，其中采用具有发散角δ的辐射束，其中为了曝光光学抗蚀剂层，在距离d处具有额定宽度b1的表面，采用其距离d处的宽度b2比下式计算宽度b3小10％的掩模面：

                  b3＝b1-2×d×tanδ。

此外，根据本发明的方法还可以有利地用于在骨架的属于其罩面的表面上制造导电结构，其中采用具有一个纵轴、一个罩面和一个端面的骨架，其中在曝光时把所述故架定向，使得至少所述罩面的一半被曝光。

这样的方法的优点是，例如可以把骨架用作线圈骨架。通过在曝光时把骨架定向，可以达到通过两个在相对侧进行的曝光步骤覆盖骨架的整个罩面。

此外，如果在曝光时，把骨架定向使得罩面所属的有待曝光平坦表面与所用辐射束的照射方向至少夹40度的角是有利的。

这样的方法的优点是，由此避免了辐射束在光学抗蚀剂上的极平的入射角，不然的话会对有待曝光的抗蚀剂厚会有极大变化的效应。

此外，如果在所述方法中采用直角立体形式的骨架是有利的，其罩面所属侧面之间交棱是圆形的。

采用具有含平坦的端面的罩面的骨架的优点是至少在平坦侧面上充分地达到光学抗蚀剂层和光刻掩模之间变化距离的线性校正。这种掩模结构的线性校正可以容易地进行，因为例如在光刻掩模中光学抗蚀剂层上有待曝光的直角要求掩模表面呈梯形。

在这方面倒圆交棱的优点是可以由此在很大的程度上避免主要在锐利的边缘上出现的裂纹。

此外，本发明方法还可以优选地实施，使得从两侧曝光所述骨架，产生至少绕所述骨架的纵轴一次的导线作为导电结构。由此可以用简单的方式借助本发明的方法制造线圈。

此外，如果在所述方法中采用在其端面上借助于固定接片悬挂在平面的基板上骨架是有利的。把骨架悬挂在基板上使得能够采用最小化的骨架制造相应的小线圈，其中在基板上悬挂方便了处理如此小的骨架。

此外可以采用在其上和下侧不突出所述骨架的平面基板，所述基板能够应用光刻及半导体技术曝光的所有标准工艺以及所有其它必要的方法步骤。

此外如果采用含有多个同时悬挂于其上的骨架的基板，并且如果同时用多个骨架进行根据本发明的方法步骤，是有利的。这样的加工方式使得能够实现能够同时制造多个线圈的“批处理”。

其中，优选地可以用借助于激光被结构化的聚酰亚氨作基板。这里借助于激光进行结构化特别地涉及由平板状的底片形成所述的骨架。聚酰亚氨的优点是，由于其磁导率性能良好而适用于作线圈骨架，此外还容易购买且制造成本低廉。

此外还优选地可以用注模耐高温塑料，例如液晶聚合物或者聚醚酮醚作基板，这两种材料都通过可以采用易于实施且低成本的注模方法制造成具有固定于其上的线圈骨架基板的形式。

所有所述的基板材料都包括具有较高的使用温度的优点，这是在温度＞300℃下进行的焊接加工所必需的。

此外，本发明提出采用所述方法生产微形化的线圈。

下面借助于附图所示的实施例详细地说明本发明。

图1用截面图示出根据本发明在骨架的非平面的表面上实施的举例。

图2示出对于有待曝光的表面7缩小了的掩模面5。

图3A和3B以俯视图和侧视图方式示出实施根据本发明的方法所使用的具有固定接片的线圈骨架。

图4用俯视图示出多个图3所示骨架安排在一个框中。

图5用俯视图示出多个图4所示的框安排在一个基板中。

图6A至6F用示意性纵剖面图示出制造根据本发明方法的导电结构时，图1所示的骨架非平坦表面的平面部分，分别为各个方法步骤完成的阶段。

图7至9示出根据本发明的方法制造的线圈的电气测量数据。

图1示出具有非平面的表面1的骨架8，在所述的表面上以电化学方式沉积有光学抗蚀剂层2。借助于具有发散角δ的辐射束6将具有透明的掩膜面的光刻掩模映射在光学抗蚀剂层2上。其中所述的发散角δ不仅适用于图示平面也适用与之垂直的平面。由于在光学抗蚀剂层2与光刻掩模4之间的距离d差异，要求对于光学抗蚀剂层上的要曝光的面缩小光刻掩模4上的掩盖面。这个处理过程示于作为图1的俯视图的图2中。在骨架8表面上要曝光的矩形的面要求相应地缩小掩模面5，所述掩模面的宽度向外缩小，也就是随着距离d的增加而缩小。从而可以补偿由于所采用的辐射束6的发散度产生的掩盖面5图形的放大，从而达到所希望要曝光的面7。

