一種微機電系統螺線管電感的製備方法
2023-08-06 22:49:36
專利名稱：一種微機電系統螺線管電感的製備方法
技術領域：
本發明屬於半導體器件及集成電路製備技術領域，具體涉及一種採用微機
電系統(MEMS)技術和倒裝焊工藝設計製作的高Q值立體微型螺線管電感。
背景技術：
電感是電路的基本元件之一，是無線通信系統必不可少的重要元件，它的 質量直接決定了整個電路的性能。微結構電感設計與製造的研究在當今無線通 信快速發展的背景下有著非常重要的意義。
微結構電感設計與製造中一直存在諸如Q值不高、與CMOS電路集成性差等 很多問題，而且目前MEMS電感因其製造過程複雜，造價較高而限制了其廣泛應 用。
微型電感是集成電路的基本元件，採用MEMS技術加工的微型電感主要分為 表面螺旋電感、垂直螺旋電感、懸浮螺旋電感和螺線管電感四種。其中前兩種 螺旋電感的共同問題是由於平面結構自身存在磁通量洩漏較大的缺陷，難以實 現很高的Q值；第三種螺旋電感雖然Q值比較高，但存在結構脆弱等缺陷。而 在螺線管電感中，目前存在的設計中大多數都是方形截面的電感，很難製作圓 形截面的電感，並且製造工序比較多，與CMOS工藝集成比較困難，電感的性能 也不是很理想。從總體上講，目前存在的MEMS電感，如果Q值較大，L值就會 較小， 一般Q值大於45時，L值不會超過2nH。
發明內容
本發明克服上述各類電感中存在的Q值較低、高Q值電感L值較小、製作 複雜、自身結構脆弱、與CMOS工藝集成困難等缺點，提供了一種高Q值高L值、 製作較為簡單、且可以與CMOS工藝集成的螺線管電感的設計和製備方法。本發明的另一特點在於能夠用此方法製作出橫截面近似為圓形的螺線管 電感，這在其他MEMS螺線管電感中是很少見到的，這也是用本方法製作出的電 感性能優良的基礎。
本發明的技術方案如下
一種微機電系統螺線管電感結構由上下兩襯底、金屬線圈、電鍍或化學鍍 用的種子層、連接金屬組成，其中上襯底可在電感製作完成後去掉。上下襯底 中間各存在一個槽，上下兩襯底進行對準倒裝焊形成一個中間帶有空腔的整體， 其空腔為上下襯底中的槽合併而成。金屬線圈生長在空腔之中，線圏的形狀為 螺線管形，並且完整的金屬線圈是在倒裝焊過程中，通過連接金屬將上下兩襯 底的金屬線圈相連形成的。
一種微機電系統螺線管電感的製備方法的步驟包括
一、 下半部分製作步驟
步驟l，在潔淨的下襯底上，製作阻擋層；
步驟2，塗一層光刻膠，並進行光刻，形成缺口，露出阻擋層； 步驟3，對阻擋層進行刻蝕，刻去露出的阻擋層，使阻擋層形成缺口，之後 去除光刻膠；
步驟4，在下襯底上刻蝕出一個槽； 步驟5，去阻擋層；
步驟6，採用濺射或蒸發的方法，製作用作電鍍或化學鍍的種子層； 步驟7，塗光刻膠，並進行光刻，形成線圈模具； 步驟8，電鍍或化學鍍用作線圈的金屬； 步驟9，電鍍或化學鍍連接金屬； 步驟IO，去光刻膠及其下面的種子層；
二、 上半部分製作步驟
步驟l，在潔淨的上襯底上，製作阻擋層；步驟2，塗一層光刻膠，並進行光刻，形成缺口，露出阻擋層； 步驟3，對阻擋層進行刻蝕，刻去露出的阻擋層，使阻擋層形成缺口，之後 去除光刻膠；
步驟4，在上襯底上刻蝕出一個槽； 步驟5，去阻擋層；
步驟6，採用濺射或蒸發的方法，製作用作電鍍或化學鍍的種子層； 步驟7，塗光刻膠，並進行光刻，形成線圈模具； 步驟8，電鍍或化學鍍用作線圈的金屬； 步驟9，電鍍或化學鍍連接金屬； 步驟IO，去光刻膠及其下面的種子層；
三、將製作好的上下兩半部分進行對準倒裝焊，形成微機電系統螺線管電 感。之後腐蝕掉上襯底。
