專利名稱：聚合物基底雙平面電磁線圈的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)領(lǐng)域，涉及用于微電機(jī)、 微電磁傳感器、執(zhí)行器中平面電磁線圈的制作方法，具體地說(shuō)是一種聚合 物基底雙平面電磁線圈的制作方法。
背景技術(shù)：
平面電磁線圈是微電子機(jī)械系統(tǒng)中各種微電機(jī)、微電磁傳感器、執(zhí)行 器中的重要組成部分。線圈導(dǎo)體要具有足夠的橫截面積才能承載一定的電 流，在基底表面積有限的條件下繞組線寬就要減小，這樣必須增加繞組導(dǎo) 線的厚度，即增加它的高(深)寬比。以往制作大深寬比的線圈大多采用LIGA或UV-LIGA工藝，LIGA工 藝需使用同步輻射光源和X光掩模版，UV-LIGA工藝是一種釆用紫外厚 膠光刻取代同步輻射光刻工藝的準(zhǔn)LIGA技術(shù)。上述方法在線圈導(dǎo)線電鑄 之后，存在光刻膠難以去除的問(wèn)題；特別是在制作雙面線圈時(shí)，工藝難度 大，重復(fù)性差，成品率低。由于硅(Si)或Si02基底的表面非常光滑，線 圈與基底的接觸面積很小，因此采用上述方法制作的線圈還存在著與基底 粘附不牢的問(wèn)題，線圈在電磁力的作用下容易從基底的表面脫落，影響其 使用壽命。鑒于以上技術(shù)的缺點(diǎn)，最近有人提出新的方法，利用硅深刻蝕，在硅 片表面刻蝕出用于鑲嵌線圈金屬導(dǎo)線的深溝槽，在溝槽內(nèi)進(jìn)行電鑄便得到 線圈的金屬導(dǎo)體結(jié)構(gòu)；這樣線圈導(dǎo)體與基底溝槽大部分地接觸，被牢固地 鑲嵌于基底微溝槽內(nèi)。該方法仍為傳統(tǒng)硅微機(jī)械工藝，且操作步驟較多，
又由于硅片的脆性，在線圈制作、裝配及使用當(dāng)中，很容易因各種破壞作 用而破損。發(fā)明內(nèi)容為了解決背景技術(shù)中線圈與基底粘附不牢和硅深刻蝕電鑄工藝難度 大、成品率低的問(wèn)題，同時(shí)降低制造成本、提高使用性能，本發(fā)明結(jié)合微 機(jī)械工藝和聚合物復(fù)制技術(shù)，提供了一種以聚合物為基底雙平面電磁線圈 的制作方法。本發(fā)明的工藝步驟如下1.利用傳統(tǒng)光刻和硅深刻蝕技術(shù)，在硅片表面刻蝕出與平面線圈具 有相同圖形的微溝槽，制作出下一步復(fù)制所用的初級(jí)模版6,由于平面線 圈為雙面圖形，所以需要制作一對(duì)硅初級(jí)模版，具體工藝過(guò)程如圖1所示;2 .把步驟1制作出的一對(duì)初級(jí)模版各自分別與其它組件組裝成模具，如圖2所示，在其型腔內(nèi)注入聚二甲基硅氧烷(PDMS)澆鑄液，固化聚 二甲基硅氧烷澆鑄液，分別拆除模具后便得到一對(duì)硅橡膠模版7，如圖3 所示，其表面上具有與初級(jí)模版相反的圖形凸起7-2;3. 把步驟2制作出的一對(duì)硅橡膠模版與其它組件組裝成模具，如圖4所示，在其型腔內(nèi)注入環(huán)氧樹脂澆鑄液，固化環(huán)氧樹脂澆鑄液，拆除模具后便得到環(huán)氧樹脂基底ll-l，即為平面線圈的聚合物基底，其雙表面分 別具有與兩塊初級(jí)模版相同的微溝槽；4. 如圖5所示，在環(huán)氧樹脂基底溝槽內(nèi)蒸鍍種子層，以此為電極進(jìn) 行電鑄，電鑄完成后得到線圈的金屬導(dǎo)體ll-4，從而完成了雙平面線圈ll 的制作。本發(fā)明上述工藝制作出的硅橡膠模版如圖3所示，基本結(jié)構(gòu)包括硅橡 膠基體7-1和支撐片7-4。