微機電系統磁芯螺線管微電感器件的製備方法
2023-11-07 03:50:22
專利名稱：微機電系統磁芯螺線管微電感器件的製備方法
技術領域：
本發明涉及一種微機電系統(MEMS)磁芯螺線管微電感器件的製備方法，製備的微型化、集成化磁芯微電感器件是實現微型化DC-DC變換器的關鍵元件，可廣泛應用於無線通信、軍事/航空航天儀器設備、計算機/外部設備及其它各種可攜式電子產品的電源供電器。屬於微電子技術領域。
背景技術：
近年來小型化可攜式電子產品如移動通信產品手機CDMA(Code DivisionMultipleAccess，碼分多址)、手提筆記本電腦、網絡產品ADSL(AsymmetricalDigital Subscriber Loop，非對稱數字用戶環線)、微處理器、數位照相機、快閃記憶體器件、音響、充電器等越來越受到市場的歡迎和關注。這些可攜式電子產品的小型化、微型化，首先要考慮電子元器件的小型化和微型化。磁性器件如電感器件及由它構成的電源變壓器、DC-DC變換器、振蕩器、濾波器、放大器和調諧器等是電子線路中不可缺少的重要元件，電感器件的微型化及其與電路的集成化是實現電子設備、電子產品小尺寸、重量輕和高性能的關鍵之一，特別是由磁性薄膜微電感器件構成的微型化DC-DC變換器將廣泛應用於各種可攜式電子產品如手機CDMA、網絡產品ADSL、計算機系統/外部設備如個人筆記本電腦中微處理器的功率傳送和DVD等、數字系統如8mm錄像機等。一般地講，常規的電感器件大都採用機械繞線方式在磁芯周圍繞制線圈，具有體積大、高重量、成本高及工作頻率低(幾KHz)等缺點。磁性薄膜微電感器件要求工作頻率在1MHz以上，尺寸在2mm以下，採用常規的微電子技術很難在平面襯底上製作高性能的微型化電感器件。近年來，微機電系統(MEMS)技術的迅速發展，特別是以三維非矽材料為主的準-LIGA加工技術成為當前國際上研製微型化多層結構微器件及RF MEMS器件的一種最先進的技術。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.)採用MEMS技術和反應離子刻蝕(RIE)技術，通過電鍍銅線圈和鐵鎳磁芯的方法，研製了尺寸為4mm×1mm的螺線管微電感器件，在10kHz下電感量為0.4μH。由於在製作過程中使用化學溼法刻蝕底層，不可避免給線圈帶來鑽蝕現象。而且在製造過程中，作者使用的絕緣材料固化溫度高達350℃，將給線圈和磁芯的性能產生影響，因此難以獲得高性能的微電感器件。
發明內容
本發明的目的是針對現有技術中的不足及市場需求，提出一種微機電系統磁芯螺線管微電感器件的製備方法，使得到的微電感器件具有低電阻、高電感量、高品質因子以及高效率、低損耗的特點。
為實現這樣的目的，本發明利用微機電系統MEMS技術，對雙面氧化的矽片進行處理，得到雙面套刻對準符號，以便曝光時提高對準精度，採用物理刻蝕技術去種子層，避免溼法刻蝕工藝帶來的鑽蝕現象，採用一次電鍍連接導體方法，有效解決現有技術中電鍍連接導體出現的高深寬比的問題，製備出高品質的微型化磁芯螺線管微電感器件。
