一种抗过载非硅mems厚金属悬空微电感的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种抗过载非硅MEMS厚金属悬空微电感。MEMS悬空微电感的悬空高度为20μm，悬空金属螺旋线圈金属层厚度为20μm，在悬空金属螺旋线圈和基片之间增加了支撑柱来改善线圈的抗过载能力，支撑柱布置于线圈对角线位置。制作工艺为：清洗处理基片；基片正面涂胶、背面溅射Cr，涂胶、曝光、显影、腐蚀，制作套刻对准标记；去胶、溅射、涂胶、曝光、显影、电铸Cu；溅射、涂胶、光刻、显影、电铸Cu；去除光刻胶和种子层。本发明提出的MEMS悬空微电感具有优异的射频性能和较强的抗过载能力，工艺过程中不需要进行抛光，工艺流程简洁，成品率高。
【专利说明】一种抗过载非娃MEMS厚金属悬空微电感
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种抗过载非硅MEMS厚金属悬空微电感的设计制作方法，属于MEMS工艺【技术领域】。
【背景技术】
[0002]电感是射频电路的重要无源器件之一，随着RF MEMS技术的发展，已有一些采用MEMS技术制作的电感见诸公开报道，这些电感都表现出了相对于采用标准集成电路工艺制作的电感更好的射频性能，其中采用悬空金属螺旋线圈结构的MEMS悬空微电感Q值最高，可以很好的改善射频集成电路的性能。
[0003]MEMS悬空微电感的关键参数主要是线圈悬浮高度和线圈金属厚度，线圈的悬浮高度决定了对衬底损耗的抑制作用，而线圈的金属厚度则决定了电感串联电阻的大小。基于对电感射频性能的考虑，人们希望得到较高的线圈悬空高度和较厚的线圈的金属厚度。公开报道的MEMS悬空微电感的线圈悬空高度一般是几微米到10微米左右，线圈金属层的厚度则一般不超过10微米，因此不能很好的满足高性能电感的性能需求。同时，MEMS悬空线圈结构也决定了其机械性 能较差的特点。MEMS电感在制作和使用过程中可能会经受各种冲击作用，当冲击作用较大时，悬空线圈就有可能出现塑性变形甚至断裂或脱落，造成电感失效。
【发明内容】
[0004]本发明针对现有技术存在的不足，提出了一种抗过载非娃MEMS厚金属悬空微电感。该发明基于非硅MEMS表面微加工技术，针对悬空微电感的射频性能要求和冲击作用下的可靠性问题，采取了以下解决措施:
[0005]首先采用厚胶光刻和电铸工艺，使得电感线圈的悬空高度达到了 20 μ m，线圈金属厚度达到了 20 μ m，显著的减小了电感的衬底损耗和串联欧姆损耗。
[0006]其次针对悬空金属螺旋线圈可靠性较差的问题，在线圈下方增加了支撑体立柱。由于支撑体立柱会增加线圈与衬底之间的电容耦合作用，因此该发明仅在线圈的对角线位置设计了支撑体立柱，从而减小了支撑体立柱对电感射频性能的影响。
[0007]本发明是通过以下技术方案实现的:
[0008]本发明涉及的抗过载非硅MEMS厚金属悬空微电感包括悬空金属螺旋线圈、电连接立柱和支撑体立柱。
[0009]所述的悬空金属螺旋线圈的导线宽度为30 μ m,导线厚度20 μ m,相邻导线的间距20 μ m0
[0010]所述的电连接立柱与支撑体立柱均为长方体结构，长方体高度20 μ m，横截面尺寸为30μπ?Χ30μπ?。电连接立柱一端与基片上的电路端口相连，另一端与悬空金属螺旋线圈相连；支撑体立柱一端与基片的钝化层相连，另一端与悬空金属螺旋线圈相连。电连接立柱起连通线圈与电路的作用以及支撑悬空金属螺旋线圈的作用，支撑体立柱起到支撑悬空金属螺旋线圈的作用。
[0011]本发明所涉及的抗过载非硅MEMS厚金属悬空微电感，具体包括以下制作步骤:
[0012]1.在基片正面旋涂光刻胶作为保护层，在基片背面磁控溅射一层Cr，旋涂光刻胶，图形化后对Cr进行腐蚀形成背面对准标记；