硅橡膠基體7-1表面有復(fù)制出來(lái)的線圈圖形凸起 7-2;硅橡膠基體7-1上有用型芯3模塑出來(lái)的通孔7-3;支撐片7-4嵌鑄 在硅橡膠基體7-1體內(nèi)。本發(fā)明上述工藝制作出的平面線圈11雙側(cè)表面都具有金屬導(dǎo)體結(jié)構(gòu)， 從而大大贈(zèng)加了線圈的電感系數(shù)，環(huán)氧樹脂基體11-1內(nèi)嵌鑄的過(guò)渡導(dǎo)線 11-2起到了連接線圈兩面對(duì)應(yīng)導(dǎo)體的作用。本發(fā)明解決了背景技術(shù)中線圈與基底粘附不牢和硅深刻蝕電鑄工藝 難度大、成品率低的問(wèn)題，同時(shí)降低制造成本，提高應(yīng)用可靠性。本發(fā)明 提出的以聚合物材料為基底的平面線圈新工藝，為發(fā)展標(biāo)準(zhǔn)微機(jī)械技術(shù)，利用聚合物的優(yōu)良特性，改良線圈的性能成為可能。其意義在于(1) 在傳統(tǒng)MEMS工藝中，由于硅片的脆性，在線圈制作、裝配及使 用當(dāng)中，很容易因各種破壞作用而破損。聚合物材料具有良好的韌性，替 代機(jī)械性能較差的硅材料。(2) 硅為半導(dǎo)體材料，以其制作線圈基底需進(jìn)行氧化絕緣工藝處理， 而大多數(shù)高聚物都具有優(yōu)良的電絕緣性能，制作線圈時(shí)可直接以其為基底。(3) 價(jià)格便宜，本發(fā)明所用環(huán)氧樹脂(包括大多數(shù)其它塑料)與微 機(jī)械所用的硅片相比可看作不計(jì)成本。(4) 復(fù)制技術(shù)的應(yīng)用降低了制造成本，減少了標(biāo)準(zhǔn)微機(jī)械制造中的 光刻、蝕刻等步驟，并提高了成品率。


圖1是本發(fā)明硅初級(jí)模版制作工藝流程圖。圖中，(a)、 (b)、 (c)、 (d)、 (e)、 (f)、 (g)、 (h)表示工藝流程步驟，6是(h)步制作出的硅 初級(jí)模版。圖2是本發(fā)明制作硅橡膠模版的澆鑄模具組裝圖。圖中，l是橡膠檔 圈，2是有機(jī)玻璃板，3是鑄孔型芯，4是玻璃板，5是塑料墊塊，6是硅 初級(jí)模版，7-4是支撐片。圖3是本發(fā)明硅橡膠模版7的結(jié)構(gòu)圖。圖中，7-l是硅橡膠基體，7-2 是硅橡膠基體7-1上復(fù)制出的線圈反凸起圖形，7-3是硅橡膠基體7-1上的 通孔，7-4是支撐片。圖4是本發(fā)明制作聚合物基底的澆鑄模具組裝圖。圖中，7是硅橡膠 模版，8是玻璃版，9是塑料封圈，IO是彈性?shī)A，11-2是過(guò)渡導(dǎo)線。圖5是本發(fā)明聚合物基底雙平面電磁線圈11的制作過(guò)程圖。圖5-1 是用硅橡膠模版7復(fù)制后得到的結(jié)構(gòu)，ll-l是環(huán)氧樹脂基體，11-2是過(guò)渡 導(dǎo)線；圖5-2是蒸鍍種子層后得到的結(jié)構(gòu)，11-3是銅種子層；圖5-3是電 鑄后得到的結(jié)構(gòu)，11-4是線圈的金屬導(dǎo)體；具體實(shí)施方式
