CN1773675A - 射频电感的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种射频电感的制备方法，属于电感加工技术领域。该方法包括：首先以绝缘体作为衬底，在衬底上制作金属电极，在硅片上刻出锚点，然后通过该锚点将硅片和衬底键合，硅片和绝缘体键合后，采用感应耦合等离子体刻蚀、释放电感螺线结构，最后对电感施加无电镀铜，降低寄生电阻。本发明以被无电镀金属镀层包裹的单晶硅螺线结构悬空在绝缘衬底上构成电感，结构简单、寄生效应小、且流程成熟、简单、易于控制、电感制造周期较短。

Description

射频电感的制备方法

技术领域

本发明属于电感加工技术领域，具体涉及一种射频MEMS电感的制备方法。

背景技术

在RF电路中，具有高品质因数(Q)和低损耗的电感元件对电路性能的提高有重要的直接影响。采用CMOS双层多晶硅技术制备的电感的Q的提高受到了衬底损耗、电感寄生电阻损耗等的限制。2000年美国康奈尔大学提出了采用MEMS技术制备的高Q悬挂电感，以高阻硅作为衬底2、以多晶硅制成螺线结构3，同时采用无电镀铜技术降低电感的寄生电阻，达到了相当高的Q值。如图1所示。但是其制备工艺复杂，Q的提高幅度有限，并且不能消除衬底损耗及有效减小相关寄生因素的影响。

发明内容

本发明克服了上述制备工艺复杂、不能消除衬底损耗的缺陷，提供一种射频MEMS电感的制备方法。

一种射频电感的制备方法，步骤包括：

(1)以绝缘体作为衬底，在衬底上制作金属电极；

(2)在硅片上刻出锚点，通过该锚点将硅片和衬底键合，硅片和绝缘体键合后，采用感应耦合等离子体刻蚀、释放单晶硅螺线结构，螺线结构悬空在绝缘衬底上；

(3)对电感施加无电镀铜，降低寄生电阻。

衬底采用玻璃、陶瓷等绝缘材料。

所述硅片为双面抛光重掺杂(电阻率0.01Ω·cm以上)(100)、(110)单晶硅片。

所述无电镀铜的工艺步骤包括：

(1)镀前的预处理：用H₂SO₄+H₂O₂清洗及氧等离子体轰击电感螺线结构；

(2)激活处理：在电感螺线结构和金属电极上包裹一层作为催化中心的钯微粒或晶籽层；

(3)激活处理后的电感用去离子水清洗后立即放入镀铜液中进行无电镀铜。镀铜溶液可包括：氧化剂——五水硫酸铜；络合剂——乙二胺四乙酸(EDTA)；稳定剂——二二联吡叮；表面活性剂——RE-610，其质量比为5∶15∶0.025∶0.0024。

进一步，在铜镀层外再无电镀一薄层镍镀层，无电镀镍溶液包括：氧化剂——六水硫酸镍；还原剂——次磷酸钠；络合剂——柠檬酸钠，其质量比为19∶20∶20。

所述在衬底上制作金属电极的工艺步骤可包括：

(1)光刻及腐蚀玻璃衬底；

(2)在玻璃衬底上溅射Ti/Pt/Au，形成金属引线。

所述制备电感螺线结构的工艺步骤可包括：

(1)光刻及ICP刻蚀硅片表面得到锚点，锚点高度为2～15微米；

(2)硅片和衬底键合；

(3)KOH腐蚀减薄硅片到约10～100微米；

(4)光刻硅片得到平面螺线结构掩模，ICP刻蚀释放结构。

配置镀铜溶液的步骤可包括：

(1)按照镀铜溶液配比，将五水硫酸铜和乙二胺四乙酸分别配成溶液后混合，并调整PH值至12-13；

(2)将二二联吡叮和RE-610分别倒入五水硫酸铜和乙二胺四乙酸的混合溶液中；

(3)加入还原剂甲醛，并加热溶液至50℃-80℃。

配置镀镍溶液的步骤可包括：

(1)按照镀铜溶液配比，将六水硫酸镍和柠檬酸钠分别配成溶液后混合；

(2)取次磷酸钠配成溶液后倒入六水硫酸镍和柠檬酸钠的混合溶液中；

(3)滴加稀氨水以调整PH值至7-8，加热溶液至50℃-80℃。

本发明的技术效果：本发明以被无电镀金属镀层包裹的单晶硅螺线结构悬空在绝缘衬底上构成电感，结构简单，寄生效应小。其中螺线结构为单晶硅，可以方便调节螺线结构厚度；由于衬底为绝缘体(如玻璃)，且单晶硅螺线结构悬浮在衬底上的高度也可以方便地调节，所以衬底中的寄生效应(如涡流等)可以基本消除。电感的整套工艺只需三次光刻，工艺流程成熟、简单，易于控制，电感制造周期较短。该电感的性能参数可以通过改变电感制作版图的结构参数而得到调整，比如Q最大值对应的频率点可以通过改变电感制作版图的结构参数(如螺线形状、圈数、中心间距、螺线宽度、螺线间距、螺线结构自身厚度、螺线结构与衬底之间的间距等)而调整到应用所需频率。该电感还可以与其它无源或有源器件集成在一起应用在射频电路中，达到微型化、低成本，具有广阔的市场前景和可观的经济效益。

