用於製造具有三維磁結構的器件的方法與流程

2023-11-30 08:48:34

本發明的實施例涉及一種用於製造具有三維磁結構的器件的方法。附加實施例涉及具有三維磁結構的器件。一些實施例涉及將磁性材料集成到襯底上。

背景技術：

可以通過ic(集成電路)技術在半導體襯底上製造非常小的線圈。然而，由磁性材料製成的沒有線圈芯的小線圈通常表現出較低的電感。然而，集成由合適磁性材料製成的線圈芯很困難，原因在於需要相對較大的層厚度。因此，對於具有較大電感的電子模塊，仍然需要smd(表面安裝器件)元件，其中這些元件的線圈體通過常規地繞磁芯纏繞導線或通過ltcc(低溫共燒陶瓷)中的陶瓷技術來製造。然而，smd元件的尺寸通常在毫米範圍內。此外，smd元件在電感量方面表現出顯著的散亂。可以通過將磁芯直接集成在襯底中來實現在例如矽的平面襯底上的平面集成線圈的性能的顯著改進。

可以集成到襯底上的磁結構將不僅對於電感器而且對於微機械器件和傳感器都是高度關注的。當與其他驅動原理相比較時，磁性致動器具有一定的優勢。然而，迄今為止，只有使用安裝在晶片級上的永磁體才能實現高力度。然而，如在電感器的情況中那樣，這與小型化系統的尺寸和成本均不相容。此外，安裝這種磁體防止在通過晶圓接合產生的氣密密封殼體中使用這種磁體，原因在於接合時所需的溫度與粘合劑連接不相容。

與高性能硬磁性層相反，金屬鐵磁層易於電化學沉積。圖1a示出了基於由具有10μm坡莫合金芯的銅製成的圓筒式線圈的磁致動歐姆mems(微機電系統)開關[m.glickman等人，「high-porformancelateral-operatedmagneticmemsswitch」，j.micromech.sys.，vol.20，no.2，2011]。圖1b示出了具有電沉積nife芯的類似設置的變壓器[r.j.rassel等人，「fabricationandcharacterizationofasolenoid-typemicrotransformer」，transact.onmagnetics，vol.39，no.1，2003]。通常，fe基合金、ni基合金或co基合金表現出高滲透性和飽和感應。然而，隨著頻率的增加，金屬中的渦流和鐵磁共振引起的損耗顯著增加。例如，在[r.j.rassel等人，「fabricationandcharacterizationofasolenoid-typemicrotransformer「，transact.onmagnetics，vol.39，no.1，2003]中，變壓器的工作範圍例如被限制為較低khz範圍內的頻率。[d.w.lee等人，「designandfabricationofintegratedsolenoidinductorswithmagneticcores」，proc.ectc2008]描述了具有厚度近似為2μm的濺射cotazr芯且在幾十mhz處具有良好性能的圓筒式線圈。

由於鐵氧體的高電阻，鐵氧體顯著地更適合更高頻率的應用。這些材料的滲透性可能相當高，其中飽和感應大多相對較低。由於高溫，鐵氧體磁體的經典製造方法與ic技術不相容。對鐵氧體進行濺射存在問題，原因在於這些濺射鐵氧體是由若干元件製成的複雜化合物。此外，濺射層可能需要熱後處理來調整晶體結構。對鐵氧體層進行蝕刻也很困難。[y.mano等人，「pianarinductorwithferritelayersfordc-dcconverters，傳感器2005，seoul，korea]描述了一種嵌入電沉積ni-fe鐵氧體中的平面線圈。由於使用光刻膠進行了電沉積，不需要對層進行後期構建。

可以通過堆疊具有電介質的若干薄的軟磁層來減小渦流問題。在[d.s.gardner等人，「reviewofon-chipinductorstructureswithmagneticfilms″，transact.onmagnetics，vol.45，no.10，2009]中，已經檢驗了由濺射的磁性材料和薄氧化鈷層的疊層組成的具有厚度約為2μm的cotazr和nife芯的平面線圈。在[j.zhao等人，「fabricatehighperformancerf-memsinductorwithasmartnanomagneticgranularfilmaccordingtofunctionpurpose，proc.conf.onnanomaterials2013，bejing，china]中，描述了具有由在平面線圈下方和上方嵌入sio2中的坡莫合金粒子製成的濺射層的電感器。這也可以有效地抑制渦流。