為制得聚合物基底雙面線圈，采用硅初級(jí)模版——PDMS硅橡膠模版一 —環(huán)氧樹脂基底的二次復(fù)制路線，最后通過(guò)電鑄而在基底溝槽內(nèi)制作出銅 導(dǎo)體。雙平面電磁線圈分布在聚合物基底兩面，因此要制作出有上下兩面圖 形的硅初級(jí)模版和硅橡膠模版各一對(duì)。先采用普通紫外光刻和深刻蝕技術(shù)在硅基底上制作出有線圈圖形的 深溝槽；以此作為初級(jí)模版與配合件組裝成模具，用來(lái)模塑成型PDMS硅 橡膠模版，其上帶有線圈反凸起圖形和過(guò)渡導(dǎo)線定位通孔；把一對(duì)過(guò)渡模 版及其配合件組合成模具，用來(lái)模塑成型環(huán)氧樹脂基底，其體內(nèi)預(yù)制出連 通兩面對(duì)應(yīng)圖形的導(dǎo)線；采用微電鑄技術(shù)在基底溝槽內(nèi)沉積銅，便制作出 聚合物基底的雙面電磁線圈。主要結(jié)構(gòu)材料選擇初級(jí)模版基底采用單晶硅材料；硅橡膠模版基體 用聚二甲基硅氧烷(PDMS)有機(jī)硅彈性體，其內(nèi)嵌鑄的支撐片為彈性剛 片；聚合物線圈基底用液態(tài)環(huán)氧樹脂模塑成型，其內(nèi)嵌鑄的過(guò)渡導(dǎo)線為銅 線，基底溝槽內(nèi)的種子層和電鑄生成的材料均為銅。具體工藝過(guò)程 (1) 本發(fā)明提出的硅初級(jí)模版制作工藝過(guò)程如圖1所示。(a) 取表面拋光并有Si02氧化層的硅片，作為初級(jí)模版的基片。(b) 在基片表面均勻旋涂光刻膠。(c) 光刻，把預(yù)先制作的掩模上的圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠層上；顯影后 去除曝光部分的光刻膠。(d) 用氫氟酸腐蝕液去掉光膠窗口部分的Si02,用丙酮清洗掉光刻 膠保護(hù)層，得到Si02掩模圖形。(e) 在Si02掩模表面覆蓋光刻膠。(f) 光刻、顯影后顯露出來(lái)的是小圓孔形的硅表面，其位置是所有 線圈終端需要雙面連接處。(g) 用該光刻膠作掩模，在感應(yīng)耦合等離子(ICP)刻蝕機(jī)中做干法 深刻蝕，得到一定深度的小圓坑，澆鑄制作硅橡膠模版時(shí)要用鑄芯的方法 制作連線通孔，其鑄孔型芯即要在此圓坑中定位。(h) 去除掩模光刻膠后繼續(xù)做干法深刻蝕，用(d)步驟制作出的Si02 作掩模，得到線圈圖形的凹槽。這樣，用微機(jī)械技術(shù)制作的硅初級(jí)模版6就制作完成，為使其在使用 過(guò)程中不被破壞，把初級(jí)模版粘到玻璃板4上，這樣便可用于制作硅橡膠 模版。(2) 將上述制作出的初級(jí)模版6與橡膠擋圈1、有機(jī)玻璃板2、塑料 墊塊5、鑄孔型芯3組裝成模具如圖2所示，把PDMS混合液澆注入模具 型腔，固化成型后，取下橡膠擋圈1和有機(jī)玻璃板2，把鑄件從硅初級(jí)模 版6上剝離，抽出鑄孔型芯3后便在硅橡膠板體上留下通孔7-3，而支撐 片7-4則留在硅橡膠基體內(nèi)，硅橡膠模版的厚度由塑料墊塊5的高度決定。制得的硅橡膠模版結(jié)構(gòu)如圖3所示，7-2為下一步復(fù)制所用的凸起圖 形，線圈圖形終點(diǎn)處有通孔7-3用來(lái)定位和放置線圈基底的過(guò)渡導(dǎo)線11-2，7-4為環(huán)形的支撐片，其作用是加強(qiáng)和支撐硅橡膠彈性體，支撐片上開設(shè)出 圓周分布的孔，使硅橡膠彈性體牢牢抓住鋼片，增大結(jié)合力。(3) 把上述制得的硅橡膠模版7與平玻璃板8、塑料封圈9、彈性?shī)A 10組裝成模具如圖4所示。兩硅橡膠模版按圖形對(duì)準(zhǔn)，之間夾上開有澆口 的塑料封圈9，塑料封圈9的厚度即決定了澆鑄出的聚合物線圈基底的厚 度，在兩模版對(duì)準(zhǔn)的穿銷通孔7-3中插入銅過(guò)渡導(dǎo)線11-2，最后兩面貼上 平玻璃板8，再用彈性?shī)A10夾緊，這樣就形成了用于澆注環(huán)氧樹脂的薄層 型腔。把環(huán)氧樹脂和固化劑充分?jǐn)嚢枋怪旌暇鶆?，混合液放入真空中?除氣泡，然后從澆口注入組合模具中，固化成型，脫模后即得到雙側(cè)表面 附有微溝槽的線圈基底。(4) 上述方法制得的有溝槽聚合物基底如圖5-l所示，其內(nèi)有連通雙 面的過(guò)渡導(dǎo)線11-2;采用熱蒸發(fā)的方法在聚合物基底(11-1)的溝槽內(nèi)沉 積銅種子層ll-3，得到如圖5-2所示的結(jié)構(gòu)；在硫酸銅溶液中電鑄生成金 屬導(dǎo)體ll-4，最終得到如圖5-3所示的雙面線圈。
