CN1564280A - 微机电系统磁芯螺线管微电感器件的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种微机电系统磁芯螺线管微电感器件的制备方法，利用微机电系统MEMS技术，对双面氧化的硅片进行处理，得到双面套刻对准符号，以便曝光时提高对准精度，采用物理刻蚀技术去种子层，采用一次电镀连接导体，制备出的微电感器件主要由衬底，引脚，线圈、磁芯组成，矩形或环形闭合的磁芯上对称绕制两组相连的三维立体螺线管线圈，线圈由底层线圈和顶层线圈通过连接导体连接形成，底层线圈、顶层线圈及连接导体通过聚酰亚胺绝缘材料和磁芯隔开。本发明方法避免了湿法刻蚀工艺带来的钻蚀现象，解决了线圈的立体绕线和层间的绝缘问题及高深宽比的电镀问题，使得微电感器件的电感性能大大提高。

Description

微机电系统磁芯螺线管微电感器件的制备方法

技术领域

本发明涉及一种微机电系统(MEMS)磁芯螺线管微电感器件的制备方法，制备的微型化、集成化磁芯微电感器件是实现微型化DC-DC变换器的关键元件，可广泛应用于无线通信、军事/航空航天仪器设备、计算机/外部设备及其它各种便携式电子产品的电源供电器。属于微电子技术领域。

背景技术

近年来小型化便携式电子产品如移动通信产品手机CDMA(Code DivisionMultipleAccess，码分多址)、手提笔记本电脑、网络产品ADSL(AsymmetricalDigital Subscriber Loop，非对称数字用户环线)、微处理器、数码照相机、闪存器件、音响、充电器等越来越受到市场的欢迎和关注。这些便携式电子产品的小型化、微型化，首先要考虑电子元器件的小型化和微型化。磁性器件如电感器件及由它构成的电源变压器、DC-DC变换器、振荡器、滤波器、放大器和调谐器等是电子线路中不可缺少的重要元件，电感器件的微型化及其与电路的集成化是实现电子设备、电子产品小尺寸、重量轻和高性能的关键之一，特别是由磁性薄膜微电感器件构成的微型化DC-DC变换器将广泛应用于各种便携式电子产品如手机CDMA、网络产品ADSL、计算机系统/外部设备如个人笔记本电脑中微处理器的功率传送和DVD等、数字系统如8mm录像机等。一般地讲，常规的电感器件大都采用机械绕线方式在磁芯周围绕制线圈，具有体积大、高重量、成本高及工作频率低(几KHz)等缺点。磁性薄膜微电感器件要求工作频率在1MHz以上，尺寸在2mm以下，采用常规的微电子技术很难在平面衬底上制作高性能的微型化电感器件。近年来，微机电系统(MEMS)技术的迅速发展，特别是以三维非硅材料为主的准-LIGA加工技术成为当前国际上研制微型化多层结构微器件及RF MEMS器件的一种最先进的技术。如Ahn等(C.H.Ahn，Y.J.Kim，M.G.Allen，A Fully Integrated Planar Toroidal Inductor with a MicromachinedNickel-Iron Magnetic Bar，IEEE Trans.Magn.，Vol.17，No.3，1994，pp.463-469.)采用MEMS技术和反应离子刻蚀(RIE)技术，通过电镀铜线圈和铁镍磁芯的方法，研制了尺寸为4mm×1mm的螺线管微电感器件，在10kHz下电感量为0.4μH。由于在制作过程中使用化学湿法刻蚀底层，不可避免给线圈带来钻蚀现象。而且在制造过程中，作者使用的绝缘材料固化温度高达350℃，将给线圈和磁芯的性能产生影响，因此难以获得高性能的微电感器件。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中的不足及市场需求，提出一种微机电系统磁芯螺线管微电感器件的制备方法，使得到的微电感器件具有低电阻、高电感量、高品质因子以及高效率、低损耗的特点。