下半部分製作的步驟1和上半部分製作中步驟1中的上襯底和下襯底的材 料為矽或玻璃；阻擋層採用澱積碳化矽、氮化矽、多晶矽或氧化矽的方法，或 者採用熱氧化的方法製成。
下半部分製作中步驟4和上半部分製作中步驟4中的槽為半圓弧或梯形截 面形狀，相應的刻蝕方法為各向同性刻蝕和各向異性刻蝕。
下半部分製作的步驟6和上半部分製作中步驟6中種子層為一層鈦和一層用 作線圈的金屬複合成，或一層鉻和一層用作線圈的金屬複合成。
下半部分製作的步驟8和上半部分製作中步驟8中電鍍或化學鍍用作線圈 的金屬，所鍍金屬為銅、鎳、金中的一種金屬。
下半部分製作的步驟9和上半部分製作中步驟9中的電鍍或化學鍍連接金 屬，所鍍金屬為銅、鎳、鈷、銠、鉑、鈀、鉻、鋁、銀、金中的一種金屬。
本發明的有益效果
1.實現了很好的電感性能，製備出的電感具有較大電感值很高的Q值。
62. 採用倒裝焊工藝製作電感的方法，解決了圓形截面螺線管電感製備困難 的問題。
3. 結構規則，不同電感值的電感尺寸計算方便。
4. 製作工藝實現較簡單。
5. 可與CMOS工藝集成。
圖1至圖13為採用本發明方法製備微機電系統螺線管電感的步驟中，下半 部分製作流程剖面圖，其剖面都是沿圖IO中A-A方向，其中 圖1為製作阻擋層後的下襯底的剖面圖。
圖2為在阻擋層上塗一層光刻膠並對其進行光刻後的下襯底的剖面圖。
圖3為刻蝕阻擋層並去光刻膠後的下襯底的剖面圖。
圖4為刻蝕阻擋層並去光刻膠後的下襯底的俯視圖。
圖5為經刻蝕後的下襯底的剖面圖。
圖6為去阻擋層後的下襯底的剖面圖。
圖7為去阻擋層後的下襯底的俯視圖。
圖8為濺射或蒸發種子層後的下襯底的剖面圖。
圖9為塗光刻膠並對光刻膠光刻後的下襯底的剖面圖。
圖10為塗光刻膠並對光刻膠光刻後的下襯底的俯視圖。
圖11為電鍍或化學鍍用作線圈的金屬後的下襯底的剖面圖。
圖12為電鍍或化學鍍連接金屬後的下襯底的剖面圖。
圖13為去光刻膠並去種子層後的下襯底的剖面圖。
圖14至圖26為採用本發明方法製備微機電系統螺線管電感的步驟中，上 半部分製作流程剖面圖，其剖面都是沿圖23中A-A方向，其中 圖14為製作阻擋層後的上襯底的剖面圖。
7圖15為在阻擋層上塗一層光刻膠並對其進行光刻後的上襯底的剖面圖。
圖16為刻蝕阻擋層並去光刻膠後的上襯底的剖面圖。
圖17為刻蝕阻擋層並去光刻膠後的上襯底的俯視圖。
圖18為經刻蝕後的上襯底的剖面圖。
圖19為去阻擋層後的上襯底的剖面圖。
圖20為去阻擋層後的上襯底的俯視圖。
圖21為濺射或蒸發種子層後的上襯底的剖面圖。
圖22為塗光刻膠並對光刻膠進行光刻後的上襯底的剖面圖。
圖23為塗光刻膠並對光刻膠進行光刻後的上襯底的俯視圖。
圖24為電鍍或化學鍍用作線圈的金屬後的上襯底的剖面圖。
圖25為電鍍或化學鍍連接金屬後的上襯底的剖面圖。
圖26為去光刻膠並去種子層後的矽襯底的剖面圖。
圖27、圖28為採用本發明方法製備微機電系統螺線管電感的步驟中，上下 兩部分合併流程圖，其中
圖27為將製作好的上下兩襯底進行高精度對準倒裝焊後的剖面圖。 圖28為腐蝕上襯底後的剖面圖。
圖29為腐蝕上襯底後的俯視圖，亦即製作好的電感的俯視圖。 圖30為釆用本方法製作出的電感的立體結構圖。
圖31、圖32為利用仿真軟體對本方法製作出的電感(匝數為5、半徑為 100畔、線圈寬度10pm、線圈厚度10^m、線圈間距15pm、下襯底材料為玻璃、 用作線圈的金屬材料為銅、連接金屬材料為金)的性能進行的仿真結果，其中
圖31為對電感的電感值隨頻率變化的仿真結果。
圖32為對電感的Q值隨頻率變化的仿真結果。