本發明的微電感器件主要由襯底，引腳，線圈、磁芯組成，矩形或環形閉合的磁芯上對稱繞制兩組相連的三維立體螺線管線圈，線圈及引腳設置在襯底平面上。線圈由底層線圈和頂層線圈通過連接導體連接形成，底層線圈、頂層線圈及連接導體通過聚醯亞胺絕緣材料和磁芯隔開，線圈與線圈之間通過聚醯亞胺絕緣材料隔開。
本發明的底層線圈和頂層線圈的寬度為15～25μm，每一匝的導體厚度為5～20μm，各匝之間的間距為15～25μm，匝數為3842匝。
本發明連接導體的空間形狀為四稜柱體，厚度為40～70μm。
磁芯材料為電鍍的軟磁材料如坡莫合金，厚度為20～40μm。
聚醯亞胺絕緣材料不僅絕緣磁芯和上、下層線圈，而且起支撐平臺的作用。
本發明製造MEMS磁芯螺線管微電感器件的工藝具體如下1、在清洗處理過的雙面氧化的矽片襯底雙面甩正膠AZ4000系列，光刻膠厚度為5μm，然後將光刻膠烘乾；將矽片底面經曝光、顯影后，在腐蝕液裡刻蝕二氧化矽，最後用丙酮去除所有的光刻膠，得到雙面套刻對準符號。
2、在矽片的上面澱積Cr/Cu底層線圈種子層，厚度為100nm。下面工藝均在此面上進行。
3、甩正膠，光刻膠厚度為8μm，將襯底基片上的光刻膠烘乾；曝光、顯影后得到底層電鍍連接導線圖形；物理刻蝕底層後去光刻膠，得到底層電鍍連接導線。
4、甩正膠，光刻膠厚度為20μm，然後將光刻膠烘乾；曝光、顯影后得到底層線圈圖形；最後電鍍底層線圈，厚度為20μm，電鍍材料為銅。
5、甩正膠，光刻膠的厚度為10μm，然後將光刻膠烘乾；曝光、顯影后得到引腳的圖形；最後電鍍引腳，厚度為10μm，電鍍材料為銅。
6、用丙酮去除所有的光刻膠後；然後甩聚醯亞胺、固化及拋光，聚醯亞胺厚度為40μm，烘乾工藝為120～200℃之間分段保溫3小時，然後於250℃氬氣氣氛下固化2小時，最後隨爐冷卻；拋光聚醯亞胺，保留底層線圈與磁芯的絕緣層為10μm。
7、濺射NiFe磁芯種子層，厚度為100nm；甩正膠，光刻膠厚度為30μm，然後將光刻膠烘乾；曝光與顯影后，得到磁芯圖形；最後電鍍磁芯，厚度為30μm，材料為坡莫合金。
8、用丙酮去除所有的光刻膠後，用物理刻蝕方法刻蝕NiFe磁芯種子層。
9、甩聚醯亞胺、固化及拋光，聚醯亞胺厚度為60μm，烘乾工藝為120～200℃之間分段保溫3小時，最後於250℃氬氣氣氛下固化2小時，最後隨爐冷卻；拋光聚醯亞胺，保留頂層線圈與磁芯的絕緣層為10μm。
10、蒸發鋁膜，厚度為300nm；甩正膠，光刻膠厚度為8μm，然後將光刻膠烘乾；曝光與顯影后，用化學方法刻蝕鋁膜，然後用丙酮去除所有的光刻膠後，得到刻蝕連接導體圖形窗口；用鋁膜作掩膜，反應離子(RIE)刻蝕聚醯亞胺，一直刻蝕到底層線圈的銅連接導體為止；最後電鍍連接導體，厚度為50μm，電鍍材料為銅。
11、用物理刻蝕方法刻蝕鋁膜。
12、濺射Cr/Cu頂層線圈種子層，厚度為100nm；甩正膠，光刻膠厚度為20μm，然後將光刻膠烘乾；曝光與顯影后，得到頂層線圈的圖形；最後電鍍頂層線圈，厚度為20μm，電鍍材料為銅。
13、用丙酮去除光刻膠後，用物理刻蝕方法刻蝕Cr/Cu頂層線圈種子層。
14、甩聚醯亞胺、固化及拋光，聚醯亞胺厚度為40μm，烘乾工藝為120～200℃之間分段保溫3小時，然後於250℃氬氣氣氛下固化2小時，最後隨爐冷卻；拋光聚醯亞胺，直到頂層線圈暴露為止。