本发明与无电镀铜镍技术相结合，在单晶硅螺线结构四周包裹上复合金属镀层，可大大降低电感的寄生电阻，提高电感的导电性，使得电感的Q在一定的频率下达到了很高的值，同时电感值也比较高。

附图说明

下面结合附图，对本发明做出详细描述。

图1为现有电感的结构示意图；

图2为本发明电感结构的截面示意图；

图3为本发明电感结构的俯视图；

图4为本发明电感的硅表面铜镀层；

图5-a为本发明电感的电感值；

图5-b为本发明电感的Q随频率的变化曲线；

图6-a为铜镀层厚度不同的两个本发明电感的电感值

图6-b为铜镀层厚度不同的两个本发明电感的Q随频率的变化曲线；

图7为本发明电感的工艺流程图；

图8为本发明电感的显微镜照片。

具体实施方式

参考图2、图3，本发明制备的电感是以绝缘体玻璃作为衬底2，高掺杂的单晶硅螺线结构3通过锚点1与衬底结合，螺线结构3表面被无电镀镀层包裹。衬底也可以采用其它的绝缘体，如陶瓷等，以基本消除寄生效应。本发明的工艺步骤包括：(1)双端电感的电极4从玻璃衬底2上引出，采用Ti/Pt/Au合金作为金属引线，重掺杂的单晶硅锚点与此合金可以形成良好的电接触；(2)选用双面抛光的重掺杂(电阻率0.01Ω·cm以上)(100)、(110)单晶硅片制备螺线结构，首先在硅片的某一表面刻出锚点图形，硅片通过锚点和玻璃键合在一起，在硅玻璃键合之后采用感应耦合等离子体(ICP)深刻蚀形成并释放平面螺线结构，锚点的高度即螺线结构底端与玻璃衬底的间距，增大这个间距可以降低可能的寄生电容，但同时会影响结构的稳定性，通常此间距范围在2～15微米。单晶硅螺线结构的厚度范围在约10～100微米。(3)施行无电镀铜。无电镀铜的基本原理是：电感的表面具有催化活性后，放置在镀铜溶液中，由还原剂将铜离子还原沉积在电感表面上形成金属铜层。无电镀铜的工艺步骤有三：镀前的预处理，激活，无电镀铜。镀前的预处理主要用H₂SO₄+H₂O₂清洗及氧等离子体轰击电感结构，这一方面是为了去除表面残余的有机物，另一方面是为了使尚存的光滑单晶硅表面一定程度的粗糙化。经过去离子水清洗的电感应立即放入激活液中。常用的激活液是氯化钯(0.1～3g/L)和氢氟酸溶液(体积比10％～30％)。激活具有选择性和保形性，即仅在硅基体和金属表面包裹一层作为催化中心的钯微粒或晶籽层，绝缘体如玻璃表面则不会形成催化中心。激活后的电感用去离子水清洗后应立即放入镀铜液中。无电镀铜溶液的工艺配方为：氧化剂——五水硫酸铜；络合剂——乙二胺四乙酸(EDTA)；稳定剂——二二联吡叮；表面活性剂——RE-610，其质量比为5∶15∶0.025∶0.0024。还原剂——甲醛，一般每1mol五水硫酸铜，需要甲醛200～300ml。还要用氢氧化钾来调整pH值至12～13。工作温度为50～80摄氏度(℃)。参考图4，无电镀铜也具有选择性和保形性。

由于铜在空气中易被氧化，而且用于射频测量的网络分析仪的探针不可直接接触铜镀层，故需要对铜镀层进行保护。本发明在工艺中采用在铜镀层外再无电镀一薄层镍镀层的办法来对铜镀层加以保护。无电镀铜之后仍需激活才可无电镀镍，激活的配方及步骤同前。无电镀镍的基本原理及工艺步骤与无电镀铜的基本相似。无电镀镍溶液的工艺配方为：氧化剂——六水硫酸镍；还原剂——次磷酸钠；络合剂——柠檬酸钠，其质量比为19∶20∶20。还要用氨水来调整pH值到7-8。工作温度为50～80℃。对铜层的保护，除了采用镀镍的方法，也可以采用使用有机物(如C¹⁸OTS等)的方法。