圖中下襯底l;阻擋層2;光刻膠3;種子層4;光刻膠5;用作線圈的金屬6;連接金屬7;上襯底8;阻擋層9;製作好的螺線管線圈IO。
具體實施例方式
結合附圖對本發明作進一步說明。
一種微機電系統螺線管電感的製備方法，該方法的製備步驟如圖1至圖29 所示。
一、下半部分製作步驟
步驟l，採用化學氣相澱積的方法，在潔淨的玻璃下襯底1上，澱積一層2pm 厚的氮化矽阻擋層2，用作後續步驟中各向同性刻蝕的阻擋層，如圖1所示。
步驟2，在澱積了氮化矽阻擋層2的玻璃下襯底1上塗光刻膠3 (瑞紅 RZJ-304)，厚度為2jim，將光刻膠烘乾，烘乾溫度90。C，時間120秒，之後進 行曝光、顯影，形成一條長300iam寬10(im的缺口，如圖2所示。
步驟3，對氮化矽阻擋層2進行反應離子刻蝕(RIE刻蝕)，刻去露出的氮 化矽，使氮化矽阻擋層2形成一條長30(Him寬10pm缺口，之後用丙酮去除光 刻膠3 (瑞紅RZJ-304)，如圖3、圖4所示。
步驟4，利用各向同性幹法刻蝕工藝，用氟化氫對玻璃下襯底l進行各向同 性刻蝕，在玻璃下襯底上刻蝕出一個橫截面半徑為100pm的半圓弧截面槽，如 圖5所示。
步驟5，用加熱到13(TC至15(TC的磷酸，去氮化矽阻擋層2，如圖6、圖7 所示。
步驟6，利用濺射工藝，在帶有半圓弧截面槽的玻璃下襯底1上依次濺射上 一層厚度為200nm的鈦和一層厚度為200nm的銅，作為電鍍用的種子層4(Ti/Cu 種子層)，如圖8所示。
步驟7，採用EVG-101噴霧式塗膠機，塗光刻膠5 (AZ4620)，厚度20wm， 並將光刻膠5 (AZ4620)烘乾，烘千溫度9(TC，時間2小時，之後進行曝光、顯影，形成線圈模具，如圖9、圖10所示。
步驟8，將經過上述處理後的玻璃下襯底放入CuS(VH2S(^溶液中進行電鍍， 在Ti/Cu種子層4上，電鍍一層10pm厚的銅形成用作線圈的金屬6，由於有光 刻膠5 (AZ4620)的存在，銅只在沒有光刻膠的部分生長，從而使銅形成金屬線 圈和引腳的形狀，作為金屬線圈的下半部分，如圖11所示。
步驟9，在已經電鍍好的銅上再電鍍一層厚度3pm的金，用作上下襯底合 並步驟中倒裝焊過程的連接金屬7，如圖12所示。
步驟10，用丙酮去除光刻膠5 (AZ4620)並腐蝕掉其下面的Ti/Cu種子層4， 腐蝕方法為先用醋酸:雙氧水:去離子水的配比為1:1:20的腐蝕液去除種子層中 的銅，再用氟化氫:去離子水配比為1:60的腐蝕液去除種子層中的鈦，形成帶 有引腳和下半部分金屬線圈的下襯底，如圖13所示。
二、上半部分製作步驟
步驟1，將潔淨的的矽上襯底8放入氧化爐中氧化，形成厚度為2pm的氧 化矽阻擋層9，用作後續步驟中各向同性刻蝕的阻擋層，如圖14所示。
步驟2，在已形成氧化矽阻擋層9的矽上襯底8上塗一層光刻膠3 (瑞紅 RZJ-304),厚度為2pm，將光刻膠烘乾，烘乾溫度9CTC，時間120秒，之後進 行曝光顯影，形成一條長30(Vm寬l(^m的缺口，如圖15所示。
步驟3，對氧化矽阻擋層9進行反應離子刻蝕(RIE刻蝕)，刻去露出的氧 化矽，使氧化矽阻擋層9形成一條長30(^m寬10,缺口，之後用丙酮去除光 刻膠3 (瑞紅RZJ-304)，如圖16、圖17所示。
步驟4，利用各向同性幹法刻蝕工藝，對矽上襯底8進行各向同性刻蝕，同 樣在矽上襯底8上刻蝕出一個橫截面半徑為100pm的半圓弧截面槽，如圖18 所示。
步驟5，將矽片置於10%的氫氟酸溶液中去除氧化矽阻擋層9，如圖19、圖 20所示。步驟6，利用濺射工藝，在帶有半圓弧截面槽的矽上襯底8上，依次濺射一
層厚度為200nm的鈦和一層厚度為200mn的銅，作為電鍍用的種子層4 (Ti/Cu 種子層)，如圖21所示。