为实现这样的目的，本发明利用微机电系统MEMS技术，对双面氧化的硅片进行处理，得到双面套刻对准符号，以便曝光时提高对准精度，采用物理刻蚀技术去种子层，避免湿法刻蚀工艺带来的钻蚀现象，采用一次电镀连接导体方法，有效解决现有技术中电镀连接导体出现的高深宽比的问题，制备出高品质的微型化磁芯螺线管微电感器件。

本发明的微电感器件主要由衬底，引脚，线圈、磁芯组成，矩形或环形闭合的磁芯上对称绕制两组相连的三维立体螺线管线圈，线圈及引脚设置在衬底平面上。线圈由底层线圈和顶层线圈通过连接导体连接形成，底层线圈、顶层线圈及连接导体通过聚酰亚胺绝缘材料和磁芯隔开，线圈与线圈之间通过聚酰亚胺绝缘材料隔开。

本发明的底层线圈和顶层线圈的宽度为15～25μm，每一匝的导体厚度为5～20μm，各匝之间的间距为15～25μm，匝数为3842匝。

本发明连接导体的空间形状为四棱柱体，厚度为40～70μm。

磁芯材料为电镀的软磁材料如坡莫合金，厚度为20～40μm。

聚酰亚胺绝缘材料不仅绝缘磁芯和上、下层线圈，而且起支撑平台的作用。

本发明制造MEMS磁芯螺线管微电感器件的工艺具体如下：

1、在清洗处理过的双面氧化的硅片衬底双面甩正胶AZ4000系列，光刻胶厚度为5μm，然后将光刻胶烘干；将硅片底面经曝光、显影后，在腐蚀液里刻蚀二氧化硅，最后用丙酮去除所有的光刻胶，得到双面套刻对准符号。

2、在硅片的上面淀积Cr/Cu底层线圈种子层，厚度为100nm。下面工艺均在此面上进行。

3、甩正胶，光刻胶厚度为8μm，将衬底基片上的光刻胶烘干；曝光、显影后得到底层电镀连接导线图形；物理刻蚀底层后去光刻胶，得到底层电镀连接导线。

4、甩正胶，光刻胶厚度为20μm，然后将光刻胶烘干；曝光、显影后得到底层线圈图形；最后电镀底层线圈，厚度为20μm，电镀材料为铜。

5、甩正胶，光刻胶的厚度为10μm，然后将光刻胶烘干；曝光、显影后得到引脚的图形；最后电镀引脚，厚度为10μm，电镀材料为铜。

6、用丙酮去除所有的光刻胶后；然后甩聚酰亚胺、固化及抛光，聚酰亚胺厚度为40μm，烘干工艺为120～200℃之间分段保温3小时，然后于250℃氩气气氛下固化2小时，最后随炉冷却；抛光聚酰亚胺，保留底层线圈与磁芯的绝缘层为10μm。

7、溅射NiFe磁芯种子层，厚度为100nm；甩正胶，光刻胶厚度为30μm，然后将光刻胶烘干；曝光与显影后，得到磁芯图形；最后电镀磁芯，厚度为30μm，材料为坡莫合金。

8、用丙酮去除所有的光刻胶后，用物理刻蚀方法刻蚀NiFe磁芯种子层。

9、甩聚酰亚胺、固化及抛光，聚酰亚胺厚度为60μm，烘干工艺为120～200℃之间分段保温3小时，最后于250℃氩气气氛下固化2小时，最后随炉冷却；抛光聚酰亚胺，保留顶层线圈与磁芯的绝缘层为10μm。

10、蒸发铝膜，厚度为300nm；甩正胶，光刻胶厚度为8μm，然后将光刻胶烘干；曝光与显影后，用化学方法刻蚀铝膜，然后用丙酮去除所有的光刻胶后，得到刻蚀连接导体图形窗口；用铝膜作掩膜，反应离子(RIE)刻蚀聚酰亚胺，一直刻蚀到底层线圈的铜连接导体为止；最后电镀连接导体，厚度为50μm，电镀材料为铜。

