專利名稱：微型化磁芯螺線管微電感器件及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種微型化磁芯螺線管微電感器件及其制備方法，制備的微型化磁芯微電感器件是實現(xiàn)微型化DC-DC變換器的關鍵元件，可廣泛應用于無線通信、軍事/航空航天儀器設備、計算機/外部設備及其它各種便攜式電子產(chǎn)品的電源供電器。屬于微電子技術領域。
背景技術：
近年來小型化便攜式電子產(chǎn)品如移動通信產(chǎn)品手機CDMA(CodeDivision Multiple Access，碼分多址)、手提筆記本電腦、網(wǎng)絡產(chǎn)品ADSL(Asymmetrical Digital Subscriber Loop，非對稱數(shù)字用戶環(huán)線)、微處理器、數(shù)碼照相機、閃存器件、音響、充電器等越來越受到市場的歡迎和關注。這些便攜式電子產(chǎn)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(gòu)成的電源變壓器、DC-DC變換器、振蕩器、濾波器、放大器和調(diào)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(xiàn)電子設備、電子產(chǎn)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(gòu)成的微型化DC-DC變換器將廣泛應用于各種便攜式電子產(chǎn)品如手機CDMA、網(wǎng)絡產(chǎn)品ADSL、計算機系統(tǒng)/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(shù)字系統(tǒng)如8mm錄像機等。一般地講，常規(guī)的電感器件大都采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，采用常規(guī)的微電子技術很難在平面襯底上制作高性能的微型化電感器件。近年來，微機電系統(tǒng)(MEMS)技術的迅速發(fā)展，特別是以三維非硅材料為主的準-LIGA加工技術成為當前國際上研制微型化多層結(jié)構(gòu)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 PlanarToroidal Inductor with a Micromachined Nickel-Iron Magnetic Bar，IEEE Trans.Magn.，Vol.17，No.3，1994，pp.463-469.)采用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，研制了尺寸為4mm×1mm的螺線管微電感器件，在10kHz下電感量為0.4μH。由于在制作過程中使用化學濕法刻蝕底層，不可避免給線圈帶來鉆蝕現(xiàn)象。而且在制造過程中，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(chǎn)生影響，因此難以獲得高性能的微電感器件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術中的不足及市場需求，提出一種微型化磁芯螺線管微電感器件及其制備方法，使得到的微電感器件具有低電阻、高電感量、高品質(zhì)因子以及高效率、低損耗的特點。
為實現(xiàn)這樣的目的，本發(fā)明利用微機電系統(tǒng)MEMS技術，對雙面氧化的硅片進行處理，得到雙面套刻對準符號，以便曝光時提高對準精度，采用物理刻蝕技術去種子層，避免濕法刻蝕工藝帶來的鉆蝕現(xiàn)象，采用拋光技術以及二次電鍍方法，得到連接導體，制備出高品質(zhì)的微型化磁芯螺線管微電感器件。
本發(fā)明的微電感器件主要由襯底，引腳，線圈、磁芯組成，矩形或環(huán)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酰亞胺絕緣材料和磁芯隔開，線圈與線圈之間通過聚酰亞胺絕緣材料隔開。