權(quán)利要求
1、一種聚合物基底雙平面電磁線圈的制作方法，其特征在于a.利用傳統(tǒng)光刻和硅深刻蝕技術(shù)制作硅初級(jí)模版(6)，與其它組件組裝成模具，在該模具內(nèi)注入聚二甲基硅氧烷澆鑄液，固化脫模后便得到硅橡膠模版(7)；b.把硅橡膠模版(7)與其它組件組裝成模具，在該模具內(nèi)注入環(huán)氧樹脂澆鑄液，固化脫模后便得到環(huán)氧樹脂基底，作為平面線圈的聚合物基底(11-1)；c.在聚合物基底(11-1)的溝槽內(nèi)蒸鍍種子層(11-3)，以此為電極進(jìn)行電鑄，電鑄完成后得到雙平面線圈(11)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚合物基底雙平面電磁線圈的制作方法， 其特征是制作的聚二甲基硅氧烷硅橡膠模版(7)包括硅橡膠基體(7-1) 和支撐片(7-4);硅橡膠基體(7-l)表面有復(fù)制出來(lái)的線圈凸起圖形(7-2)， 硅橡膠基體(7-1)上有通孔(7-3)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚合物基底雙平面電磁線圈的制作方法， 其特征是制作的線圈的基底(11-1)用聚合物材料制作，在其體內(nèi)嵌鑄有 銅過(guò)渡導(dǎo)線(11-2)，溝槽內(nèi)沉積銅有種子層(U-3)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚合物基底雙平面電磁線圈的制作方法，其 特征是1) 所述的硅初級(jí)模版的制作是在硅片表面刻蝕出與平面線圈具有相 同圖形的微溝槽，即復(fù)制所用的初級(jí)模版(6);2) 由初級(jí)模版(6)與其它組件組裝成模具澆鑄得到硅橡膠模版(7) 具有與初級(jí)模版(6)相反的凸起圖形(7-2);3) 由一對(duì)硅橡膠模版(7)與其它組件組裝成模具澆鑄得到聚合物基 底(11-1)具有與初級(jí)模版(6)相同的微溝槽；4)在聚合物基底(11-1)的溝槽內(nèi)蒸鍍種子層，電鑄完成后得到線圈的金屬導(dǎo)體(11-4),從而完成了聚合物基底雙平面線圈(11)的制作。
5、根據(jù)權(quán)利要求4所述的聚合物基底雙平面電磁線圈的制作方法，其特征是(1) 硅初級(jí)模版(6)的制作(a) 取表面拋光并有Si02氧化層的硅片，作為初級(jí)模版(6)的基片；(b) 在基片表面均勻旋涂光刻膠；(c) 光刻，把預(yù)先制作的掩模上的圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠層上，顯影后去除曝光部分的光刻膠；(d) 用氫氟酸腐蝕液去掉光刻膠窗口部分的Si02，用丙酮清洗掉光 刻膠保護(hù)層，得到Si02掩模圖形；(e) 在Si02掩模表面覆蓋光刻膠；(f) 光刻、顯影后顯露出來(lái)的是小圓孔形的硅表面，其位置是所有 線圈終端需要雙面連接處；(g) 用該光刻膠作掩模，在感應(yīng)耦合等離子刻蝕機(jī)中做干法深刻蝕, 