11、用物理刻蚀方法刻蚀铝膜。

12、溅射Cr/Cu顶层线圈种子层，厚度为100nm；甩正胶，光刻胶厚度为20μm，然后将光刻胶烘干；曝光与显影后，得到顶层线圈的图形；最后电镀顶层线圈，厚度为20μm，电镀材料为铜。

13、用丙酮去除光刻胶后，用物理刻蚀方法刻蚀Cr/Cu顶层线圈种子层。

14、甩聚酰亚胺、固化及抛光，聚酰亚胺厚度为40μm，烘干工艺为120～200℃之间分段保温3小时，然后于250℃氩气气氛下固化2小时，最后随炉冷却；抛光聚酰亚胺，直到顶层线圈暴露为止。

15、蒸发顶层铝膜，厚度为300nm；甩正胶，光刻胶厚度为8μm，然后将光刻胶烘干；曝光与显影后，用化学方法刻蚀顶层铝膜，然后用丙酮去除所有的光刻胶后，得到用RIE刻蚀底层引脚图形及周边聚酰亚胺的窗口；用顶层铝膜作掩膜，反应离子(RIE)刻蚀聚酰亚胺，一直刻蚀到引脚及底层电镀连接导线暴露为止。

16、用物理刻蚀方法刻蚀顶层铝膜和顶层线圈Cr/Cu种子层，最终得到磁芯螺线管微电感器件。

本发明方法中，甩聚酰亚胺时先低速800转维持10秒，再快速2000转维持30秒，然后进行烘干、固化。

本发明与现有技术相比，具有以下有益的效果：

(1)本发明避免了采用湿法刻蚀Cr/Cu种子层，而采用物理方法刻蚀种子层，消除了湿法刻蚀中出现的钻蚀现象，可得到线圈均匀的导体；

(2)本发明采用双面套刻技术，大大提高了光刻的精度；

(3)本发明采用一次电镀连接导体，有效解决了现有技术中电镀连接导体出现的高深宽体的问题；

(4)本发明采用聚酰亚胺作绝缘层，有效解决了磁芯与底层线圈和顶层线圈以及连接导体与磁芯之间的绝缘问题。

(5)本发明对聚酰亚胺绝缘层采用抛光技术，提高了基片的平整性，很好地解决了连接导体和线圈之间连接出现断路的问题。

附图说明

图1为本发明的微电感器件结构示意图。图1中，1为衬底，2为引脚，3为线圈，4为磁芯。

图2为图1结构沿A-A方向剖示图。图2中，1为衬底，4为磁芯，5为底层线圈，6为聚酰亚胺绝缘材料，7为连接体，8为顶层线圈。

图3为本发明方法步骤1中甩正胶、曝光、显影工艺示意图。图3中，1为衬底；9为正胶。

图4为步骤1中刻蚀SiO₂及去光刻胶工艺示意图。图4中，10为套刻图形。

图5为步骤2，4中淀积Cr/Cu，甩正胶、曝光、显影，电镀底层线圈工艺示意图。图5中，5为底层线圈，11为Cr/Cu底层线圈种子层；12为正胶。

图6为步骤5中甩正胶、曝光、显影，电镀引脚工艺示意图。图6中，2为引脚；13为正胶。

图7为步骤6中去正胶，聚酰亚胺固化及抛光工艺示意图。图7中，6为聚酰亚胺。

图8为步骤7中沉积NiFe，甩正胶，曝光、显影，电镀工艺示意图。图8中，4为磁芯；14为NiFe磁芯种子层；15为正胶。

图9为步骤8～9中去正胶及NiFe种子层，聚酰亚胺固化及抛光工艺示意图。图9中，6为聚酰亚胺。

图10为步骤10蒸发铝膜，甩正胶，曝光、显影，  RIE刻蚀聚酰亚胺工艺示意图。图10中，16为铝膜；17为正胶；18为刻蚀窗口。

图11为步骤10～11中电镀连接体，去铝膜工艺示意图。图11中，7为连接体。

图12为步骤12中溅射Cr/Cu，甩正胶，曝光、显影，电镀顶层线圈工艺示意图。图12中，8为顶层线圈；19为Cr/Cu层；20为正胶。

图13为步骤13～14中去正胶及底层，聚酰亚胺固化及抛光工艺示意图。图13中，6为聚酰亚胺。

图14为步骤15中蒸发顶层铝膜，甩正胶、曝光、显影，RIE刻蚀聚酰亚胺工艺示意图。图14中，21为顶层铝膜；22为正胶。

图15为步骤16中去正胶，刻蚀顶层铝膜及底层工艺示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体结构作进一步的描述。

本发明的微电感器件结构如图1所示，由衬底1，引脚2，螺线管线圈3、磁芯4组成，螺线管线圈3以衬底1为基础，矩形闭合的磁芯4周围对称绕制两组相连的三维立体螺线管线圈3，螺线管线圈3的两端连接引脚2。

图2为图1结构沿A-A方向剖示图，显示了本发明螺线管线圈3处的纵向立体结构。如图2所示，在衬底1的平面上设置底层线圈5，磁芯4周围绕制三维立体螺线管线圈3，螺线管线圈3由底层线圈5、顶层线圈8通过连接导体7连接形成，底层线圈5、顶层线圈8、连接导体7均通过聚酰亚胺绝缘材料6与磁芯4隔开。