15、蒸發頂層鋁膜，厚度為300nm；甩正膠，光刻膠厚度為8μm，然後將光刻膠烘乾；曝光與顯影后，用化學方法刻蝕頂層鋁膜，然後用丙酮去除所有的光刻膠後，得到用RIE刻蝕底層引腳圖形及周邊聚醯亞胺的窗口；用頂層鋁膜作掩膜，反應離子(RIE)刻蝕聚醯亞胺，一直刻蝕到引腳及底層電鍍連接導線暴露為止。
16、用物理刻蝕方法刻蝕頂層鋁膜和頂層線圈Cr/Cu種子層，最終得到磁芯螺線管微電感器件。
本發明方法中，甩聚醯亞胺時先低速800轉維持10秒，再快速2000轉維持30秒，然後進行烘乾、固化。
本發明與現有技術相比，具有以下有益的效果(1)本發明避免了採用溼法刻蝕Cr/Cu種子層，而採用物理方法刻蝕種子層，消除了溼法刻蝕中出現的鑽蝕現象，可得到線圈均勻的導體；(2)本發明採用雙面套刻技術，大大提高了光刻的精度；(3)本發明採用一次電鍍連接導體，有效解決了現有技術中電鍍連接導體出現的高深寬體的問題；(4)本發明採用聚醯亞胺作絕緣層，有效解決了磁芯與底層線圈和頂層線圈以及連接導體與磁芯之間的絕緣問題。
(5)本發明對聚醯亞胺絕緣層採用拋光技術，提高了基片的平整性，很好地解決了連接導體和線圈之間連接出現斷路的問題。
圖1為本發明的微電感器件結構示意圖。圖1中，1為襯底，2為引腳，3為線圈，4為磁芯。
圖2為圖1結構沿A-A方向剖示圖。圖2中，1為襯底，4為磁芯，5為底層線圈，6為聚醯亞胺絕緣材料，7為連接體，8為頂層線圈。
圖3為本發明方法步驟1中甩正膠、曝光、顯影工藝示意圖。圖3中，1為襯底；9為正膠。
圖4為步驟1中刻蝕SiO2及去光刻膠工藝示意圖。圖4中，10為套刻圖形。
圖5為步驟2，4中澱積Cr/Cu，甩正膠、曝光、顯影，電鍍底層線圈工藝示意圖。圖5中，5為底層線圈，11為Cr/Cu底層線圈種子層；12為正膠。
圖6為步驟5中甩正膠、曝光、顯影，電鍍引腳工藝示意圖。圖6中，2為引腳；13為正膠。
圖7為步驟6中去正膠，聚醯亞胺固化及拋光工藝示意圖。圖7中，6為聚醯亞胺。
圖8為步驟7中沉積NiFe，甩正膠，曝光、顯影，電鍍工藝示意圖。圖8中，4為磁芯；14為NiFe磁芯種子層；15為正膠。
圖9為步驟8～9中去正膠及NiFe種子層，聚醯亞胺固化及拋光工藝示意圖。圖9中，6為聚醯亞胺。
圖10為步驟10蒸發鋁膜，甩正膠，曝光、顯影， RIE刻蝕聚醯亞胺工藝示意圖。圖10中，16為鋁膜；17為正膠；18為刻蝕窗口。
圖11為步驟10～11中電鍍連接體，去鋁膜工藝示意圖。圖11中，7為連接體。
圖12為步驟12中濺射Cr/Cu，甩正膠，曝光、顯影，電鍍頂層線圈工藝示意圖。圖12中，8為頂層線圈；19為Cr/Cu層；20為正膠。
圖13為步驟13～14中去正膠及底層，聚醯亞胺固化及拋光工藝示意圖。圖13中，6為聚醯亞胺。
圖14為步驟15中蒸發頂層鋁膜，甩正膠、曝光、顯影，RIE刻蝕聚醯亞胺工藝示意圖。圖14中，21為頂層鋁膜；22為正膠。
圖15為步驟16中去正膠，刻蝕頂層鋁膜及底層工藝示意圖。
具體實施例方式
以下結合附圖對本發明的具體結構作進一步的描述。