將磁性粒子嵌入聚合物中是另一種可能性。在[s.engelkraut等人，「polymerbondedsoftmagneticparticlesforplanarinductivedevices」，proc.cips2008，nuremberg，germany]中，針對製造變壓器，通過注射成型將聚合物結合的磁性粒子施加到具有平面線圈的導體板上。[p.markondeya等人，「novelnanomagneticmaterialsforhigh-frequencyrfapplications″，proc.ectc2011]描述了具有sio2護套的鈷納米粒子的合成。嵌入聚合物基質(如bcb(苯並環丁烯))中，通過絲網印刷將納米粒子應用到襯底表面上。注射成型方法和絲網印刷方法在最小結構寬度方面是受限的，然而，可以省略構建聚合物粒子層，針對構建聚合物離子層沒有合適方法。關注的一種備選是印刷磁性墨水，原因在於用這種方式可以生產相對精細的結構。[s.lyshevski，k.martirosyan，″ferritenanoparticlesformemstechnologysensorsandactuators″，proc.conf.onnanotechnology，portland，oregon，usa，2011]描述了不同的鐵氧體粒子的合成，並通過噴繪印刷將其施加到襯底上。為使粒子在乾燥後保留在襯底上，在這種情況下，將聚合物(pmma(甲基丙烯酸甲酯))加入墨水中。

大多數磁操作的mems元件避免了磁性材料的集成，而是作為替代使用基於洛倫茲力的致動器。在這些驅動結構中，使用電流流經的導體軌跡在外部靜態磁場中經受的力。為此，該驅動原理的優點在於可以避免在mems元件中集成磁性材料。然而，可實現的力是相當有限的。

僅在電沉積的軟磁層的基礎上描述了用於操作微機械元件的集成磁致動器，例如圖1a中的開關[m.glickman等人「high-performancelateral-actuatingmagneticmemsswitch″，j.micromech.sys.，vol.20，no.2，2011]。嚴格地講，這是一種特殊情況，原因在於通過施加外部電壓來使磁芯中的窄間隙閉合。如在例如[s.leidich等人，「rf-memsswitchwithohmiccontactandlateralactuation″，proc.microsystemtechnikkongress2011，darmstadt，germany]中所描述的，結構尺寸和所產生的力與側靜電致動開關的結構尺寸和所產生的力相當。

集成磁力驅動器的相當大的優點是衝程大並且力大。此外，該驅動原理允許使用外部線圈，從而使用該混合方法實現大力度和大衝程。由於可實現的磁力取決於磁結構的尺寸，較大的厚度是有利的。由於磁致動器在低頻範圍內工作或使用直流工作，對於電感器重要的損耗機制在這裡並不重要。

然而，如濺射或pld(脈衝雷射沉積)等方法僅適用於厚度僅為幾μm的層。可以通過電沉積生成較厚的層[x.-m.sun等人，″flectrodepositionandcharacterizationofconimnp-basedpermanentmagneticfilmformemsapplications″，proc.nems2011，kaohsiung，taiwan]。然而，由於應力效應，具有幾十μm厚度的電金屬層可能已經成為問題。此外，與使用軟磁材料相比，硬磁材料能夠實現更大的力。然而，對硬磁材料進行沉積困難得多，尤其是在針對高場磁體使用諸如smco或ndfeb的高性能材料時。

因此，對於許多磁致動器，微型永磁體仍安裝在晶片級上。參見圖2a-d，當前示例是[j.aoyagi等人，「araster-output2dmemsscannerwithan8x4mmmirrorforanautomotivetime-of-flightimagesensor″，proc.transducers2013，barcelona，spain]中的2d掃描儀。僅可移動結構或其框架由矽製成。在另一示例中，[yu等人，「silicon-embeddedtoroidalinductorswithmagneticcores：designmethodologyandexperimentalvalidation″，proc.apec2014，fortworth，tx，usa]，通過在蝕刻空腔中嵌入環形永磁體來在矽襯底上生產具有磁芯的線圈。之前將金屬導電跡線沉積到空腔中。在嵌入磁體之後，這些金屬導電跡線通過第二導電跡線級連接以形成線圈。