连接导体7的空间形状为四棱柱体，高度为50μm。

线圈3的形状为螺线管型，每一匝导体的宽度为20μm，厚度为20μm，各匝之间的间隔为20μm，匝数为42匝。

图3～15给出了上述MEMS磁芯螺线管微电感器件的研制工艺，具体的讲：(1)在清洗处理过的双面氧化的衬底1上双面甩正胶AZ4000系列，光刻胶9，如图3所示，光刻胶的厚度为5μm，将光刻胶烘干，烘干的温度为95℃，时间为1小时；单面曝光、显影后，在腐蚀液里刻蚀二氧化硅，去光刻胶9，得到如图4所示的双面套刻对准图形10；(2)在硅片的上面淀积Cr/Cu底层线圈种子层11，如图5所示，厚度为100nm；(3)甩正胶，光刻胶厚度为5μm，将衬底基片烘干，烘干的温度为95℃，烘干时间为1小时；曝光、显影后得到底层电镀连接导线图形；然后物理刻蚀底层，最后用丙酮将光刻胶去除，得到底层电镀连接导线；(4)甩正胶12，如图5所示，光刻胶厚度为20μm，将衬底基片烘干，烘干的温度为90℃，烘干时间为2小时；曝光、显影后得到底层线圈图形；最后电镀底层线圈5，厚度为20μm，电镀材料为铜；(5)甩正胶13，如图6所示，光刻胶的厚度为10μm，烘干温度为95℃，时间为1小时；曝光、显影后得到引脚的图形；电镀引脚2，厚度为10μm，电镀材料为铜；(6)用丙酮去除正胶12、13；然后甩聚酰亚胺6，固化及抛光，如图7所示，聚酰亚胺厚度为40μm，烘干工艺为120℃、150℃、180℃各1小时，然后于250℃氩气气氛下固化2小时，最后随炉冷却；抛光聚酰亚胺6，保留底层线圈5与磁芯4的绝缘层为10μm；(7)溅射NiFe磁芯种子层14，如图8所示，厚度为100nm；甩正胶15，光刻胶厚度为30μm，烘干温度为90℃，时间为2小时；曝光与显影后，得到磁芯图形；电镀磁芯4，厚度为30μm，材料为坡莫合金；(8)用丙酮去除光刻胶15后，用物理刻蚀方法刻蚀NiFe磁芯种子层14；(9)甩聚酰亚胺6，固化及抛光，如图9所示，聚酰亚胺厚度为60μm，烘干工艺为120℃、150℃，180℃各1小时，然后于250℃氩气气氛下固化2小时，最后随炉冷却；抛光聚酰亚胺6，保留如图2所示的顶层线圈8与磁芯4的绝缘层为10μm；(10)蒸发铝膜16，如图10所示，厚度为300nm；甩正胶17，光刻胶厚度为8μm，烘干温度为95℃，时间为1小时；曝光与显影后，用化学方法刻蚀铝膜16，最后用丙酮去除光刻胶17，得到连接导体图形窗口18，用铝膜作掩膜，反应离子(RIE)刻蚀聚酰亚胺6，一直刻蚀到底层的连接导体7；最后电镀连接导体7，如图11所示，厚度为50μm，电镀材料为铜；(11)用物理刻蚀方法刻蚀铝膜16；(12)溅射Cr/Cu顶层线圈种子层19，如图12所示，厚度为100nm；甩正胶20，光刻胶厚度为20μm，烘干温度为90℃，时间为2小时；曝光与显影后，得到顶层线圈的图形；最后电镀顶层线圈8，厚度为20μm，电镀材料为铜；(13)用丙酮去除光刻胶20后，用物理刻蚀方法刻蚀Cr/Cu顶层线圈种子层19；(14)甩聚酰亚胺6，固化及抛光，如图13所示，聚酰亚胺厚度为40μm，烘干工艺为120℃、150℃，180℃各1小时，然后于250℃氩气气氛下固化2小时，最后随炉冷却；抛光聚酰亚胺6，直到顶层线圈8暴露为止；(15)蒸发顶层铝膜21，如图14所示，厚度为300nm；甩正胶22，光刻胶厚度为8μm，烘干温度为95℃，1小时；曝光与显影后，用化学方法刻蚀顶层铝膜21，用丙酮去除光刻胶22，得到用RIE刻蚀底层引脚图形及周边聚酰亚胺的窗口；最后用顶层铝膜21作掩膜，反应离子(RIE)刻蚀聚酰亚胺6，一直刻蚀到引脚2及底层电镀连接导线暴露为止；(16)用物理刻蚀方法刻蚀顶层铝膜21和Cr/Cu底层线圈种子层11，最终得到如图15所示的磁芯螺线管微电感器件。

实施例中，甩聚酰亚胺时先低速800转维持10秒，再快速2000转维持30秒，然后进行烘干、固化。

Claims (5)

1、一种微机电系统磁芯螺线管微电感器件的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

1)在清洗处理过的双面氧化硅片衬底上面甩正胶，光刻胶厚度为5μm，然后将光刻胶烘干；硅片底面经曝光、显影后，刻蚀二氧化硅，去光刻胶，得到双面套刻对准符号(10)；

2)在硅片的上面淀积Cr/Cu底层线圈种子层(11)，厚度为100nm；

3)甩正胶，光刻胶厚度为5μm，将衬底基片烘干；曝光、显影后得到底层电镀连接导线图形；然后物理刻蚀底层，最后用丙酮将光刻胶去除，得到底层电镀连接导线；

4)甩正胶，光刻胶厚度为20μm，将衬底基片烘干；曝光、显影后得到底层线圈图形；最后电镀底层线圈(5)，厚度为20μm，电镀材料为铜；

5)甩正胶，光刻胶的厚度为10μm，然后将光刻胶烘干；曝光、显影后得到引脚的图形；电镀引脚(2)，厚度为10μm，电镀材料为铜；

6)用丙酮去除光刻胶；然后甩聚酰亚胺(6)，厚度为40μm，烘干工艺为120℃、150℃、180℃各1小时，然后于250℃氩气气氛下固化2小时，最后随炉冷却；抛光聚酰亚胺(6)，保留底层线圈(5)与磁芯(4)的绝缘层为10μm；