下面说明采用根据本发明的方法制造线圈。

图3示出用作为线圈骨架的骨架8，所述的骨架8是直角立体，并且具有纵轴9。直角立体的罩面10含有四个矩形，它们互相呈90度交角。交棱以70微米的曲率半径倒圆。在骨架8的二个端面11上把线圈骨架用固定接片13固定在图4所示的框14上。其中所采用的骨架8长度为1毫米，对角线方面上测量的宽度为650微米。

而框14又结合在5所示的基板12上，其中框14安排以蜂窝结构用于提高基板12的机械稳定性。

基板材料选用能经受所有的工艺步骤的聚酰亚氨，例如社邦公司生产的Cyrlex CL3000HN。由于在下面说明的起始金属化是基板与制造工艺的唯一接口，所以该工艺也可以用于所有的允许以足够的附着力在其上进行起始金属化的类似材料上。

基板借助于激光烧蚀用730微米厚的薄膜制造，体积为3英寸×3英寸×730微米。对此图5只是示意性的，特别是有关框14的数量。在此例中采用的基板12含有176个5毫米×5毫米的基本单元，四个这样的基本单元用作调整标记17，如其为双侧光刻工艺所需。

图6A至6F以示意性纵剖面图示出相应的实施制造作为线圈骨架的骨架8的工艺步骤完成后的骨架8的表面。图6A示出骨架8表面上的起始金属化。图6B示出已经在起始金属化15上结构化的光学抗蚀剂2。图6C示出用导电材料3填充了的光学抗蚀剂层2。其中所述的导电材料3可以是电镀的铜。图6D示出制造了光学抗蚀剂层后的骨架8。图6E示出回蚀刻(Rueckaetzen)起始金属化物15后的骨架8。图6F示出在沉积保护钝化16后的骨架8。

下面说明图6A所示的起始金属化。

公知地是以化学方式金属化塑料的标准工艺，其中借助于钯胚层以化学方式沉积约50纳米厚的金属层，接着沉积铜链接。为了电化学沉积抗蚀剂必须把50纳米厚的金属层加厚到200至300纳米，因为不然的话，沉积抗蚀剂不够均匀。

下面说明制造起始金属化的其它可能性。

用DC溅射的方法在基板上沉积200纳米厚的钛层。这层起附着剂的作用。其上用热气相法沉积200纳米厚的铜层，这是真正的所谓光学抗蚀剂和电镀的籽层。这样的金属系统也可以用适当的方法如化学沉积铜层的方法得到。

所述起始金属化的层厚应当在200纳米以上，由此可以在电化学加工中用较高的电流密度处理，从而沉积具有足够均匀性的光学抗蚀剂。此外用较厚的层还可以较好地覆盖侧棱。

下面参照图6说明光学抗蚀剂的涂覆。

在举例的方法中采用Fa.Shipley公司制造的EAGLE2100 ED型可电化学沉积的光学抗蚀剂。然而，也可以使用其它能够进行电化学沉积的适合的光学抗蚀剂。

用常规的涂覆抗蚀剂技术，诸如离心喷涂、浸涂或者溅射只能够达到不充分的均匀性结果。

光学抗蚀剂在达35℃的温度下电化学地沉积。阳极材料采用不锈钢，其中阴极对阳极的面积比约为1。为了达到尽可能高的均匀覆层，用两个对称的阳极在距基板的正面和背面约10厘米处工作，并且连续地搅动电解液。电镀的电流约为300毫安，其中电流可以在宽的范围内变化，并且最终只由起始金属化的电流承受能力限制。电镀过程本身只需要约30秒钟。

由于光学抗蚀剂是绝缘的，在电镀的过程中阴极和阳极之间的电压随着抗蚀剂厚度增加指数地上升。为了防止电解地破坏光学抗蚀剂，把电压限制在180V，并且在约1-5毫安的的最小电流时将电源电解液分开。因此有可能与电镀金属层相反不能够达到任意的层厚。但是抗蚀剂层的厚度以及所述的覆层方法恰好在于这种绝缘的性能上，因为它以自然的方式导致均匀的层厚。抗蚀剂总是优先沉积在抗蚀剂厚度较小的位置上，因为在此位置上电力线梯度较大。

可以通过温度也可以通过用去离子水稀释光学抗蚀剂而影响抗蚀剂层，其中抗蚀剂层达到4微米至25微米厚。在22℃的温度，并且光学抗蚀剂：去离子水＝2∶1地稀释的条件下，抗蚀剂厚度为18±2微米，这对于所述方法是适宜的。

对于平板的基板在循环气流烘箱中用105°软烘10至20分钟是适宜的。通过软烘，一方面从抗蚀剂中驱出水份，另一方面改善对基板的附着。然而由于抗蚀剂会失水收缩，由此在锐利的边棱导致抗蚀剂在区域中以最小的表面弯曲回缩以使本身的表面张力最小。这特别地在覆盖线圈的侧棱时成为问题。

为了达到用光学抗蚀剂覆盖线圈棱，在抗蚀剂覆层与电镀层之间要求不应当有温度阶跃。为此把在105℃测量进行的标准软烘物通过在10-5毫巴的真空中于室温下进行100分钟的硬化。

由于所采用的曝光机镜头在掩模处没有平坦的波前，其发散出一束光，该束光通过一个缝隙落在掩模。所述的发散导致在距离d宽度为b`处构成宽度为b的矩形掩模缝隙，

b`＝b+2×d×tanδ。在常规的平板技术曝光机中光线发散度δ为1度至3度。光线发散可以通过用边长为b和b-γ(γ＝2×d×tanδ)的梯形取代光刻掩模中宽度为b的矩形进行补偿。数值k＝(b-γ)/b是补偿系系数。在此，由Fa.Karl SUSS提供的MA4型曝光机可以用75％的k值进行良好的补偿。

光学抗蚀剂的显影在制造厂商提供的显影池中用40±2℃的温度进行。由于露出的抗蚀剂结构对于机械负荷非常地敏感，所述不论是在显影池还是在去离子水的定影时都要非常轻柔地小心地进行基板运动。

为了防止光学抗蚀剂的收缩并且从而防止光学抗蚀剂接片在边棱上裂纹，在基板定影后不应当干燥而是立即电镀。在电镀铜层之前不需要附加的清洁步骤。

下面参照图6C说明沉积导电材料3。

电镀成形采用Fa.Degussa Galvanotechnik制造的工业设计的电镀池附件铜837。为了达到尽可能均匀地用两个对称的阳极(有效面积5厘米×10厘米)在距基板10厘米处工作。附加地连续地鼓入氮气，以保证足够地离子输运和离子浓度平衡。

在电解液温度22℃和电流密度为20毫安/平方厘米下电镀铜。在底片上的平均的电镀速率约为0.4微米/分钟，但是在小的绕组结构下降低3倍。由于在线圈骨架上的结构大小近于相等，在线圈骨架上可以得到相等均匀的0.1-0.2微米/分钟的电镀速率。

下面说明去除光学抗蚀剂层2以产生图6D中所示的工艺阶段。

光学抗蚀剂结构可以用Fa.Micro Resist technology的MP1165型去除剂去除。如果把去除剂加热到50°可以加速去除。还有一系列其它的有机去除剂可以用于此方面。在此适用有机去除剂，因为它们不腐蚀导线轨道的铜。

在此彻底地去除光学抗蚀剂结构是特别地重要，因为意外留下的阻碍电抛光和氢氟酸的光学抗蚀剂防碍回蚀刻起始金属化。由于此原因，在去除池之后把底片短时地放在氧等离子中并接着在丙酮中煮15分钟。

下面说明回蚀刻起始金属化15以产生图6E中所示的方法阶段。

200纳米厚铜层的起始金属化籽层在电抛光步骤中去除。由此，同时地抛光铜绕组是有利的。采用Fa.Degussa Galvanotechnik提供的6100型电抛光池。

把基板用9.0安培的电流抛光30秒。

200纳米厚的钛层可以在1％的氢氟酸中蚀去。这既不腐蚀铜绕组也不腐蚀聚酰亚氨，因此这个工序是非关键性的。在腐蚀天然氧化钛(1纳米)时反应在约1分钟后放中大量的气体。约3分钟后完全去除钛层。

在电抛光步骤后，化学沉积的起始金属化可以在硫酸(10％体积)和过氧化氢(1％体积)溶液中约10秒钟内去除。

下面说明沉积图6F中所示的保护钝化层。

为了把沉积保护钝化层16也整合进批处理中，应当把线圈或用光敏的聚酰亚氨或用微系统技术中公知的负性光学抗蚀剂SU8加以保护。可以把保护钝化层沉积在整个基板表面上然后接着经过另一个光刻步骤在接触位置及端面上打开。

用以上说明的方法制造四种不同的线圈。线圈06和线圈07的匝数N＝6.8，电感为11.4毫微亨。线圈08的匝数N＝7.6，电感为14.5毫微亨。线圈08的匝数N＝9.2，电感为21.2毫微亨。所述电感是在100MHz的频率下测量的。