因此，本發明的基礎目的在於提供一種允許將磁性材料集成到襯底上的概念。

技術實現要素：

該目的通過獨立權利要求來實現。有利的進一步改進是從屬權利要求的主題。

本發明的實施例提供了一種用於製造具有三維磁結構的器件的方法。該方法包括第一步驟：將磁性粒子施加或引入到載體元件上或載體元件中，其中在所述磁性粒子之間形成多個至少部分互連的空腔，並且所述磁性粒子在接觸點處彼此接觸。該方法附加地包括第二步驟：通過對磁性粒子和載體元件的布置進行塗覆來連接接觸點處的磁性粒子，其中空腔至少部分地被在塗覆時產生的層滲透，使得結果是三維磁結構。此外，方法包括第三步驟：在所述載體元件或附加載體元件上提供導體環路布置使得：(1)當電流流經導體環路布置時，導體環路布置的電感被三維磁結構改變，(2)當電流流經導體環路布置時，由電流引起的磁場導致的力作用在三維磁結構或導體環路布置上，或(3)當三維磁結構的位置改變一次或周期性地改變時，通過導體環路布置感生電流。

本發明基於以下想法：通過將磁性粒子引入(或應用)到載體元件中(或上)並隨後通過沉積層對磁性粒子的布置進行塗覆，製造用於實現線圈應用中的高電感或致動器應用中的大的磁驅動力的三維磁結構。

附圖說明

以下將參照附圖詳細描述本發明的實施例，在附圖中：

圖1a是基於具有電沉積nife芯的圓筒式線圈的微機械歐姆開關的示意視圖；

圖1b是基於具有電沉積nife芯的圓筒式線圈的微機械變壓器的示意視圖；

圖2a是2d掃描儀的設置的示意性俯視圖；

圖2b是2d掃描儀的設置的示意性側視圖；

圖2c示出了其上安裝有磁體的si晶片的第一側的圖像；

圖2d示出了其上安裝有磁體的si晶片的第二側的圖像；

圖3是示出根據本發明的實施例的用於製造具有三維磁結構的器件的方法的流程圖；

圖4a是根據本發明實施例的載體元件上的導體環路布置的示意橫截面視圖；

圖4b是根據本發明實施例的載體元件上的圖4a中所示的導體環路布置的示意俯視圖；

圖5a至圖d是在不同製造步驟之後具有三維磁結構和導體環路布置的器件的示意性橫截面；以及

圖6a至圖e是在不同製造步驟之後具有三維磁結構和導體環路布置的器件的示意性橫截面。

具體實施方式

在以下對本發明的實施例的描述中，在附圖中的相同元件或具有相同效果的元件具有相同的附圖標記，使得其在不同實施例中的描述是可互換的。

圖3示出了用於製造具有三維磁結構的器件的方法100的流程圖。方法100包括步驟102：將磁性粒子施加或引入到載體元件上或載體元件中，其中在所述磁性粒子之間形成多個至少部分互連的空腔，並且所述磁性粒子在接觸點處彼此接觸。方法100附加地包括步驟104：通過對磁性粒子和載體元件的布置進行塗覆來連接接觸點處的磁性粒子，其中空腔至少部分地被在塗覆時產生的層滲透，使得結果是三維磁結構。此外，方法100包括步驟106：在所述載體元件或附加載體元件上提供導體環路布置使得：當電流流經導體環路布置時，導體環路布置的電感被三維磁結構改變，或使得當電流流經導體環路布置時，由電流引起的磁場導致的力作用在三維磁結構或導體環路布置上，或使得當三維磁結構的位置(例如一次或周期性地)改變時，通過導體環路布置感生電流。

根據實施例，通過將磁性粒子引入(或應用)到載體元件中(或上)並隨後通過沉積層對磁性粒子的布置進行塗覆，製造用於實現線圈應用中的高電感或致動器應用中的大的磁驅動力的三維磁結構。

為進一步增加在線圈應用中可實現的電感或致動器應用中的磁驅動力，在實施例中，與磁性粒子連接的所沉積的層也可以是磁性的。

可以例如通過cvd(化學氣相沉積)法、原子層沉積或原子氣相沉積，對磁性粒子和載體元件的布置進行塗覆。此外，可以對氧化形式的磁性材料進行沉積以獲得磁性層。此外，可以對氧化形式的磁性材料進行沉積並後續地還原以獲得磁性層。