本發(fā)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(shù)為38～42匝。
本發(fā)明連接導體的空間形狀為四棱柱體，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。
聚酰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。聚酰亞胺采用如下工藝過程涂膠、勻膠和高速旋轉(zhuǎn)，然后進行烘干、高溫固化。
本發(fā)明制造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硅片襯底雙面甩正膠AZ4000系列，光刻膠厚度為5μm，然后將光刻膠烘干；將硅片底面經(jīng)曝光、顯影后，在腐蝕液里刻蝕二氧化硅，最后用丙酮去除所有的光刻膠，得到雙面套刻對準符號。
2、在硅片的上面淀積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干；曝光與顯影后，得到底層線圈圖形；然后電鍍銅底層線圈，厚度為5μm。
4、甩正膠，光刻膠的厚度為20μm，然后將光刻膠烘干；曝光與顯影后，得到引腳和連接導體的圖形；最后電鍍引腳和連接導體，厚度為15μm，電鍍材料為銅。
5、用丙酮去除所有的光刻膠后，用物理刻蝕方法刻蝕Cr/Cu底層線圈種子層。
6、甩聚酰亞胺、固化及拋光，聚酰亞胺厚度為20μm，烘干工藝為120～200℃之間分段保溫3小時，然后在250℃氬氣氣氛下固化2小時，最后隨爐冷卻；拋光聚酰亞胺，直到連接導體和引腳暴露為止。
7、濺射Cr/Cu磁芯種子層，厚度為100nm；甩正膠，光刻膠厚度為20μm，然后將光刻膠烘干；曝光與顯影后，得到磁芯圖形；最后電鍍磁芯，材料為坡莫合金，厚度為20μm。
8、甩正膠，光刻膠的厚度為15μm，然后將光刻膠烘干；曝光與顯影后，得到引腳和連接導體的圖形；最后電鍍引腳和連接導體，厚度為30μm，電鍍材料為銅。
9、用丙酮去除所有的光刻膠后，用物理刻蝕方法刻蝕Cr/Cu磁芯種子層。
10、甩聚酰亞胺、固化及拋光，聚酰亞胺厚度為40μm，烘干工藝為120～200℃之間分段保溫3小時，然后于250℃氬氣氣氛下固化2小時，最后隨爐冷卻；拋光聚酰亞胺，直到引腳和連接導體暴露為止。
11、濺射Cr/Cu頂層線圈種子層，厚度為100nm；甩正膠，光刻膠厚度為8μm，然后將光刻膠烘干；曝光與顯影后，得到頂層線圈的圖形；最后電鍍頂層線圈，厚度為5μm，電鍍材料為銅。
12、用丙酮去除光刻膠后，用物理刻蝕方法刻蝕Cr/Cu頂層線圈種子層，最終得到磁芯螺線管微電感器件。
本發(fā)明方法中，甩聚酰亞胺時先低速800轉(zhuǎn)維持10秒，再快速2000轉(zhuǎn)維持30秒，然后進行烘干、固化。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有以下有益的效果(1)本發(fā)明改變了傳統(tǒng)采用繞線方法制作微電感器件，而采用MEMS技術研制微電感器件，具有工作頻率高、尺寸小、低的電阻、高的電感量、高品質(zhì)因子、高效率、低損耗、低成本和批量化生產(chǎn)等優(yōu)點；(2)本發(fā)明改變了采用濕法刻蝕種子層，而采用物理方法刻蝕種子層，避免了濕法刻蝕出現(xiàn)鉆蝕現(xiàn)象，得到線圈均勻的導體；(3)本發(fā)明采用雙面套刻技術，大大提高了光刻的精度；(4)本發(fā)明采用二次電鍍連接導體，有效解決了現(xiàn)有技術中電鍍連接導體出現(xiàn)的高深寬體的問題；(5)本發(fā)明采用拋光技術，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(xiàn)斷路的問題。


圖1為本發(fā)明的微電感器件結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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為聚酰亞胺絕緣材料，7為連接體，8為頂層線圈。
