专利名称：一种微机电系统螺线管电感的制备方法
技术领域：
本发明属于半导体器件及集成电路制备技术领域，具体涉及一种采用微机
电系统(MEMS)技术和倒装焊工艺设计制作的高Q值立体微型螺线管电感。
背景技术：
电感是电路的基本元件之一，是无线通信系统必不可少的重要元件，它的 质量直接决定了整个电路的性能。微结构电感设计与制造的研究在当今无线通 信快速发展的背景下有着非常重要的意义。
微结构电感设计与制造中一直存在诸如Q值不高、与CMOS电路集成性差等 很多问题，而且目前MEMS电感因其制造过程复杂，造价较高而限制了其广泛应 用。
微型电感是集成电路的基本元件，采用MEMS技术加工的微型电感主要分为 表面螺旋电感、垂直螺旋电感、悬浮螺旋电感和螺线管电感四种。其中前两种 螺旋电感的共同问题是由于平面结构自身存在磁通量泄漏较大的缺陷，难以实 现很高的Q值；第三种螺旋电感虽然Q值比较高，但存在结构脆弱等缺陷。而 在螺线管电感中，目前存在的设计中大多数都是方形截面的电感，很难制作圆 形截面的电感，并且制造工序比较多，与CMOS工艺集成比较困难，电感的性能 也不是很理想。从总体上讲，目前存在的MEMS电感，如果Q值较大，L值就会 较小， 一般Q值大于45时，L值不会超过2nH。
发明内容
本发明克服上述各类电感中存在的Q值较低、高Q值电感L值较小、制作 复杂、自身结构脆弱、与CMOS工艺集成困难等缺点，提供了一种高Q值高L值、 制作较为简单、且可以与CMOS工艺集成的螺线管电感的设计和制备方法。本发明的另一特点在于能够用此方法制作出横截面近似为圆形的螺线管 电感，这在其他MEMS螺线管电感中是很少见到的，这也是用本方法制作出的电 感性能优良的基础。
本发明的技术方案如下
一种微机电系统螺线管电感结构由上下两衬底、金属线圈、电镀或化学镀 用的种子层、连接金属组成，其中上衬底可在电感制作完成后去掉。上下衬底 中间各存在一个槽，上下两衬底进行对准倒装焊形成一个中间带有空腔的整体， 其空腔为上下衬底中的槽合并而成。金属线圈生长在空腔之中，线圏的形状为 螺线管形，并且完整的金属线圈是在倒装焊过程中，通过连接金属将上下两衬 底的金属线圈相连形成的。
一种微机电系统螺线管电感的制备方法的步骤包括
一、 下半部分制作步骤
步骤l，在洁净的下衬底上，制作阻挡层；
步骤2，涂一层光刻胶，并进行光刻，形成缺口，露出阻挡层； 步骤3，对阻挡层进行刻蚀，刻去露出的阻挡层，使阻挡层形成缺口，之后 去除光刻胶；
步骤4，在下衬底上刻蚀出一个槽； 步骤5，去阻挡层；
步骤6，采用溅射或蒸发的方法，制作用作电镀或化学镀的种子层； 步骤7，涂光刻胶，并进行光刻，形成线圈模具； 步骤8，电镀或化学镀用作线圈的金属； 步骤9，电镀或化学镀连接金属； 步骤IO，去光刻胶及其下面的种子层；
二、 上半部分制作步骤
步骤l，在洁净的上衬底上，制作阻挡层；步骤2，涂一层光刻胶，并进行光刻，形成缺口，露出阻挡层； 步骤3，对阻挡层进行刻蚀，刻去露出的阻挡层，使阻挡层形成缺口，之后 去除光刻胶；
步骤4，在上衬底上刻蚀出一个槽； 步骤5，去阻挡层；
步骤6，采用溅射或蒸发的方法，制作用作电镀或化学镀的种子层； 步骤7，涂光刻胶，并进行光刻，形成线圈模具； 步骤8，电镀或化学镀用作线圈的金属； 步骤9，电镀或化学镀连接金属； 步骤IO，去光刻胶及其下面的种子层；
三、将制作好的上下两半部分进行对准倒装焊，形成微机电系统螺线管电 感。之后腐蚀掉上衬底。
下半部分制作的步骤1和上半部分制作中步骤1中的上衬底和下衬底的材 料为硅或玻璃；阻挡层采用淀积碳化硅、氮化硅、多晶硅或氧化硅的方法，或 者采用热氧化的方法制成。