本發明的微電感器件結構如圖1所示，由襯底1，引腳2，螺線管線圈3、磁芯4組成，螺線管線圈3以襯底1為基礎，矩形閉合的磁芯4周圍對稱繞制兩組相連的三維立體螺線管線圈3，螺線管線圈3的兩端連接引腳2。
圖2為圖1結構沿A-A方向剖示圖，顯示了本發明螺線管線圈3處的縱向立體結構。如圖2所示，在襯底1的平面上設置底層線圈5，磁芯4周圍繞制三維立體螺線管線圈3，螺線管線圈3由底層線圈5、頂層線圈8通過連接導體7連接形成，底層線圈5、頂層線圈8、連接導體7均通過聚醯亞胺絕緣材料6與磁芯4隔開。
連接導體7的空間形狀為四稜柱體，高度為50μm。
線圈3的形狀為螺線管型，每一匝導體的寬度為20μm，厚度為20μm，各匝之間的間隔為20μm，匝數為42匝。
圖3～15給出了上述MEMS磁芯螺線管微電感器件的研製工藝，具體的講(1)在清洗處理過的雙面氧化的襯底1上雙面甩正膠AZ4000系列，光刻膠9，如圖3所示，光刻膠的厚度為5μm，將光刻膠烘乾，烘乾的溫度為95℃，時間為1小時；單面曝光、顯影后，在腐蝕液裡刻蝕二氧化矽，去光刻膠9，得到如圖4所示的雙面套刻對準圖形10；(2)在矽片的上面澱積Cr/Cu底層線圈種子層11，如圖5所示，厚度為100nm；(3)甩正膠，光刻膠厚度為5μm，將襯底基片烘乾，烘乾的溫度為95℃，烘乾時間為1小時；曝光、顯影后得到底層電鍍連接導線圖形；然後物理刻蝕底層，最後用丙酮將光刻膠去除，得到底層電鍍連接導線；(4)甩正膠12，如圖5所示，光刻膠厚度為20μm，將襯底基片烘乾，烘乾的溫度為90℃，烘乾時間為2小時；曝光、顯影后得到底層線圈圖形；最後電鍍底層線圈5，厚度為20μm，電鍍材料為銅；(5)甩正膠13，如圖6所示，光刻膠的厚度為10μm，烘乾溫度為95℃，時間為1小時；曝光、顯影后得到引腳的圖形；電鍍引腳2，厚度為10μm，電鍍材料為銅；(6)用丙酮去除正膠12、13；然後甩聚醯亞胺6，固化及拋光，如圖7所示，聚醯亞胺厚度為40μm，烘乾工藝為120℃、150℃、180℃各1小時，然後於250℃氬氣氣氛下固化2小時，最後隨爐冷卻；拋光聚醯亞胺6，保留底層線圈5與磁芯4的絕緣層為10μm；(7)濺射NiFe磁芯種子層14，如圖8所示，厚度為100nm；甩正膠15，光刻膠厚度為30μm，烘乾溫度為90℃，時間為2小時；曝光與顯影后，得到磁芯圖形；電鍍磁芯4，厚度為30μm，材料為坡莫合金；(8)用丙酮去除光刻膠15後，用物理刻蝕方法刻蝕NiFe磁芯種子層14；(9)甩聚醯亞胺6，固化及拋光，如圖9所示，聚醯亞胺厚度為60μm，烘乾工藝為120℃、150℃，180℃各1小時，然後於250℃氬氣氣氛下固化2小時，最後隨爐冷卻；拋光聚醯亞胺6，保留如圖2所示的頂層線圈8與磁芯4的絕緣層為10μm；(10)蒸發鋁膜16，如圖10所示，厚度為300nm；甩正膠17，光刻膠厚度為8μm，烘乾溫度為95℃，時間為1小時；曝光與顯影后，用化學方法刻蝕鋁膜16，最後用丙酮去除光刻膠17，得到連接導體圖形窗口18，用鋁膜作掩膜，反應離子(RIE)刻蝕聚醯亞胺6，一直刻蝕到底層的連接導體7；最後電鍍連接導體7，如圖11所示，厚度為50μm，電鍍材料為銅；(11)用物理刻