[0013]所述的基片正面是指制作有集成电路的基片表面。
[0014]所述的基 片背面是指没有制作集成电路的基片表面。
[0015]所述的图形化是指对光刻胶进行紫外光曝光显影后得到相应的掩膜图形。
[0016]2.在基片正面溅射Cr/Au作为电铸工艺种子层；
[0017]所述的电铸工艺是指有电极电铸。
[0018]3.在Cr/Au种子层表面旋涂20 μ m的立柱层光刻胶，图形化后形成电连接立柱和支撑体立柱的电铸区域；
[0019]4.电铸20 μ m厚的Cu作为电连接立柱和支撑体立柱；
[0020]5.采用逐步升温的方法处理第4步所旋涂的光刻胶；
[0021]6.在第4步旋涂的光刻胶表面磁控溅射Au作为线圈电铸的种子层；
[0022]7.在Au种子层表面旋涂20^厚的线圈层光刻胶，图形化后形成电感线圈的电铸区域；
[0023]8.电铸20 μ m厚的Cu作为电感线圈；
[0024]9.逐层释放光刻胶与种子层，得到悬空电感，释放过程具体为:
[0025](I)使用NaOH溶液去除线圈层光刻胶；
[0026](2)使用I2和KI混合溶液去除线圈电铸Au种子层；
[0027](3)使用NaOH溶液去除立柱层光刻胶；
[0028](4)使用丙酮溶液去除残余光刻胶；
[0029](5)使用无水乙醇溶解丙酮和水；
[0030](6)使用I2和KI混合溶液去除立柱电铸Au种子层；
[0031 ] (7)使用铁氰化钾和NaOH混合溶液去除Cr金属层；
[0032](8)用纯水冲洗。
[0033]本发明与现有技术相比，具有以下有益效果:(1)该非硅MEMS加工工艺制作的悬空微电感可以有效地降低片上集成电感的损耗因素，具有优异的射频性能；(2)本发明提出的MEMS悬空微电感采用增加支撑柱的途径改善悬空结构的机械性能，具备优良的抗冲击能力；(3)本发明提出的非硅MEMS工艺为低温工艺，在工艺温度方面具有与集成电路工艺兼容的特点，并且成本较低，可大批量生产；(2)本发明提出的非硅MEMS多层厚金属工艺方法可以制作出表面平整的MEMS结构，不需要进行机械抛光工艺，与现有的MEMS悬空微电感制作工艺相比，该非硅MEMS工艺简洁易行，工艺可靠度和成品率高。
【专利附图】
【附图说明】
[0034]图1是本发明提出的抗过载非硅MEMS厚金属悬空微电感的俯视示意图。
[0035]图2是本发明提出的抗过载非硅MEMS厚金属悬空微电感沿A — A'方向的侧视示意图；
[0036]图3是本发明的工艺流程示意图。【具体实施方式】
[0037]下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方案和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0038]如图1和图2所示，本实施例由基片、电连接立柱2、支撑体立柱3和悬空金属螺旋线圈4组成。电连接立柱2制作在基片的电连接端口 5上，另一端与悬空金属螺旋线圈4相连。支撑体立柱3—端与悬空金属螺旋线圈4相连，另一端与基片的钝化层I相连。
[0039]所述的基片包括带有电路的衬底6和钝化层I。
[0040]所述的电连接立柱2和支撑体立柱3均为长方体，长方体高度20 μ m,横截面尺寸30 μ mX 30 μ m。
[0041]所述的悬空金属螺旋线圈4的导线宽度为30 μ m，导线厚度20 μ m，相邻导线的间距 20 μ m。
[0042]如图3所示，在基片正面有对准标记7，用来进行MEMS工艺对准，工艺流程图中未详细区分基片的纯化层I和带有电路的衬底6,均以基片表不。
[0043]如图3所不,一种抗过载非娃MEMS厚金属悬空微电感,本实施例包括以下步骤:
[0044]第I步:清洗处理基片，基片正面有电连接端口和对准标记；