下半部分制作中步骤4和上半部分制作中步骤4中的槽为半圆弧或梯形截 面形状，相应的刻蚀方法为各向同性刻蚀和各向异性刻蚀。
下半部分制作的步骤6和上半部分制作中步骤6中种子层为一层钛和一层用 作线圈的金属复合成，或一层铬和一层用作线圈的金属复合成。
下半部分制作的步骤8和上半部分制作中步骤8中电镀或化学镀用作线圈 的金属，所镀金属为铜、镍、金中的一种金属。
下半部分制作的步骤9和上半部分制作中步骤9中的电镀或化学镀连接金 属，所镀金属为铜、镍、钴、铑、铂、钯、铬、铝、银、金中的一种金属。
本发明的有益效果
1.实现了很好的电感性能，制备出的电感具有较大电感值很高的Q值。
62. 采用倒装焊工艺制作电感的方法，解决了圆形截面螺线管电感制备困难 的问题。
3. 结构规则，不同电感值的电感尺寸计算方便。
4. 制作工艺实现较简单。
5. 可与CMOS工艺集成。
图1至图13为采用本发明方法制备微机电系统螺线管电感的步骤中，下半 部分制作流程剖面图，其剖面都是沿图IO中A-A方向，其中 图1为制作阻挡层后的下衬底的剖面图。
图2为在阻挡层上涂一层光刻胶并对其进行光刻后的下衬底的剖面图。
图3为刻蚀阻挡层并去光刻胶后的下衬底的剖面图。
图4为刻蚀阻挡层并去光刻胶后的下衬底的俯视图。
图5为经刻蚀后的下衬底的剖面图。
图6为去阻挡层后的下衬底的剖面图。
图7为去阻挡层后的下衬底的俯视图。
图8为溅射或蒸发种子层后的下衬底的剖面图。
图9为涂光刻胶并对光刻胶光刻后的下衬底的剖面图。
图10为涂光刻胶并对光刻胶光刻后的下衬底的俯视图。
图11为电镀或化学镀用作线圈的金属后的下衬底的剖面图。
图12为电镀或化学镀连接金属后的下衬底的剖面图。
图13为去光刻胶并去种子层后的下衬底的剖面图。
图14至图26为采用本发明方法制备微机电系统螺线管电感的步骤中，上 半部分制作流程剖面图，其剖面都是沿图23中A-A方向，其中 图14为制作阻挡层后的上衬底的剖面图。
7图15为在阻挡层上涂一层光刻胶并对其进行光刻后的上衬底的剖面图。
图16为刻蚀阻挡层并去光刻胶后的上衬底的剖面图。
图17为刻蚀阻挡层并去光刻胶后的上衬底的俯视图。
图18为经刻蚀后的上衬底的剖面图。
图19为去阻挡层后的上衬底的剖面图。
图20为去阻挡层后的上衬底的俯视图。
图21为溅射或蒸发种子层后的上衬底的剖面图。
图22为涂光刻胶并对光刻胶进行光刻后的上衬底的剖面图。
图23为涂光刻胶并对光刻胶进行光刻后的上衬底的俯视图。
图24为电镀或化学镀用作线圈的金属后的上衬底的剖面图。
图25为电镀或化学镀连接金属后的上衬底的剖面图。
图26为去光刻胶并去种子层后的硅衬底的剖面图。
图27、图28为采用本发明方法制备微机电系统螺线管电感的步骤中，上下 两部分合并流程图，其中
图27为将制作好的上下两衬底进行高精度对准倒装焊后的剖面图。 图28为腐蚀上衬底后的剖面图。
图29为腐蚀上衬底后的俯视图，亦即制作好的电感的俯视图。 图30为釆用本方法制作出的电感的立体结构图。
图31、图32为利用仿真软件对本方法制作出的电感(匝数为5、半径为 100畔、线圈宽度10pm、线圈厚度10^m、线圈间距15pm、下衬底材料为玻璃、 用作线圈的金属材料为铜、连接金属材料为金)的性能进行的仿真结果，其中
图31为对电感的电感值随频率变化的仿真结果。
图32为对电感的Q值随频率变化的仿真结果。
图中下衬底l;阻挡层2;光刻胶3;种子层4;光刻胶5;用作线圈的金属6;连接金属7;上衬底8;阻挡层9;制作好的螺线管线圈IO。