蝕方法刻蝕鋁膜16；(12)濺射Cr/Cu頂層線圈種子層19，如圖12所示，厚度為100nm；甩正膠20，光刻膠厚度為20μm，烘乾溫度為90℃，時間為2小時；曝光與顯影后，得到頂層線圈的圖形；最後電鍍頂層線圈8，厚度為20μm，電鍍材料為銅；(13)用丙酮去除光刻膠20後，用物理刻蝕方法刻蝕Cr/Cu頂層線圈種子層19；(14)甩聚醯亞胺6，固化及拋光，如圖13所示，聚醯亞胺厚度為40μm，烘乾工藝為120℃、150℃，180℃各1小時，然後於250℃氬氣氣氛下固化2小時，最後隨爐冷卻；拋光聚醯亞胺6，直到頂層線圈8暴露為止；(15)蒸發頂層鋁膜21，如圖14所示，厚度為300nm；甩正膠22，光刻膠厚度為8μm，烘乾溫度為95℃，1小時；曝光與顯影后，用化學方法刻蝕頂層鋁膜21，用丙酮去除光刻膠22，得到用RIE刻蝕底層引腳圖形及周邊聚醯亞胺的窗口；最後用頂層鋁膜21作掩膜，反應離子(RIE)刻蝕聚醯亞胺6，一直刻蝕到引腳2及底層電鍍連接導線暴露為止；(16)用物理刻蝕方法刻蝕頂層鋁膜21和Cr/Cu底層線圈種子層11，最終得到如圖15所示的磁芯螺線管微電感器件。
實施例中，甩聚醯亞胺時先低速800轉維持10秒，再快速2000轉維持30秒，然後進行烘乾、固化。
權利要求
1.一種微機電系統磁芯螺線管微電感器件的製備方法，其特徵在於包括如下步驟1)在清洗處理過的雙面氧化矽片襯底上面甩正膠，光刻膠厚度為5μm，然後將光刻膠烘乾；矽片底面經曝光、顯影后，刻蝕二氧化矽，去光刻膠，得到雙面套刻對準符號(10)；2)在矽片的上面澱積Cr/Cu底層線圈種子層(11)，厚度為100nm；3)甩正膠，光刻膠厚度為5μm，將襯底基片烘乾；曝光、顯影后得到底層電鍍連接導線圖形；然後物理刻蝕底層，最後用丙酮將光刻膠去除，得到底層電鍍連接導線；4)甩正膠，光刻膠厚度為20μm，將襯底基片烘乾；曝光、顯影后得到底層線圈圖形；最後電鍍底層線圈(5)，厚度為20μm，電鍍材料為銅；5)甩正膠，光刻膠的厚度為10μm，然後將光刻膠烘乾；曝光、顯影后得到引腳的圖形；電鍍引腳(2)，厚度為10μm，電鍍材料為銅；6)用丙酮去除光刻膠；然後甩聚醯亞胺(6)，厚度為40μm，烘乾工藝為120℃、150℃、180℃各1小時，然後於250℃氬氣氣氛下固化2小時，最後隨爐冷卻；拋光聚醯亞胺(6)，保留底層線圈(5)與磁芯(4)的絕緣層為10μm；7)濺射NiFe磁芯種子層(14)，厚度為100nm；甩正膠，光刻膠厚度為30μm，將光刻膠烘乾；曝光與顯影后，得到磁芯圖形；電鍍磁芯(4)，厚度為30μm，材料為坡莫合金；8)用丙酮去除光刻膠後，用物理刻蝕方法刻蝕NiFe磁芯種子層(14)；9)甩聚醯亞胺(6)，厚度為60μm，烘乾工藝為120℃、150℃，180℃各1小時，然後於250℃氬氣氣氛下固化2小時，最後隨爐冷卻；拋光聚醯亞胺(6)，保留頂層線圈(8)與磁芯(4)的絕緣層為10μm；10)蒸發鋁膜(16)，厚度為300nm；甩正膠，光刻膠厚度為8μm，將光刻膠烘乾；曝光與顯影后，用化學方法刻蝕鋁膜(16)，最後用丙酮去除光刻膠，得到連接導體圖形窗口；用鋁膜作掩膜，反應離子(RIE)刻蝕聚醯亞胺(6)，一直刻蝕到底層的連接導體(7)；最後電鍍連接導體(7)，厚度為50μm，電鍍材料為銅；11)用物理刻蝕方法刻蝕鋁膜(16)；12)濺射Cr/Cu頂層線圈種子層(19)，厚度為100nm；甩正膠，光刻膠厚度為20μm，將光刻膠烘乾；曝光與顯影后，得到頂層線圈的圖形；最後電鍍頂層線圈(8)，厚度為20μm，電鍍材料為銅；13)用丙酮去除光刻膠後，用物理刻蝕方法刻蝕Cr/Cu頂層線圈種子層(19)；14)甩聚醯亞胺(6)，固化及拋光，聚醯亞胺厚度為40μm，烘乾工藝為120℃、150℃，180℃各1小時，然後於250℃氬氣氣氛下固化2小時，最後隨爐冷卻；拋光聚醯亞胺(6)，直到頂層線圈(8)暴露為止；15)蒸發頂層鋁膜(21)，厚度為300nm；甩正膠，光刻膠厚度為8μm，將光刻膠烘乾；曝光與顯影后，用化學方法刻蝕頂層鋁膜(21)，用丙酮去除光刻膠，得到用RIE刻蝕底層引腳圖形及周邊聚醯亞胺的窗口；最後用頂層鋁膜(21)作掩膜，反應離子(RIE)刻蝕聚醯亞胺(6)，一直刻蝕到引腳(2)及底層電鍍連接導線暴露為止；16)用物理刻蝕方法刻蝕頂層鋁膜(21)和Cr/Cu底層線圈種子層(11)，最終得到磁芯螺線管微電感器件。
2.如權利要求1的微型化磁芯螺線管微電感器件的製備方法，其特徵在於甩聚醯亞胺時先低速800轉維持10秒，再快速2000轉維持30秒，然後進行烘乾、固化。
3.一種採用權利要求1的方法製備的微型化磁芯螺線管微電感器件，其特徵在於包括襯底(1)、引腳(2)、線圈(3)、磁芯(4)，矩形或環形閉合的磁芯(4)上對稱繞制兩組相連的三維立體螺線管線圈(3)，線圈(3)以襯底(1)為基礎，由底層線圈(5)、頂層線圈(8)通過連接導體(7)連接形成，線圈(3)的兩端連接引腳(2)，線圈(3)的底層線圈(5)、頂層線圈(8)、連接導體(7)均通過聚醯亞胺絕緣材料(6)與磁芯(4)隔開。
4.如權利要求3的微型化磁芯螺線管微電感器件，其特徵在於所述線圈(3)每一匝導體的寬度為20μm，厚度為20μm，各匝之間的間隔為20μm，匝數為42匝。
5.如權利要求3的微型化磁芯螺線管微電感器件，其特徵在於所述磁芯(4)材料為坡莫合金，厚度為30μm。
全文摘要
本發明提供一種微機電系統磁芯螺線管微電感器件的製備方法，利用微機電系統MEMS技術，對雙面氧化的矽片進行處理，得到雙面套刻對準符號，以便曝光時提高對準精度，採用物理刻蝕技術去種子層，採用一次電鍍連接導體，製備出的微電感器件主要由襯底，引腳，線圈、磁芯組成，矩形或環形閉合的磁芯上對稱繞制兩組相連的三維立體螺線管線圈，線圈由底層線圈和頂層線圈通過連接導體連接形成，底層線圈、頂層線圈及連接導體通過聚醯亞胺絕緣材料和磁芯隔開。本發明方法避免了溼法刻蝕工藝帶來的鑽蝕現象，解決了線圈的立體繞線和層間的絕緣問題及高深寬比的電鍍問題，使得微電感器件的電感性能大大提高。
文檔編號H01F37/00GK1564280SQ20041001785
公開日2005年1月12日 申請日期2004年4月22日 優先權日2004年4月22日
發明者周勇, 高孝裕, 周海濤, 陳吉安 申請人:上海交通大學