无电镀的实验设备如下：盛放激活液的微波烹饪锅(2升)，分别盛放镀铜液和镀镍液的大容量(如3升)玻璃烧杯两个，teflon漏勺三把，盛去离子水的烧杯，水浴锅，温度计，量筒，石英烧杯，PH试纸和天平等。

无电镀所需溶液的配置如下：

1)配置激活液：按照前述配方，取氢氟酸(HF)溶液倒入微波烹饪锅中，用天平称量氯化钯(P_dCl₂)，直接倒入HF溶液中，形成激活液。

2)配置镀铜液：按照前述配方，用天平分别称取五水硫酸铜，EDTA，分别配成溶液后混合。取一定量氢氧化钾，配成溶液，加入上述溶液中，调整PH值至12～13。把此溶液倒入大容量玻璃烧杯中，加去离子水接近至所需体积。用精密天平称量二二联吡叮和RE-610，二二联吡叮直接加入上述溶液中，RE-610先配成溶液，然后倒入上述溶液中。称量所需甲醛，倒入上述溶液中。用水浴锅加热溶液到50～80℃。

3)配置镀镍液：按照前述配方，用天平称量六水硫酸镍，配成溶液。再取柠檬酸钠，配成溶液。把柠檬酸钠溶液倒入硫酸镍溶液中。取次磷酸钠，配成溶液，倒入上述溶液中。把此溶液倒入大容量玻璃烧杯中，加去离子水接近至所需体积。滴加稀氨水溶液以调整pH值到7-8。用水浴锅加热溶液到50～80℃。

采用网络分析仪对新型电感的性能进行了测试分析，结论如下：

第一、无电镀对电感特性的影响。无电镀之前电感的电感值和Q均小于零，说明寄生电容的影响掩盖了电感特性。无电镀之后电感值在12GHz之前保持在4nH，Q的最大值在9GHz时达到27，自谐振频率达到15GHz。图5-a，图5-b中示出了电感的电感值和Q随频率的变化曲线。可见无电镀之后电感性能得到充分表现或说很大提高。

第二、铜镀层厚度对电感特性的影响。铜镀层的厚度对电感值和自谐振频率的影响较小，而对Q值影响较大。铜越厚，寄生电阻越小，Q越高。图6-a，图6-b中比较了铜镀层厚度不同的两个新型电感的电感值和Q随频率的变化曲线。

第三、镍镀层厚度对电感性能的影响。对铜镀层的厚度基本一致而镍镀层厚度不同的两个新型电感的测试结果进行分析表明，镍镀层较厚的情况下，电流在铜镍交界处的扰动较大。因此在能够有效保护铜镀层，以及保证测试探针与镍镀层实现良好接触的前提下，应尽量无电镀较薄的镍层，而无电镀较厚的铜层。

参考图7，本发明制备工艺具体实现如下：(a)光刻及腐蚀玻璃2衬底1300；(b)在玻璃衬底2上溅射Ti/Pt/Au 300/500/1300以得到金属引线4；(c)光刻及ICP刻蚀硅片5表面以得到与玻璃键合的锚点1，锚点高度2～15微米；(d)硅片5和玻璃2键合；(e)KOH腐蚀减薄硅片5到约10～100微米；(f)光刻硅片5得到平面螺线结构掩模，ICP刻蚀释放结构，然后裂片。电感平面螺线结构3的中心间距为几十至几百微米，螺旋线宽为几至几十微米，螺旋线间距为几至上百微米，圈数为1.5圈以上。

新型电感的螺线结构制作完成后，进行无电镀。步骤如下：

1.电感镀前预处理。取一个石英烧杯，倒入少量的硫酸，再加入少量H₂Q₂，体积比约为5∶1，加入后溶液沸腾。把放在漏勺A中的待镀电感立即放入沸腾的溶液中，时间为2～10分钟。取出后放入一个盛满去离子水的烧杯中清洗干净。氧等离子体轰击电感结构。必要时可在清洗后取出在显微镜下观察表面是否洁净。

2.激活电感上待镀表面。用镊子把放在漏勺A中的待镀电感取出直接放入漏勺B，再把漏勺B放到存有激活液的微波烹饪锅中。激活时间根据需要选定，范围在30秒～5分钟。激活后取出漏勺B并放入一个盛满去离子水的烧杯中清洗。

3.无电镀铜。用镊子把放在漏勺B中的待镀电感取出直接放入漏勺C，再把漏勺C放入铜镀液(水浴加热)中镀铜。无电镀铜的时间根据需要选定，范围在几分钟到几十分钟之间，所得镀层的厚度范围是几千埃到几个微米。无电镀铜后取出漏勺C并放入一个盛满去离子水的烧杯中清洗一遍。图8所示为镀铜后的电感。