圖3為本發(fā)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2～3中淀積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4中甩正膠、曝光、顯影，電鍍引腳和連接導體工藝示意圖。圖6中，2為引腳；7為連接體；13為正膠。
圖7為步驟5中去除正膠和刻蝕工藝示意圖。
圖8為步驟6中聚酰亞胺固化及拋光工藝示意圖。圖8中，6為聚酰亞胺。
圖9為步驟7中沉積Cr/Cu，甩正膠、曝光、顯影，電鍍工藝示意圖。圖9中，4為磁芯；14為Cr/Cu磁芯種子層；15為正膠。
圖10為步驟8中甩正膠、曝光、顯影，電鍍引腳和連接導體工藝示意圖。圖10中，2為引腳；7為連接體；15為正膠。
圖11為步驟9～10中去正膠及刻蝕工藝，聚酰亞胺固化及拋光工藝示意圖。圖11中，6為聚酰亞胺。
圖12為步驟11中濺射Cr/Cu，甩正膠、曝光、顯影，電鍍頂層Cu線圈工藝示意圖。圖12中，8為頂層線圈；17為Cr/Cu頂層線圈種子層；18為正膠。
圖13為步驟12中去正膠及刻蝕工藝示意圖。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)作進一步的描述。
本發(fā)明的微電感器件結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)沿A-A方向剖示圖，顯示了本發(fā)明螺線管線圈3處的縱向立體結(jié)構(gòu)。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均通過聚酰亞胺絕緣材料6與磁芯4隔開。
連接導體7的空間形狀為四棱柱體，高度為40μm。
線圈3的形狀為螺線管型，每一匝導體的寬度為20μm，厚度為5μm，各匝之間的間隔為20μm，匝數(shù)為42匝。
圖3～13給出了上述微型化磁芯螺線管微電感器件的研制工藝，具體的講(1)在清洗處理過雙面氧化的硅片襯底1雙面上甩正膠9，如圖3所示。光刻膠的厚度為5μm，光刻膠烘干溫度為95℃，時間為1小時；單面曝光與顯影后，刻蝕二氧化硅及去光刻膠，得到如圖4所示的套刻符號10；(2)淀積Cr/Cu底層線圈種子層11，如圖5所示，厚度為100nm；(3)甩正膠12，如圖5所示，光刻膠厚度為8μm，將襯底基片烘干，烘干工藝的溫度為95℃，烘干時間為1小時；曝光與顯影后，得到底層線圈圖形；然后電鍍底層線圈5，如圖5所示，厚度為5μm，電鍍材料為銅；(4)甩正膠13，如圖6所示，光刻膠的厚度為20μm，在烘干工藝中，烘干溫度為90℃，時間為2小時；曝光與顯影后，得到引腳和連接導體的圖形；然后電鍍引腳2和連接導體7，如圖6所示，厚度為15μm，電鍍材料為銅；(5)用丙酮將光刻膠12，13去除后，用物理刻蝕方法刻蝕Cr/Cu底層線圈種子層11，得到圖7所示的圖形；(6)甩聚酰亞胺6，固化及拋光，如圖8所示，聚酰亞胺厚度為20μm，烘干工藝為120℃、150℃、180℃各1小時，然后于250℃氬氣氣氛下固化2小時，最后隨爐冷卻；拋光聚酰亞胺6，直到引腳2和連接導體7暴露為止；(7)濺射Cr/Cu磁芯種子層14，如圖9所示，厚度為100nm；甩正膠15，如圖9所示，光刻膠厚度為20μm，烘干溫度為95℃，時間為1小時；曝光與顯影后，得到磁芯圖形；最后電鍍磁芯坡莫合金4，如圖9所示，厚度為20μm；(8)甩正膠16，如圖10所示，光刻膠的厚度為15μm，烘干溫度為90℃，時間為2小時；曝光與顯影后，得到引腳和連接導體的圖形；最后電鍍引腳2和連接導體7，如圖10所示，厚度為30μm，電鍍材料為銅；(9)用丙酮將光刻膠15，16去除后，用物理刻蝕方法刻蝕Cr/Cu磁芯種子層14；(10)甩聚酰亞胺6、固化及拋光，如圖11所示，聚酰亞胺厚度為40μm，烘干工藝為120℃、150℃、180℃各1小時，然后于250℃氬氣氣氛下固化2小時，最后隨爐冷卻；拋光聚酰亞胺，直到引腳2和連接導體7暴露為止；(11)濺射Cr/Cu頂層線圈種子層17，如圖12所示，厚度為100nm；甩正膠18，如圖12所示，光刻膠厚度為8μm，烘干溫度為95℃，時間為1小時；曝光與顯影，得到頂層線圈的圖形；最后電鍍頂層線圈8，如圖12所示，厚度為5μm，電鍍材料為銅；(12)用丙酮將光刻膠18去除后，用物理刻蝕方法刻蝕Cr/Cu頂層線圈種子層17，最終得到如圖13所示的磁芯螺線管微電感器件。