图7示出四个线圈的电阻。所有线圈的直流电阻都是约0.5欧姆。从GHz开始电阻急剧地上升。

其中测量曲线72示出线圈11的电阻，测量曲线73示出线圈08的电阻，测量曲线74示出线圈07的电阻，最后测量曲线75示出线圈06的电阻。

图8示出线圈的全部的电感，这是典型在100MHz测量频率下的电感值。其中测量曲线82示出线圈11的电感，测量曲线83示出线圈08的电感，测量曲线84示出线圈07的电感，而测量曲线85示出线圈06的电感，

电感的另一个重要的特性值是品质因数，这是复数阻抗的虚部与实部的比。

图9示出上述方法制造的线圈的品质因数。其中曲线91示出线圈11的品质因数，曲线93示出线圈07和06的品质因数，线圈07和06的品质因数在所选的刻度下不能相互区别开，而曲线92示出线圈08的品质因数。

对于本发明，重要的是采用电化学或化学工艺进行光学抗蚀剂层的沉积，优选地也进行起始金属化。由此在三维表面上特别地在带棱的表面上相对于定向方法，譬如溅射法或气相沉积法而言，所述显示出层均匀性的优势。

本发明不限于所述实施例，而是通过权利要求1以普遍的形式确定。

Claims (16)

1.非平面的表面(1)上产生导电结构的方法，具有以下的步骤：

a)在所述表面(1)上以电化学方式沉积光学抗蚀剂层(2)

b)对部分的光学抗蚀剂层(2)进行曝光

c)通过显影去除部分的光学抗蚀剂层(2)

d)在所述表面(1)从光学抗蚀剂层(2)露出的部分沉积导电材料(3)。

2.如权利要求1所述的方法，其中，以在表面(1)上小于25％变化的层厚沉积光学抗蚀剂层(2)。

3.如权利要求2所述的方法，其中，以10至50微米的层厚沉积光学抗蚀剂层(2)。

4.如权利要求1至3之一所述的方法，其中，在对光学抗蚀剂层(2)曝光时，采用发散度小于10毫弧度的辐射束。

5.如权利要求1至3之一所述的方法，其中，通过借助于发散的辐射束(6)映射具有透明掩模面(5)的光刻掩模(4)来曝光光学抗蚀剂层(2)，并且根据光学抗蚀剂层(2)与光刻掩模(4)之间的距离，相对于在光学抗蚀剂层(2)上的有待曝光的面(7)把掩模面(5)缩小到抵消辐射束(6)发散度产生的掩模面(5)放大的映射。

6.如权利要求5所述的方法，其中，采用具有发散角δ的辐射束(6)，其中为了曝光光学抗蚀剂层(2)在距离d处具有额定宽度b1的表面，采用其距离d处的宽度b2比下式计算宽度b3小10％的掩模面(5)：

                     b3＝b1-2×d×tanδ。

7.如权利要求2至6之一所述的方法，其中，在骨架(8)的非平面的表面上制造导电结构，所述骨架(8)具有一个纵轴(9)、一个罩面(10)和一个端面(11)，其中在进行曝光时，把所述的骨架(8)定向使得至少可以曝光所述罩面(10)的一半。

8.如权利要求7所述的方法，其中，在进行曝光时，把骨架(8)定向，从而使罩面(10)所属的有待曝光的平坦表面(7)与所用辐射束(6)的照射方向至少夹40度的角。

9.如权利要求8所述的方法，其中，采用直角立体形式的骨架(8)，骨架(8)的罩面(10)所属的侧面交棱是倒圆的。

10.如权利要求1至9之一所述的方法，其中，从两侧曝光所述骨架(8)，使之产生至少绕所述骨架(8)纵轴(9)一次的导线轨道作为导电结构。

11.如权利要求10所述的方法，其中，采用在其端面(11)上借助于固定接片(13)悬挂在平面的基板(12)上的骨架(8)。

12.如权利要求3至9之一所述的方法，其中，采用含有多个同时悬挂于其上的骨架(8)的基板(12)，并且同时用多个骨架(8)实施该方法步骤。

13.如权利要求12所述的方法，其中，将聚酰亚氨用作为基板(12)，借助于激光将所述基板(12)结构化。

14.如权利要求12所述的方法，其中，用注模耐高温塑料作基板(12)。

15.如权利要求13至14之一所述的方法，其中，在沉积光学抗蚀剂层(2)之前沉积起始金属化(15)。

16.采用如权利要求1至15之一所述的方法生产微形化的线圈。

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