[0045]第2步:在基片正面旋涂2 μ m厚的RZJ_304-25cp光刻胶，光刻胶烘干温度为:第一段:80°C，时间20min，第二段:120°C，时间30min，120°C，变性处理可以使光刻胶更加稳定，保护基片上预留出的Al金属引线窗口 Pad和Al电连接窗口，使其不在后面的腐蚀工艺中被腐蚀；
[0046]第3步:采用磁控溅射的方法在基片背面溅射450 A厚的Cr金属，作为对准标记的材料，溅射工艺条件:本底真空1.00E-6torr，溅射功率1000W，Ar压力5mtorr ；
[0047]第4步:在基片背面旋涂I μ m厚的RZJ-304_10Cp光刻胶，光刻胶烘干温度98°C，时间3min,用于Cr膜腐蚀时掩模材料；
[0048]第5步:利用基片正面对准标记进行对准紫外光刻，硬接触曝光，曝光光强7.7mw/cm2,时间6.5s，后烘坚膜采用烘箱烘胶，第一段温度:80°C，烘胶时间20min，第二段温度:120°C，烘胶时间30min ；
[0049]第6步:腐蚀光刻后曝露出的Cr膜，未腐蚀部分为对准标记；具体工艺如下:Cr膜腐蚀采用硝酸铈铵溶液，其配比为:硝酸铈铵:水=2:5 (质量比)，时间20s ；
[0050]第7步:使用丙酮溶液去除基片正反面光刻胶；
[0051]第8步:在基片正面采用磁控溅射的方法溅射Cr (600人)/Au (1000 A)种
子层，作为立柱电铸种子层，后续工艺均在该种子层上进行，溅射工艺条件:本底真空
1.00E-6torr, Cr 灘射功率 1000W, Ar 压力 5mtorr, Au 灘射功率 2OOOW, Ar 压力 Smtorr ；
[0052]第9步:旋涂20 μ m厚的AZ P4903光刻胶作为立柱层光刻胶，光刻胶前烘采用烘箱，第一段:室温?50°C逐步升温，时间lOmin，第二段:50°C，保持lh，第三段:50?95°C逐步升温，时间30min，第四段:95°C，保持Ih，该层光刻胶作为Cu电连接立柱和支撑体立柱的电铸层，工艺结束后将去除；
[0053]第10步:对准紫外光刻，硬接触，光强7.7mw/cm2,时间300s，后烘坚膜采用烘箱烘胶，第一段:75?85°C逐步升温，时间5min，第二段:85°C，保持15min ；
[0054]第11步:电铸Cu电连接立柱和支撑体立柱，电铸液采用硫酸盐镀铜，电铸厚度20 μ m ；
[0055]第12步:采用烘箱烘胶:第一段:室温?120°C逐步升温，时间lOmin，第二段:120°C，保持20min，采用逐步升温工艺处理的目的是使立柱层正胶变性，使其变得更加稳定，保证下步工艺的完好，采用磁控溅射的方法溅射1000 A厚的Au作为线圈电铸种子层，溅射工艺条件:本底真空L 00E-6torr，溅射功率2000W，Ar压力8mtorr ；
[0056]第13步:旋涂20 μ m厚AZ P4903光刻胶作为线圈层光刻胶，光刻胶前烘采用烘箱，第一段:室温?50°C逐步升温，时间lOmin，第二段:50°C，保持20min，第三段:50?85°C逐步升温，时间30min，第四段:85°C，保持20min ；
[0057]第14步:对准紫外光刻，硬接触，光强7.7mw/cm2,时间260s，后烘坚膜采用烘箱烘胶，第一段:75?85°C逐步升温，时间5min，第二段:85°C，保持IOmin ；
[0058]第15步:电铸Cu悬空金属螺旋线圈，电铸液采用硫酸盐镀铜，电铸厚度20 μ m ;
[0059]第16步:逐层释放，得到悬空线圈结构，具体工艺步骤如下；
[0060]I)室温下用7%。的NaOH溶液腐蚀线圈层光刻胶，直到露出种子层为止，用去离子水冲洗干净；
[0061]2)去除Au线圈电铸种子层:用Ι2:ΚΙ:Η20=1:2:5 (质量比)腐蚀Au膜，时间2min ;