具体实施例方式
结合附图对本发明作进一步说明。
一种微机电系统螺线管电感的制备方法，该方法的制备步骤如图1至图29 所示。
一、下半部分制作步骤
步骤l，采用化学气相淀积的方法，在洁净的玻璃下衬底1上，淀积一层2pm 厚的氮化硅阻挡层2，用作后续步骤中各向同性刻蚀的阻挡层，如图1所示。
步骤2，在淀积了氮化硅阻挡层2的玻璃下衬底1上涂光刻胶3 (瑞红 RZJ-304)，厚度为2jim，将光刻胶烘干，烘干温度90。C，时间120秒，之后进 行曝光、显影，形成一条长300iam宽10(im的缺口，如图2所示。
步骤3，对氮化硅阻挡层2进行反应离子刻蚀(RIE刻蚀)，刻去露出的氮 化硅，使氮化硅阻挡层2形成一条长30(Him宽10pm缺口，之后用丙酮去除光 刻胶3 (瑞红RZJ-304)，如图3、图4所示。
步骤4，利用各向同性干法刻蚀工艺，用氟化氢对玻璃下衬底l进行各向同 性刻蚀，在玻璃下衬底上刻蚀出一个横截面半径为100pm的半圆弧截面槽，如 图5所示。
步骤5，用加热到13(TC至15(TC的磷酸，去氮化硅阻挡层2，如图6、图7 所示。
步骤6，利用溅射工艺，在带有半圆弧截面槽的玻璃下衬底1上依次溅射上 一层厚度为200nm的钛和一层厚度为200nm的铜，作为电镀用的种子层4(Ti/Cu 种子层)，如图8所示。
步骤7，采用EVG-101喷雾式涂胶机，涂光刻胶5 (AZ4620)，厚度20wm， 并将光刻胶5 (AZ4620)烘干，烘千温度9(TC，时间2小时，之后进行曝光、显影，形成线圈模具，如图9、图10所示。
步骤8，将经过上述处理后的玻璃下衬底放入CuS(VH2S(^溶液中进行电镀， 在Ti/Cu种子层4上，电镀一层10pm厚的铜形成用作线圈的金属6，由于有光 刻胶5 (AZ4620)的存在，铜只在没有光刻胶的部分生长，从而使铜形成金属线 圈和引脚的形状，作为金属线圈的下半部分，如图11所示。
步骤9，在已经电镀好的铜上再电镀一层厚度3pm的金，用作上下衬底合 并步骤中倒装焊过程的连接金属7，如图12所示。
步骤10，用丙酮去除光刻胶5 (AZ4620)并腐蚀掉其下面的Ti/Cu种子层4， 腐蚀方法为先用醋酸:双氧水:去离子水的配比为1:1:20的腐蚀液去除种子层中 的铜，再用氟化氢:去离子水配比为1:60的腐蚀液去除种子层中的钛，形成带 有引脚和下半部分金属线圈的下衬底，如图13所示。
二、上半部分制作步骤
步骤1，将洁净的的硅上衬底8放入氧化炉中氧化，形成厚度为2pm的氧 化硅阻挡层9，用作后续步骤中各向同性刻蚀的阻挡层，如图14所示。
步骤2，在已形成氧化硅阻挡层9的硅上衬底8上涂一层光刻胶3 (瑞红 RZJ-304),厚度为2pm，将光刻胶烘干，烘干温度9CTC，时间120秒，之后进 行曝光显影，形成一条长30(Vm宽l(^m的缺口，如图15所示。
步骤3，对氧化硅阻挡层9进行反应离子刻蚀(RIE刻蚀)，刻去露出的氧 化硅，使氧化硅阻挡层9形成一条长30(^m宽10,缺口，之后用丙酮去除光 刻胶3 (瑞红RZJ-304)，如图16、图17所示。
步骤4，利用各向同性干法刻蚀工艺，对硅上衬底8进行各向同性刻蚀，同 样在硅上衬底8上刻蚀出一个横截面半径为100pm的半圆弧截面槽，如图18 所示。
步骤5，将硅片置于10%的氢氟酸溶液中去除氧化硅阻挡层9，如图19、图 20所示。步骤6，利用溅射工艺，在带有半圆弧截面槽的硅上衬底8上，依次溅射一
层厚度为200nm的钛和一层厚度为200mn的铜，作为电镀用的种子层4 (Ti/Cu 种子层)，如图21所示。