實施例中，甩聚酰亞胺時先低速800轉(zhuǎn)維持10秒，再快速2000轉(zhuǎn)維持30秒，然后進行烘干、固化。
權利要求
1.一種微型化磁芯螺線管微電感器件，包括襯底(1)、引腳(2)、線圈(3)、磁芯(4)，其特征在于矩形或環(huán)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)均通過聚酰亞胺絕緣材料(6)與磁芯(4)隔開。
2.如權利要求1的微型化磁芯螺線管微電感器件，其特征在于所述線圈(3)每一匝導體的寬度為20μm，厚度為5μm，各匝之間的間隔為20μm，匝數(shù)為42匝。
3.如權利要求1的微型化磁芯螺線管微電感器件，其特征在于所述磁芯(4)材料為坡莫合金，厚度為20μm。
4.一種如權利要求1的微型化磁芯螺線管微電感器件的制備方法，其特征在于包括如下步驟1)在雙面氧化的硅片襯底雙面甩正膠，光刻膠的厚度為5μm，然后將光刻膠烘干；襯底經(jīng)單面曝光與顯影后，刻蝕二氧化硅，去光刻膠，得到套刻圖形(10)；2)淀積Cr/Cu底層線圈種子層(11)，厚度為100nm；3)甩正膠，光刻膠厚度為8μm，將襯底上的光刻膠烘干；曝光與顯影后，得到底層線圈圖形；最后電鍍銅底層線圈(5)，厚度為5μm；4)甩正膠，光刻膠的厚度為20μm，然后將光刻膠烘干；曝光與顯影后，得到引腳和連接導體的圖形；最后電鍍引腳(2)和連接導體(7)，厚度為15μm，電鍍材料為銅；5)用丙酮去除光刻膠后，用物理刻蝕方法刻蝕Cr/Cu底層線圈種子層(11)；6)甩聚酰亞胺(6)，厚度為20μm，烘干工藝為120℃、150℃、180℃各1小時，然后于250℃氬氣氣氛下固化2小時，最后隨爐冷卻；拋光聚酰亞胺(6)，直到引腳(2)和連接導體(7)暴露為止；7)濺射Cr/Cu磁芯種子層(14)，厚度為100nm；甩正膠，光刻膠厚度為20μm，然后將光刻膠烘干；曝光與顯影后，得到磁芯圖形；最后電鍍磁芯(4)，材料為坡莫合金，厚度為20μm；8)甩正膠，光刻膠的厚度為15μm，然后將光刻膠烘干；曝光與顯影后，得到引腳和連接導體的圖形；最后電鍍引腳(2)和連接導體(7)，厚度為30μm，電鍍材料為銅；9)用丙酮去除光刻膠后，用物理刻蝕方法刻蝕Cr/Cu磁芯種子層(14)；10)甩聚酰亞胺(6)，厚度為40μm，烘干工藝為120℃、150℃、180℃各1小時，然后于250℃氬氣氣氛下固化2小時，最后隨爐冷卻；拋光聚酰亞胺，直到引腳(2)和連接導體(7)暴露為止；11)濺射Cr/Cu頂層線圈種子層(17)，厚度為100nm；甩正膠，光刻膠厚度為8μm，然后將光刻膠烘干；曝光與顯影后，得到頂層線圈的圖形；最后電鍍銅頂層線圈(8)，厚度為5μm；12)用丙酮去除光刻膠后，用物理刻蝕方法刻蝕Cr/Cu頂層線圈種子層(17)，最終得到磁芯螺線管微電感器件。
5.如權利要求4的微型化磁芯螺線管微電感器件的制備方法，其特征在于甩聚酰亞胺時先低速800轉(zhuǎn)維持10秒，再快速2000轉(zhuǎn)維持30秒，然后進行烘干、固化。
全文摘要
本發(fā)明提供一種微型化磁芯螺線管微電感器件及其制備方法，微電感器件主要由襯底，引腳，線圈、磁芯組成，矩形或環(huán)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酰亞胺絕緣材料和磁芯隔開，線圈與線圈之間通過聚酰亞胺絕緣材料隔開。制造過程中采用了如下工藝處理將硅片進行處理，得到雙面套刻對準符號，采用物理刻蝕種子層技術，采用拋光技術以及二次電鍍方法，得到連接導體。本發(fā)明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，使得電感性能大大提高。
文檔編號H01F41/00GK1564276SQ20041001785
公開日2005年1月12日 申請日期2004年4月22日 優(yōu)先權日2004年4月22日
發(fā)明者周勇, 高孝裕, 周海濤, 陳吉安 申請人:上海交通大學