[0062]3)用7%。的NaOH溶液腐蚀立柱层光刻胶；
[0063]4)用丙酮浸泡，溶解残余光刻胶；
[0064]5)用无水酒精浸泡，溶解丙酮同时有助于去除结构中水；
[0065]6)去除立柱电铸Cr/Au种子层:用I2:K1:H20=1:2:5 (质量比)腐蚀Au膜；用铁氰化钾和氢氧化钠的水溶液刻蚀Cr膜，配比为K3 [Fe (CN) 6]: NaOH: H20=3:2:100 (质量比)；
[0066]7)用去离子水清洗；
[0067]8)酒精脱水:用酒精浸泡lOmin，用热板80°C烘干脱水，得到释放的电感结构。
【权利要求】
1.一种抗过载非硅MEMS厚金属悬空微电感，包括:电连接立柱2、支撑体立柱3和悬空金属螺旋线圈4，其特征在于，还包括:悬空金属螺旋线圈4和基片之间设置有电连接立柱2和支撑体立柱3，电连接立柱2 —端与基片上的电连接端口 5相连，另一端与悬空金属螺旋线圈4相连，支撑体立柱3 —端与基片的钝化层I相连，另一端与悬空金属螺旋线圈4相连。
2.如权利要求1所述的抗过载非硅MEMS厚金属悬空微电感，其特征是，所述电连接立柱2和支撑体立柱3为长方体结构，长方体高度20 μ m,横截面积30 μ mX 30 μ m。
3.如权利要求1所述的抗过载非硅MEMS厚金属悬空微电感，其特征是，所述的悬空金属螺旋线圈4的导线宽度为30 μ m,导线厚度20 μ m,相邻导线的间距20 μ m。
4.如权利要求1所述的抗过载非硅MEMS厚金属悬空微电感，其特征是，所述的支撑体立柱3布置在悬空金属螺旋线圈4的对角线位置。
5.如权利要求1,一种抗过载非娃MEMS厚金属悬空微电感,其特征在于,制作方法包括以下步骤: 1)清洗处理基片，基片正面有电连接端口和对准标记； 2)在基片正面旋涂光刻胶作为保护层，在基片背面磁控溅射一层Cr，旋涂光刻胶，图形化后对Cr进行腐蚀形成背面对准标记； 3)在基片正面溅射Cr\Au作为立柱电铸种子层； 4)在Cr\Au种子层表面旋涂20μ m的立柱层光刻胶，图形化后形成电连接立柱和支撑体立柱的电铸区域； 5)电铸20μ m厚的Cu作为电连接立柱和支撑体立柱； 6)采用逐步升温的方法处理第4步所旋涂的光刻胶； 7)在第4步旋涂的光刻胶表面磁控溅射Au作为线圈电铸的种子层； 8)在Au种子层表面旋涂20μ m厚的线圈层光刻胶，图形化后形成电感线圈的电铸区域； 9)电铸20μ m厚的Cu作为电感线圈； 10)逐层释放光刻胶与种子层，得到悬空电感，释放过程具体为: (1)使用NaOH溶液去除线圈层光刻胶； (2)使用I2和KI混合溶液去除线圈电铸Au种子层； (3)使用NaOH溶液去除立柱层光刻胶； (4)使用丙酮溶液去除残余光刻胶； (5)使用无水乙醇溶解丙酮和水； (6)使用I2和KI混合溶液去除立柱电铸Au种子层；使用铁氰化钾和NaOH溶液去除Cr金属层。
6.如权利要求1，一种抗过载非硅MEMS厚金属悬空微电感的制作方法，其特征是，步骤2)中，在基片正面旋涂2μπι厚的RZJ-304-25cp光刻胶，光刻胶烘干温度为第一段:80°C，时间20min，第二段:120°C，时间30min，120°C ;在基片背面磁控溅射450 A厚的Cr金属，溅射工艺条件:本底真空1.00E-6torr，溅射功率1000W，Ar压力5mtorr ;在基片背面旋涂I μ m厚的RZJ-304-10cp光刻胶，光刻胶烘干温度98°C，时间3min ;利用基片正面对准标记进行对准紫外光刻，硬接触曝光，曝光光强7.7mw/cm2,时间6.5s，后烘坚膜采用烘箱烘胶，第一段:80°C，时间20min，第二段:120°C，时间30min ;采用硝酸铈铵溶液腐蚀光刻后曝露出的Cr膜，配比为硝酸铈铵:水=2:5 (质量比)，时间20s ;使用丙酮溶液去除基片正反面光刻胶。