得到一定深度的小圓坑，澆鑄制作硅橡膠模版時(shí)要用鑄芯的方法制作連線 通孔，其鑄孔型芯即要在此圓坑中定位；(h) 去除掩模光刻膠后繼續(xù)做干法深刻蝕，用d步驟制作出的Si02 作掩模，得到線圈圖形的凹槽；(2) 將上述制作出的初級(jí)模版(6)與橡膠擋圈(1)、有機(jī)玻璃板(2)、 塑料墊塊(5)、鑄孔型芯(3)組裝成模具，把二甲基硅氧烷混合液澆注入 模具型腔，固化成型后取下橡膠擋圈(1)和有機(jī)玻璃板(2)，把鑄件從硅 初級(jí)模版(6)上剝離，抽出鑄孔型芯(3)后便在硅橡膠板體上留下通孔(7-3)，而支撐片(7-4)則留在硅橡膠基體內(nèi)，硅橡膠模版(7)的厚度由塑料墊塊(5)的高度決定；(3) 把上述制得的硅橡膠模版(7)與平玻璃板(8)、塑料封圈(9)、 彈性?shī)A(10)組裝成模具；兩硅橡膠模版(7)按圖形對(duì)準(zhǔn)，之間夾上開有 澆口的塑料封圈(9)，在兩硅橡膠模版(7)對(duì)準(zhǔn)的穿銷孔(7-3)中插入 銅過(guò)渡導(dǎo)線(11-2)，最后兩面貼上平玻璃板(8)，再用彈性?shī)A(10)夾緊， 形成用于澆注環(huán)氧樹脂的薄層型腔；把環(huán)氧樹脂和固化劑充分?jǐn)嚢枋怪?合均勻，混合液放入真空中排除氣泡，然后注入組合模具中，固化成型、 脫模后即得到雙側(cè)表面附有微溝槽的聚合物基底(11-1);(4) 上述方法制得的聚合物基底(11-1)，內(nèi)有連通雙面圖形的過(guò)渡 導(dǎo)線(11-2);采用熱蒸發(fā)的方法在聚合物線圈基底(11-1)溝槽內(nèi)沉積銅 種子層(11-3);在硫酸銅溶液中電鑄生成金屬導(dǎo)體(11-4),最終得到雙 平面線圈。
6、根據(jù)權(quán)利要求5所述的聚合物基底雙平面電磁線圈的制作方法，其 特征是用微機(jī)械技術(shù)制作的硅初級(jí)模版(6)制作完成后，把初級(jí)模版(6) 粘到玻璃板(4)上。
全文摘要
本發(fā)明屬于微電子機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，是一種聚合物基底雙平面電磁線圈的制作方法。用微機(jī)械工藝和聚合物微復(fù)制技術(shù)，在硅片表面刻蝕線圈微溝槽，以此為初級(jí)模版，在其圖形上澆鑄聚二甲基硅氧烷，固化脫模后便得到具有與硅初級(jí)模版圖形相反的硅橡膠模版；組裝好具有雙面圖形的一對(duì)硅橡膠模版，在其內(nèi)注塑環(huán)氧樹脂，固化脫模后便得到具有雙面溝槽的環(huán)氧樹脂線圈基底；在聚合物基底溝槽內(nèi)進(jìn)行電鑄，得到線圈的金屬結(jié)構(gòu)。本發(fā)明利用聚合物的優(yōu)良特性發(fā)展了微機(jī)械技術(shù)，其特點(diǎn)在于用聚合物替代硅材料，具有良好的韌性，電絕緣性能好，價(jià)格便宜；采用的復(fù)制技術(shù)降低了制造成本，減少了標(biāo)準(zhǔn)微機(jī)械制造中的光刻、蝕刻等步驟，并提高了成品率。
文檔編號(hào)H01F41/02GK101150008SQ20061001720
公開日2008年3月26日 申請(qǐng)日期2006年9月22日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月22日
發(fā)明者波 劉, 劉永順, 吳一輝, 平 張, 濤 張, 王淑榮 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所