此外，可以在沉積磁性層之前或之後沉積電介質層。因此，磁性粒子的布置可以通過多次塗覆進一步功能化，其中通過磁性材料的塗覆可以例如跟隨通過電介質材料進行的第一次塗覆，反之亦然。

換言之，在實施例中，磁性粒子可以通過ald(原子層沉積)工藝相互連接或固定。這裡，可以將與安裝工藝(即ald沉積)相容的任何材料施加或引入載體材料(例如襯底)上或其中。可以使用上述方法實現高封裝密度。

這裡的ald層可以由如fe、ni或co氧化物的磁性材料或其化合物或其混合物製成。如fe、ni和co的金屬材料及其合金還可用於製造磁性或硬磁結構。由於這些材料不能簡單地直接通過ald沉積，首先沉積相應氧化物(fe、ni、co及其混合物)，並且然後通過化學還原將氧化物轉化為相應金屬和金屬合金。

當與用於製造永磁體的聚合物結合體系相比時，應該可以用可再現的方式製造維度僅為幾μm的相當小的磁結構。

下面將參照圖4a至圖6e中詳細描述如圖3所示的用於製造具有三維磁結構的器件的方法100。

如已經提到的，用於製造具有三維磁結構的器件的方法100包括在載體元件或附加載體元件上提供導體環路布置的步驟106。圖4a示出了在載體元件(例如，襯底)上提供導體環路布置124的步驟之後器件120的示意性橫截面圖，而圖4b是其示意性俯視圖。圖4a和圖4b中所示的載體元件122當然也可以是附加載體元件。載體元件122(或附加載體元件)可以例如包括塑料、矽、玻璃或陶瓷或導體板。導體環路布置124可以例如是(平面)線圈或(平面)電感器。

此外，該方法包括將磁性粒子施加到載體元件122上或將磁性粒子引入到載體元件122中的步驟102，以及通過塗覆連接磁性粒子使得結果是載體元件上或載體元件中的三維磁結構的步驟。

在線圈應用中，導體環路布置124可以例如設置在載體元件122上，即在與三維磁結構相同的載體元件上(換言之，導體環路布置和三維磁結構布置在載體元件122上)，使得導體環路布置124的電感由三維磁結構改變(例如增加或減少)。在致動器應用中，導體環路布置124例如可以設置在附加載體元件上，使得當電流流經導體環路布置124時，力由電流引起的磁場作用在三維磁結構或導體環路布置上。對於傳感器應用或能量收集器，也可以通過改變載體元件122上三維磁結構的位置一次或對其進行周期性移動，使電流感應到在附加載體元件上提供的導體環路布置124中。

隨後，下面將參照圖5a至圖5d描述用於製造具有三維磁結構的器件120的方法100，其中導體環路布置1至4設置在與三維磁結構相同的載體元件122上，使得導體環路布置124的電感由三維磁結構改變。

圖5a示出了在載體元件122和導體環路布置124上提供掩模126的步驟，以及在由掩模126限定的區域中蝕刻載體元件122以在導體環路布置124的區域中獲得載體元件122中的空腔128的步驟之後，器件120的示意性橫截面圖。因此，如圖5a所示，導體環路布置(電感器結構)124可以使用合適的掩模來無蝕刻(或蝕刻不足)。

圖5b示出了在步驟102之後的器件120的示意性橫截面圖，步驟102將磁性粒子130施加或引入到載體元件122上或載體元件122中。。這裡施加或引入磁性粒子130可以發生，使得導體環路布置124至少部分地包括(或包圍)磁性粒子130，即使得磁性粒子130至少部分地布置在導體環路布置124內。此外，施加或引入磁性粒子130可以發生，使得磁性粒子至少部分地包括(或包圍)導體環路布置124，即磁性粒子130至少部分地布置在導體環路布置224外側，例如布置在導體環路布置124周圍。在圖5b中，磁性粒子130布置在導體環路布置124的內側和外側。圖5b示出了在將磁性粒子130引入蝕刻的空腔128之後的器件120。