步驟7，採用EVG-101噴霧式塗膠機，塗光刻膠5 (AZ4620)，厚度20^im， 並將光刻膠5 (AZ4620)烘乾，烘乾溫度90°C，時間2小時，之後進行曝光、 顯影，形成線圈模具，如圖22、圖23所示。
步驟8，將經過上述處理後的矽上襯底8放入CuS0,/H2S04溶液中進行電鍍， 在Ti/Cu種子層4上電鍍一層l(Vm厚的銅，形成用作線圈的金屬6，作為上半 部分金屬線圈，如圖24所示；
步驟9，在已經電鍍好的銅上再電鍍一層厚度3pm的金，用作上下襯底合 並步驟中倒裝焊過程的連接金屬7，如圖25所示。
步驟10，用丙酮去除光刻膠5 (AZ4620)並腐蝕掉其下面的Ti/Cu種子層4， 腐蝕方法為先用醋酸:雙氧水去離子水的配比為1:1:20的腐蝕液去除種子層中 的銅，再用氟化氫:去離子水配比為1:60的腐蝕液去除種子層中的鈦，形成帶 有上半部分金屬線圈的上襯底，如圖26所示。
三、上下兩部分合併
步驟1將製作好的上下兩部分金屬線圈對準，進行倒裝焊合成完整的螺線 管電感，如圖27所示。
步驟2用氫氟酸將矽上襯底8腐蝕掉，如圖28、圖29所示。
採用本實施方式製作的基於微機電系統的螺線管電感的立體結構，其橫截 面近似為圓形，如圖30所示。
其他實施方式與以上實施方式步驟相同，其差別如下
下半部分製作步驟1和上半部分製作步驟1中的上襯底8和下襯底1的材 料均可為矽或玻璃；阻擋層2和阻擋層9均可採用澱積碳化矽、氮化矽、多晶 矽或氧化矽的方法，或者採用熱氧化的方法製成。下半部分製作步驟2和上半部分製作步驟2中的光刻膠，以及下半部分制
作步驟7和上半部分製作步驟7中的光刻膠均可採用瑞紅RZJ-304、 AZ4620、SU8
等各種光刻膠。
下半部分製作步驟4和上半部分製作步驟4中的半圓弧截面槽也可以製成
梯形截面槽，相應的刻蝕方法為各向異性刻蝕。
下半部分製作步驟9和上半部分製作步驟9中的電鍍也可採用化學鍍實現。 下半部分製作步驟6和上半部分製作歩驟6中的濺射也可採用蒸發的方法實現。
下半部分製作的步驟6和上半部分製作中步驟6中種子層4中，所製作的 一層鈦是起粘附作用的，也可以使用鉻。如果用鉻製作方法同樣為濺射或蒸發， 但在下半部分製作的步驟10和上半部分製作中步驟10中的去除方法為用K3Fe (Cn) e:NaOH:H20的質量比為3:2:100的腐蝕液腐蝕掉。之後所製作的一層銅須 與用作線圈的金屬6相同，如果這層金屬為金則在下半部分製作的步驟10和上 半部分製作中步驟10中的去除方法為用碘化鉀溶液腐蝕，如果為鎳則去除方法 為用硝酸:全氟磺酸鉀水質量比為85:4:411的腐蝕液腐蝕。
下半部分製作的步驟8和上半部分製作中步驟8中用作線圈的金屬6，其金 屬還可以為鎳或金，製作方法同樣為電鍍或化學鍍。
下半部分製作的步驟9和上半部分製作中步驟9中的連接金屬7，其金屬還 可以為鎳、鈷、銠、鉑、鈀、鉻、鋁、銀或金，製作方法同樣為電鍍或化學鍍。
利用仿真工具對本方法製作出的電感的性能進行的仿真結果如圖31、圖32 所示，仿真參數為電感匝數為10、半徑為100nm、線圈寬度lOpm、線圈厚度 l(Vm、線圈間距15iim。電感值的仿真結果如圖31所示，Q值的仿真結果如圖 32所示。可以看出在4GHz時電感的電感值為12nH, Q值大於46，電感的性能 比用其他方法製作的電感有了很大的提高。
權利要求