7)溅射NiFe磁芯种子层(14)，厚度为100nm；甩正胶，光刻胶厚度为30μm，将光刻胶烘干；曝光与显影后，得到磁芯图形；电镀磁芯(4)，厚度为30μm，材料为坡莫合金；

8)用丙酮去除光刻胶后，用物理刻蚀方法刻蚀NiFe磁芯种子层(14)；

9)甩聚酰亚胺(6)，厚度为60μm，烘干工艺为120℃、150℃，180℃各1小时，然后于250℃氩气气氛下固化2小时，最后随炉冷却；抛光聚酰亚胺(6)，保留顶层线圈(8)与磁芯(4)的绝缘层为10μm；

10)蒸发铝膜(16)，厚度为300nm；甩正胶，光刻胶厚度为8μm，将光刻胶烘干；曝光与显影后，用化学方法刻蚀铝膜(16)，最后用丙酮去除光刻胶，得到连接导体图形窗口；用铝膜作掩膜，反应离子(RIE)刻蚀聚酰亚胺(6)，一直刻蚀到底层的连接导体(7)；最后电镀连接导体(7)，厚度为50μm，电镀材料为铜；

11)用物理刻蚀方法刻蚀铝膜(16)；

12)溅射Cr/Cu顶层线圈种子层(19)，厚度为100nm；甩正胶，光刻胶厚度为20μm，将光刻胶烘干；曝光与显影后，得到顶层线圈的图形；最后电镀顶层线圈(8)，厚度为20μm，电镀材料为铜；

13)用丙酮去除光刻胶后，用物理刻蚀方法刻蚀Cr/Cu顶层线圈种子层(19)；

14)甩聚酰亚胺(6)，固化及抛光，聚酰亚胺厚度为40μm，烘干工艺为120℃、150℃，180℃各1小时，然后于250℃氩气气氛下固化2小时，最后随炉冷却；抛光聚酰亚胺(6)，直到顶层线圈(8)暴露为止；

15)蒸发顶层铝膜(21)，厚度为300nm；甩正胶，光刻胶厚度为8μm，将光刻胶烘干；曝光与显影后，用化学方法刻蚀顶层铝膜(21)，用丙酮去除光刻胶，得到用RIE刻蚀底层引脚图形及周边聚酰亚胺的窗口；最后用顶层铝膜(21)作掩膜，反应离子(RIE)刻蚀聚酰亚胺(6)，一直刻蚀到引脚(2)及底层电镀连接导线暴露为止；

16)用物理刻蚀方法刻蚀顶层铝膜(21)和Cr/Cu底层线圈种子层(11)，最终得到磁芯螺线管微电感器件。

2、如权利要求1的微型化磁芯螺线管微电感器件的制备方法，其特征在于甩聚酰亚胺时先低速800转维持10秒，再快速2000转维持30秒，然后进行烘干、固化。

3、一种采用权利要求1的方法制备的微型化磁芯螺线管微电感器件，其特征在于包括衬底(1)、引脚(2)、线圈(3)、磁芯(4)，矩形或环形闭合的磁芯(4)上对称绕制两组相连的三维立体螺线管线圈(3)，线圈(3)以衬底(1)为基础，由底层线圈(5)、顶层线圈(8)通过连接导体(7)连接形成，线圈(3)的两端连接引脚(2)，线圈(3)的底层线圈(5)、顶层线圈(8)、连接导体(7)均通过聚酰亚胺绝缘材料(6)与磁芯(4)隔开。

4、如权利要求3的微型化磁芯螺线管微电感器件，其特征在于所述线圈(3)每一匝导体的宽度为20μm，厚度为20μm，各匝之间的间隔为20μm，匝数为42匝。

5、如权利要求3的微型化磁芯螺线管微电感器件，其特征在于所述磁芯(4)材料为坡莫合金，厚度为30μm。

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