圖5c示出了步驟104之後器件102的示意截面圖，在步驟104中通過對磁性粒子130和載體元件122的布置進行塗覆來連接接觸點處的磁性粒子130，其中空腔至少部分地被塗覆時產生的層滲透使得結果是三維磁結構132。換言之，圖5c示出了通過合適的ald工藝固化粒子130以形成多孔三維結構或固化的多孔體之後的器件120的示意性橫截面圖。

圖5d示出了在相對於多孔三維結構132選擇性地去除掩模126的步驟之後的器件120的示意性橫截面圖。導體環路布置124的電感由三維磁結構132改變。

換言之，圖5a至圖5d示意性地示出了如何能夠嚮導體環路布置(電感器結構)124提供磁性護套。首先，導體環路布置(電感器結構)124可以通過合適的掩模(例如光刻膠)被無蝕刻或欠蝕刻(圖5a)。這裡，不同的幹蝕刻工藝在ic(集成電路)技術中可用。隨後，可以施加粒子130(圖5b)。這可能以幹方式、並且也可以由低粘度和良好潤溼的合適懸浮液進行，使得粒子130可以容易地到達導體環路布置(電感器124)的下方。對於聚合物結合的粒子，如[s.engelkraut等人，「polymerbondedsoftmagneticparticlesforplanarinductivedevices」，proc.cips2008，nuremberg，germany]，[p.markondeya等人，「novelnanomagneticmaterialsforhigh-frequencyrfapplications″，proc.ectc2011]和[s.lyshevski，k.martirosyan.″ferritenanoparticlesformemstechnologysensorsandactuators″，proc.ieeeconf.onnanotechnology，portland，oregon，usa，2011]中所使用的，這是不可能的，原因在於起始材料粘度非常低並需要粘合良好。乾燥後(如果需要)，鬆散粒子130通過ald工藝彼此連接，如al2o3(圖5c)。當使用al2o3時，優點在於可以在環境溫度下沉積，並因此與常規光刻膠相容。粒子130越小，ald層可以越薄。10至50nm對於可達1μm的粒子大小是充足的。隨後可去除光刻膠126(圖5d)。此後，可以沉積用於鈍化結構的常規pecvd(等離子體增強化學氣相沉積)層。當粒子130通過需要200℃的沉積溫度的磁性層(如fe2o3或nio)連接時，可以使用不同的掩模來代替光刻膠。在例如可以通過分配(如噴墨印刷)來引入粒子時，也可以在引入粒子130之前將光刻膠去除。多孔磁結構132也可以僅在導體環路布置(電感器)124的上方產生，而沒有先前的無蝕刻。

隨後，下面將參照圖6a至6e描述用於製造具有三維磁結構132的器件120的方法100，其中導體環路布置124被設置為使得當電流流經導體環路布置124時，由電流引起的磁場導致的力作用在三維磁結構132或導體環路布置124上。

換言之，下面參照圖6a至6e將示出，在可移動元件(如掃描儀的鏡板或揚聲器的致動器)上也可以類似地產生磁結構，以替換在晶片級上粘附硬磁體(例如由smco或ndfeb製成)。一方面，可以用這種方式產生相當精細的結構。另一方面，結構的再現性可以更高。此外，由於在晶圓級上的製造，該方法可以更廉價。

圖6a示出了在提供具有空腔128的載體元件122的步驟之後的器件120的示意性橫截面圖。這裡的空腔128可以與三維磁結構132的尺寸相對應地產生。

圖6b示出了在步驟102之後器件120的示意橫截面，在步驟102中將磁性粒子130引入到載體元件122的(蝕刻的)空腔128中，其中在所述磁性粒子130之間形成多個至少部分互連的空腔，並且所述磁性粒子130在接觸點處彼此接觸。

圖6c示出了步驟104之後的器件120的示意截面圖，在步驟104中通過對磁性粒子130和載體元件122的布置進行塗覆來連接接觸點處的磁性粒子130，其中空腔至少部分地被塗覆時產生的層滲透，使得結果是三維磁結構132。因此，通過合適的ald工藝，使粒子130固化以形成多孔的三維結構或固化的多孔體132。