步骤7，采用EVG-101喷雾式涂胶机，涂光刻胶5 (AZ4620)，厚度20^im， 并将光刻胶5 (AZ4620)烘干，烘干温度90°C，时间2小时，之后进行曝光、 显影，形成线圈模具，如图22、图23所示。
步骤8，将经过上述处理后的硅上衬底8放入CuS0,/H2S04溶液中进行电镀， 在Ti/Cu种子层4上电镀一层l(Vm厚的铜，形成用作线圈的金属6，作为上半 部分金属线圈，如图24所示；
步骤9，在已经电镀好的铜上再电镀一层厚度3pm的金，用作上下衬底合 并步骤中倒装焊过程的连接金属7，如图25所示。
步骤10，用丙酮去除光刻胶5 (AZ4620)并腐蚀掉其下面的Ti/Cu种子层4， 腐蚀方法为先用醋酸:双氧水去离子水的配比为1:1:20的腐蚀液去除种子层中 的铜，再用氟化氢:去离子水配比为1:60的腐蚀液去除种子层中的钛，形成带 有上半部分金属线圈的上衬底，如图26所示。
三、上下两部分合并
步骤1将制作好的上下两部分金属线圈对准，进行倒装焊合成完整的螺线 管电感，如图27所示。
步骤2用氢氟酸将硅上衬底8腐蚀掉，如图28、图29所示。
采用本实施方式制作的基于微机电系统的螺线管电感的立体结构，其横截 面近似为圆形，如图30所示。
其他实施方式与以上实施方式步骤相同，其差别如下
下半部分制作步骤1和上半部分制作步骤1中的上衬底8和下衬底1的材 料均可为硅或玻璃；阻挡层2和阻挡层9均可采用淀积碳化硅、氮化硅、多晶 硅或氧化硅的方法，或者采用热氧化的方法制成。下半部分制作步骤2和上半部分制作步骤2中的光刻胶，以及下半部分制
作步骤7和上半部分制作步骤7中的光刻胶均可采用瑞红RZJ-304、 AZ4620、SU8
等各种光刻胶。
下半部分制作步骤4和上半部分制作步骤4中的半圆弧截面槽也可以制成
梯形截面槽，相应的刻蚀方法为各向异性刻蚀。
下半部分制作步骤9和上半部分制作步骤9中的电镀也可采用化学镀实现。 下半部分制作步骤6和上半部分制作歩骤6中的溅射也可采用蒸发的方法实现。
下半部分制作的步骤6和上半部分制作中步骤6中种子层4中，所制作的 一层钛是起粘附作用的，也可以使用铬。如果用铬制作方法同样为溅射或蒸发， 但在下半部分制作的步骤10和上半部分制作中步骤10中的去除方法为用K3Fe (Cn) e:NaOH:H20的质量比为3:2:100的腐蚀液腐蚀掉。之后所制作的一层铜须 与用作线圈的金属6相同，如果这层金属为金则在下半部分制作的步骤10和上 半部分制作中步骤10中的去除方法为用碘化钾溶液腐蚀，如果为镍则去除方法 为用硝酸:全氟磺酸钾水质量比为85:4:411的腐蚀液腐蚀。
下半部分制作的步骤8和上半部分制作中步骤8中用作线圈的金属6，其金 属还可以为镍或金，制作方法同样为电镀或化学镀。
下半部分制作的步骤9和上半部分制作中步骤9中的连接金属7，其金属还 可以为镍、钴、铑、铂、钯、铬、铝、银或金，制作方法同样为电镀或化学镀。
利用仿真工具对本方法制作出的电感的性能进行的仿真结果如图31、图32 所示，仿真参数为电感匝数为10、半径为100nm、线圈宽度lOpm、线圈厚度 l(Vm、线圈间距15iim。电感值的仿真结果如图31所示，Q值的仿真结果如图 32所示。可以看出在4GHz时电感的电感值为12nH, Q值大于46，电感的性能 比用其他方法制作的电感有了很大的提高。
权利要求