4.无电镀镍前的激活处理。用镊子把放在漏勺C中的待镀电感取出直接放入漏勺B，再把漏勺B放到微波烹饪锅中。激活处理时间根据需要选定，范围在30秒～2分钟。激活处理后取出漏勺B并放入一个盛满去离子水的烧杯中清洗一遍。

5.无电镀镍。用镊子把放在漏勺B中的待镀电感取出直接放入清洗过的漏勺A，再把漏勺A放入镍镀液(水浴加热)中镀镍。无电镀镍的时间根据需要选定，大约为1～3分钟。无电镀镍后取出漏勺A并放入一个盛满去离子水的烧杯中清洗干净。

最后用镊子取出电感放在干净滤纸上烘干。高掺杂的单晶硅螺线结构通过锚点与衬底结合，单晶硅螺线结构与玻璃衬底间保持一定间距，这有助于降低可能的寄生电容，减小衬底损耗。螺线结构表面被无电镀镀层包裹。根据应用需要可以选择不同的结构参数例如螺线形状(如方形、圆形、多边形等)、螺线圈数(直接决定了电感值)、螺旋中心间距、螺线宽度、螺线间距、螺线结构自身厚度、螺线结构与衬底之间的间距等以得到不同的电感值和自谐振频率。

除电感外，本发明还可用于制备电容等其它无源元器件。

Claims (10)

1、一种射频电感的制备方法，步骤包括：

(1)以绝缘体作为衬底，在衬底上制作金属电极；

(2)在硅片上刻出锚点，通过该锚点将硅片和衬底键合，硅片和绝缘体键合后，采用感应耦合等离子体刻蚀、释放螺线结构，电感螺线结构悬空在衬底上；

(3)对电感施加无电镀铜，降低寄生电阻。

2、如权利要求1所述的射频电感制备方法，其特征在于：衬底采用玻璃、陶瓷等绝缘材料。

3、如权利要求1或2所述的射频电感制备方法，其特征在于：所述硅片为双面抛光重掺杂(电阻率0.01Ω·cm以上)(100)、(110)单晶硅片。

4、如权利要求1所述的射频电感制备方法，其特征在于：所述无电镀铜的工艺步骤包括：

(1)镀前的预处理：用H₂SO₄+H₂O₂清洗及氧等离子体轰击电感螺线结构；

(2)激活处理：在电感螺线结构和金属电极上包裹一层作为催化中心的钯微粒或晶籽层；

(3)激活处理后的电感用去离子水清洗后立即放入镀铜液中进行无电镀铜。

5、如权利要求4所述的射频电感制备方法，其特征在于：镀铜溶液为：氧化剂——五水硫酸铜；络合剂——乙二胺四乙酸；稳定剂——二二联吡叮；表面活性剂——RE-610，其质量比为5∶15∶0.025∶0.0024。

6、如权利要求4或5所述的射频电感制备方法，其特征在于：在铜镀层外再无电镀一薄层镍镀层，其工艺步骤与无电镀铜相同，无电镀镍溶液包括：氧化剂——六水硫酸镍；还原剂——次磷酸钠；络合剂——柠檬酸钠，其质量比为19∶20∶20。

7、如权利要求1所述的射频电感制备方法，其特征在于：所述在衬底上制作金属电极的工艺步骤包括：

(1)光刻及腐蚀玻璃衬底；

(2)在玻璃衬底上溅射Ti/Pt/Au，形成金属引线。

8、如权利要求1所述的射频电感制备方法，其特征在于：所述制备电感螺线结构的工艺步骤包括：

(1)光刻及ICP刻蚀硅片表面得到锚点，锚点高度为2～15微米；

(2)硅片和衬底键合；

(3)KOH腐蚀减薄硅片到约10～100微米；

(4)光刻硅片得到平面螺线结构掩模，ICP刻蚀释放结构。

9、如权利要求5所述的射频电感制备方法，其特征在于：配置镀铜溶液的步骤包括：

(1)按照镀铜溶液配比，将五水硫酸铜和乙二胺四乙酸分别配成溶液后混合，并调整PH值至12-13；

(2)将二二联吡叮和RE-610分别倒入五水硫酸铜和乙二胺四乙酸的混合溶液中；

(3)加入还原剂甲醛，并加热溶液至50℃-80℃。

10、如权利要求1所述的射频电感制备方法，其特征在于：配置镀镍溶液的步骤包括：

(1)按照镀铜溶液配比，将六水硫酸镍和柠檬酸钠分别配成溶液后混合；

(2)取次磷酸钠配成溶液后倒入六水硫酸镍和柠檬酸钠的混合溶液中；

(3)滴加稀氨水以调整PH值至7-8，加热溶液至50℃-80℃。

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