1.一種微機電系統螺線管電感的製備方法，其特徵在於，該製備方法的步驟包括一、下半部分製作步驟步驟1，在潔淨的下襯底(1)上，製作阻擋層(2)；步驟2，塗一層光刻膠(3)，並進行光刻，形成缺口，露出阻擋層(2)；步驟3，對阻擋層(2)進行刻蝕，刻去露出的阻擋層(2)，使阻擋層形成缺口，之後去除光刻膠(3)；步驟4，在下襯底(1)上刻蝕出一個槽；步驟5，去阻擋層(2)；步驟6，採用濺射或蒸發的方法，製作用作電鍍或化學鍍的種子層(4)；步驟7，塗光刻膠(5)，並進行光刻，形成線圈模具；步驟8，電鍍或化學鍍用作線圈的金屬(6)；步驟9，電鍍或化學鍍連接金屬(7)；步驟10，去光刻膠及其下面的種子層(4)；二、上半部分製作步驟步驟1，在潔淨的上襯底(8)上，製作阻擋層(9)；步驟2，塗一層光刻膠(3)，並進行光刻，形成缺口，露出阻擋層；步驟3，對阻擋層(9)進行刻蝕，刻去露出的阻擋層(9)，使阻擋層形成缺口，之後去除光刻膠(3)；步驟4，在上襯底(8)上刻蝕出一個槽；步驟5，去阻擋層(9)；步驟6，採用濺射或蒸發的方法，製作用作電鍍或化學鍍的種子層(4)；步驟7，塗光刻膠(5)，並進行光刻，形成線圈模具；步驟8，電鍍或化學鍍用作線圈的金屬(6)；步驟9，電鍍或化學鍍連接金屬(7)；步驟10，去光刻膠(5)及其下面的種子層(4)；三、將製作好的上下兩半部分進行對準倒裝焊，形成微機電系統螺線管電感。
2. 根據權利要求l所述的一種微機電系統螺線管電感的製備方法，其特徵 在於，下半部分製作的步驟1和上半部分製作中步驟1中的上襯底(8)和下襯 底(1)的材料為矽或玻璃；阻擋層(2)和阻擋層(9)採用澱積碳化矽、氮化 矽、多晶矽或氧化矽的方法，或者熱氧化的方法製成。
3. 根據權利要求1所述的一種微機電系統螺線管電感的製備方法，其特徵 在於，下半部分製作中步驟4和上半部分製作中步驟4中的槽為半圓弧或梯形 截面形狀，相應的刻蝕方法為各向同性刻蝕和各項異性刻蝕。
4. 根據權利要求l所述的一種微機電系統螺線管電感的製備方法，其特徵 在於，下半部分製作的步驟6和上半部分製作中步驟6中種子層(4)為一層鈦 和一層用作線圈的金屬(6)複合成，或一層鉻和一層用作線圈的金屬(6)復 合成。
5. 根據權利要求l所述的一種微機電系統螺線管電感的製備方法，其特徵 在於，下半部分製作的步驟8和上半部分製作中步驟8中電鍍或化學鍍用作線 圈的金屬(6)，所鍍金屬為銅、鎳、金中的一種金屬。
6. 根據權利要求l所述的一種微機電系統螺線管電感的製備方法，其特徵 在於，下半部分製作的步驟9和上半部分製作中步驟9中的電鍍或化學鍍連接 金屬(7)，所鍍金屬為銅、鎳、鈷、銠、鉑、鈀、鉻、鋁、銀、金中的一種金 屬。
7. 根據權利要求l所述的一種微機電系統螺線管電感的製備方法，其特徵 在於，將製作好的上下兩半部分進行對準倒裝焊後，腐蝕掉上襯底(8)。
全文摘要
本發明公開了一種微機電系統螺線管電感的製備方法，利用MEMS工藝在下襯底上刻蝕出一個槽，然後進行塗膠光刻、電鍍或化學鍍在下襯底的槽內生長出金屬線圈的一半，利用相同的方法在上襯底上的製作出金屬線圈的另一半，最後將兩半金屬線圈對準倒裝焊合併成完整的電感。製備出的螺線管電感由上襯底(8)和下襯底(1)、金屬線圈(6)、電鍍或化學鍍用的種子層(4)、連接金屬(7)組成，其中上襯底可在電感製作完成後去掉。本發明解決了微系統中螺線管電感製備困難的問題，製備方法簡單成本低，並且可與CMOS電路集成，且電感具有較大的電感值和很高的Q值，大大提高了微電感的性能。
文檔編號H01L21/822GK101599425SQ200910082439
公開日2009年12月9日 申請日期2009年4月17日 優先權日2009年4月17日
發明者李修函, 舒光華, 邵際南 申請人:北京交通大學