1.一种微机电系统螺线管电感的制备方法，其特征在于，该制备方法的步骤包括一、下半部分制作步骤步骤1，在洁净的下衬底(1)上，制作阻挡层(2)；步骤2，涂一层光刻胶(3)，并进行光刻，形成缺口，露出阻挡层(2)；步骤3，对阻挡层(2)进行刻蚀，刻去露出的阻挡层(2)，使阻挡层形成缺口，之后去除光刻胶(3)；步骤4，在下衬底(1)上刻蚀出一个槽；步骤5，去阻挡层(2)；步骤6，采用溅射或蒸发的方法，制作用作电镀或化学镀的种子层(4)；步骤7，涂光刻胶(5)，并进行光刻，形成线圈模具；步骤8，电镀或化学镀用作线圈的金属(6)；步骤9，电镀或化学镀连接金属(7)；步骤10，去光刻胶及其下面的种子层(4)；二、上半部分制作步骤步骤1，在洁净的上衬底(8)上，制作阻挡层(9)；步骤2，涂一层光刻胶(3)，并进行光刻，形成缺口，露出阻挡层；步骤3，对阻挡层(9)进行刻蚀，刻去露出的阻挡层(9)，使阻挡层形成缺口，之后去除光刻胶(3)；步骤4，在上衬底(8)上刻蚀出一个槽；步骤5，去阻挡层(9)；步骤6，采用溅射或蒸发的方法，制作用作电镀或化学镀的种子层(4)；步骤7，涂光刻胶(5)，并进行光刻，形成线圈模具；步骤8，电镀或化学镀用作线圈的金属(6)；步骤9，电镀或化学镀连接金属(7)；步骤10，去光刻胶(5)及其下面的种子层(4)；三、将制作好的上下两半部分进行对准倒装焊，形成微机电系统螺线管电感。
2. 根据权利要求l所述的一种微机电系统螺线管电感的制备方法，其特征 在于，下半部分制作的步骤1和上半部分制作中步骤1中的上衬底(8)和下衬 底(1)的材料为硅或玻璃；阻挡层(2)和阻挡层(9)采用淀积碳化硅、氮化 硅、多晶硅或氧化硅的方法，或者热氧化的方法制成。
3. 根据权利要求1所述的一种微机电系统螺线管电感的制备方法，其特征 在于，下半部分制作中步骤4和上半部分制作中步骤4中的槽为半圆弧或梯形 截面形状，相应的刻蚀方法为各向同性刻蚀和各项异性刻蚀。
4. 根据权利要求l所述的一种微机电系统螺线管电感的制备方法，其特征 在于，下半部分制作的步骤6和上半部分制作中步骤6中种子层(4)为一层钛 和一层用作线圈的金属(6)复合成，或一层铬和一层用作线圈的金属(6)复 合成。
5. 根据权利要求l所述的一种微机电系统螺线管电感的制备方法，其特征 在于，下半部分制作的步骤8和上半部分制作中步骤8中电镀或化学镀用作线 圈的金属(6)，所镀金属为铜、镍、金中的一种金属。
6. 根据权利要求l所述的一种微机电系统螺线管电感的制备方法，其特征 在于，下半部分制作的步骤9和上半部分制作中步骤9中的电镀或化学镀连接 金属(7)，所镀金属为铜、镍、钴、铑、铂、钯、铬、铝、银、金中的一种金 属。
7. 根据权利要求l所述的一种微机电系统螺线管电感的制备方法，其特征 在于，将制作好的上下两半部分进行对准倒装焊后，腐蚀掉上衬底(8)。
全文摘要
本发明公开了一种微机电系统螺线管电感的制备方法，利用MEMS工艺在下衬底上刻蚀出一个槽，然后进行涂胶光刻、电镀或化学镀在下衬底的槽内生长出金属线圈的一半，利用相同的方法在上衬底上的制作出金属线圈的另一半，最后将两半金属线圈对准倒装焊合并成完整的电感。制备出的螺线管电感由上衬底(8)和下衬底(1)、金属线圈(6)、电镀或化学镀用的种子层(4)、连接金属(7)组成，其中上衬底可在电感制作完成后去掉。本发明解决了微系统中螺线管电感制备困难的问题，制备方法简单成本低，并且可与CMOS电路集成，且电感具有较大的电感值和很高的Q值，大大提高了微电感的性能。
文档编号H01L21/822GK101599425SQ200910082439
公开日2009年12月9日 申请日期2009年4月17日 优先权日2009年4月17日
发明者李修函, 舒光华, 邵际南 申请人:北京交通大学