圖6d示出了在從三維磁結構132周圍的區域136中的載體元件122的頂側134開始蝕刻載體元件122，以獲得限定可移動結構的彈簧元件的厚度的空腔138的步驟之後的器件120的示意性截面圖。

圖6e示出了在從載體元件122的下側140開始蝕刻載體元件122以限定彈簧元件的幾何形狀並暴露可移動結構的步驟之後的器件102的示意性橫截面圖。

如可以從圖6e中認識到的，載體元件122通過最後的蝕刻工藝分離為兩個載體元件122和122』，即載體元件122和附加載體元件122』。在實施例中，當然也可以提供載體元件122和附加載體元件122』(彼此獨立)。

導體環路布置124(未示出)可以例如設置在附加載體元件122』上，其中所述載體元件122和所述附加載體元件122』經由彈簧元件150彼此耦合，使得載體元件122和附加載體元件122』之間的相對偏轉是由電流引起的磁場導致的作用在三維磁結構132上的力所引起的。

因此，載體元件122可以被布置為可移動的，並且附加載體元件122』為固定的。當然，附加載體元件122』也可以被布置為是可移動的並且載體元件122為固定的。

換言之，在圖6a至圖6e中示意性地示出了可能的製造過程。可以產生要在其中放置磁體的空腔(圖6a)。在有或沒有掩蔽襯底表面134的情況下，空腔128可以用磁性粒子130填充(圖6b)。隨後，粒子130可以通過ald固化(圖6c)。此後，可以定義可移動結構。在這種情況下，蝕刻可以首先從前側134進行以確定彈簧元件的厚度(圖6d)。通過隨後從下側140蝕刻，可以限定彈簧元件的幾何形狀並且暴露可移動結構(圖6e)。

本發明的實施例涉及：通過以預定的形式將磁性粒子施加或引入到線圈或金屬導電跡線上或空腔(完全或部分地包圍線圈或金屬導電跡線、)中、以及通過ald連接粒子以形成多孔的三維體，在線圈或金屬導電跡線上或線圈或金屬導電跡線周圍產生磁芯。

實施例涉及通過將某一形式的粒子引入到其中微機械元件完全或僅部分所位於的襯底上，並隨後通過ald使其固化，來產生具有幾μm至幾mm尺寸的不同幾何尺寸的磁性三維體，用於磁性驅動微機械元件(如鏡面、揚聲器、開關或繼電器)。

實施例適用於在平面襯底上製造電感器或微機械致動器。矽、砷化鎵、玻璃、陶瓷、導體板、塑料和金屬可用於襯底材料。

在實施例中，優選地，所使用的粒子可以包括幾十nm至幾十μm的尺寸，並且可以由任何軟磁材料或鐵磁性材料以及甚至硬磁性材料製成，這些材料與以下工藝(具體地用於連接粒子的ald沉積)相容。

在實施例中，例如，也可以沉積諸如鐵、鎳或鈷氧化物之類的磁性層，以通過例如al2o3和tio2等ald而非正常電介質來連接粒子。這些氧化物也可以通過後續化學還原轉化為金屬，其中可以實現更高的磁場強度，尤其是針對製造硬磁性部件。

在實施例中，當線圈是半導體襯底上的有源集成電路的一部分時，多孔磁芯可以在完全完成之後產生。

在實施例中，磁性三維體也可以在工藝開始時製造，並且當致動器需要磁性三維體時，通過適當的鈍化層(例如使用硬磁粉)保護其免受後續工藝的影響。

在實施例中，襯底可以通過合適的工藝連接至磁性三維體，或單個晶片可以連接至附加襯底或晶片以連接至微機械元件。

在實施例中，可以使用特別高性能的磁性材料，其不能以ic相容方式或以所需尺寸通過其它方法集成在襯底上。

在實施例中，可以在多個不同的襯底上製造具有高度不同的尺寸的磁結構。

在實施例中，可通過ald來沉積磁性材料以連接粒子，由此進一步改善磁體的特性。

實施例允許使用特別高性能的磁性材料，其不能以ic相容方式或以所需尺寸通過其它方法集成到襯底上。

在實施例中，可以在多個不同的襯底上製造具有高度不同的尺寸的磁結構。

在實施例中，例如當通過ald來沉積磁性材料以連接粒子時，可以改善磁體的特性。