7.如权利要求1，一种抗过载非硅MEMS厚金属悬空微电感的制作方法，其特征是，步骤3)中,在基片正面采用磁控溅射的方法溅射Cr(600 A)/Au (1000 A)种子层，作为立柱电铸时种子层，后续工艺均在该种子层上进行，溅射工艺条件:本底真空1.00E-6torr，Cr溅射功率1000W, Ar压力5mtorr, Au灘射功率200OW, Ar压力Smtorr。
8.如权利要求1，一种抗过载非硅MEMS厚金属悬空微电感的制作方法，其特征是，步骤4)中，旋涂20μ m厚的AZ P4903光刻胶作为立柱层光刻胶，光刻胶前烘采用烘箱，第一段:室温~50°C逐步升温，时间lOmin，第二段:50°C，保持lh，第三段:50~95°C逐步升温，时间30min，第四段:95°C，保持Ih ;对准紫外光刻，硬接触，光强7.7mw/cm2，时间300s，后烘坚膜采用烘箱烘胶， 第一段:75~85°C逐步升温，时间5min，第二段:85°C，保持15min。
9.如权利要求1，一种抗过载非硅MEMS厚金属悬空微电感的制作方法，其特征是，步骤5)中，电铸Cu支柱层，电铸液采用硫酸盐镀铜，电铸厚度20μ m。
10.如权利要求1，一种抗过载非硅MEMS厚金属悬空微电感的制作方法，其特征是，步骤6)中，采用烘箱烘胶:第一段:室温~120°C逐步升温，时间lOmin，第二段:120°C，保持20mino
11.如权利要求1，一种抗过载非硅MEMS厚金属悬空微电感的制作方法，其特征是，步骤7)中，采用磁控溅射的方法溅射1000 A厚的Au作为线圈电铸种子层，溅射工艺条件:本底真空1.00E_6torr,派射功率2000W, Ar压力8mtorr。
12.如权利要求1，一种抗过载非硅MEMS厚金属悬空微电感的制作方法，其特征是，步骤8)中，旋涂20μπι厚AZ Ρ4903光刻胶作为线圈层光刻胶，光刻胶前烘采用烘箱，第一段:室温~50°C逐步升温，时间lOmin，第二段:50°C，保持20min，第三段:50~85°C逐步升温，时间30min，第四段:85°C，保持20min ;对准紫外光刻，硬接触，光强7.7mw/cm2,时间260s，后烘坚膜采用烘箱烘胶，第一段:75~85°C逐步升温，时间5min，第二段:85°C，保持IOmin0
13.如权利要求1，一种抗过载非硅MEMS厚金属悬空微电感的制作方法，其特征是，步骤9)中，电铸Cu悬空金属螺旋线圈，电铸液采用硫酸盐镀铜，电铸厚度20 μ m。
14.如权利要求1,一种抗过载非娃MEMS厚金属悬空微电感的制作方法，其特征是，步骤10)中，室温下用7%。的NaOH溶液腐蚀线圈层光刻胶，去离子水冲洗；用I2和KI混合溶液(质量比为Ι2:ΚΙ:Η20=1:2:5)腐蚀线圈电铸Au种子层，时间2min ;用7%的NaOH溶液腐蚀立柱层光刻胶；用丙酮浸泡，溶解残余光刻胶；用无水酒精浸泡，溶解丙酮和结构中水；去除立柱电铸Cr/Au种子层:用12和KI混合溶液腐蚀Au膜，配比为I2: K1: H2O= 1:2:5 (质量比)，用铁氰化钾和氢氧化钠的水溶液刻蚀Cr膜，配比为K3 [Fe (CN) 6]: NaOH: H20=3:2:100 (质量比);用去离子水清洗，酒精脱水。
【文档编号】H01L21/02GK103928439SQ201410144282
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2014年4月11日 优先权日:2014年4月11日
【发明者】李建华, 徐立新, 付博, 卢冲赢, 韩琦, 郭旭红, 陈和峰, 包艳萍, 李慧娟, 武浩, 贾瑾, 李月 申请人:北京理工大学