專利名稱：懸空結(jié)構(gòu)射頻微電感及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種微電子技術(shù)領(lǐng)域的器件及其制作方法，尤其是一種懸空結(jié)構(gòu) 射頻微電感及其制作方法。
背景技術(shù)：
RF-MEMS (射頻一微機(jī)電系統(tǒng))器件是近年來微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)出現(xiàn)的新 的研究領(lǐng)域，即RF-MEMS就是利用MEMS技術(shù)制作各種用于無線通信的射頻器件或系 統(tǒng)，這些RF-MEMS器件和系統(tǒng)可廣泛用于星際無線通訊、先進(jìn)的移動通信如手機(jī)、 全球定位系統(tǒng)GPS、微波雷達(dá)天線等。由于RF-MEMS器件具有諸多優(yōu)越性，并最終可 實(shí)現(xiàn)無源器件和IC的高度集成，使集信息的采集、處理、傳播等于一體的系統(tǒng)集成 芯片(SOC)的研制成為可能。當(dāng)前隨著無線通信技術(shù)的快速發(fā)展及其有限的資源， 迫切需要射頻下具有高Q值、高自共振頻率和低插入損耗的控制部件如電感、電容， 這是實(shí)現(xiàn)高性能微波/毫米波電路、RF濾波器、RF振蕩器、RF共振器等的關(guān)鍵元件 之一。為提高射頻下微電感的Q值和電感量，三維空芯結(jié)構(gòu)的微電感是發(fā)展的趨勢。 但是采用普通的IC技術(shù)，很難在平面型襯底上研制三維結(jié)構(gòu)的微電感。采用MEMS 技術(shù)研制三維結(jié)構(gòu)微電感應(yīng)運(yùn)而生，MEMS技術(shù)為實(shí)現(xiàn)小尺寸、重量輕、大電感量、 高Q值的微電感提供了一條嶄新的途徑。
專業(yè)人員通過各種方法來提高微電感的性能，如采用電阻率較小的金屬來制作 微電感層，增大襯底電阻，選用介電常數(shù)較小的電介質(zhì)，或通過微機(jī)械的方法來提 高電感性能等方法，這些方法能在一定程度上可減小微電感的各種高頻損耗，從而 提高微電感的性能，經(jīng)測量微電感的Q值一般在10左右，但這不能很好地滿足實(shí)際 電路中需要，主要是由于這些方法不能從根本上減小微電感高頻損耗中占主要地位 的金屬線圈與襯底間的耦合電容的緣故，金屬線圈與襯底間的耦合電容越大，微電 感在高頻時的損耗就越大。
經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，Jae Y等人在《IEEE TRANSACTIONS O麗AGNETICS》 (美國電氣電子工程學(xué)會雜志)(VOL. 35, NO. 5， SEPTEMBER, 1999)上發(fā)表了 "high Q spiral-type micro-inductors on silicon substrates (硅襯底上高Q值螺方定型 微電感)" 一文，該文提及一種空氣隙懸空微電感，其線圈形狀為方形。該技術(shù)由 于采用氧等離子體刻蝕聚酰亞胺形成電鍍模具，不能形成高深寬比的微電鍍模具， 因此，線圈位于襯底上方的高度只有60um，不能有效的降低線圈與襯底之間的耦合 電容，在頻率O. 1 GHz -2GHz范圍內(nèi)Q值在14-18，工作頻率較低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種懸空結(jié)構(gòu)射頻微電感及其 制作方法。使其從根本上減小微電感金屬線圈與襯底間的電容損耗，使這種結(jié)構(gòu)微 電感的性能大大提高，Q值大于45。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的
本發(fā)明涉及的懸空結(jié)構(gòu)射頻微電感包括雙面氧化的硅襯底、金屬螺旋型線圈、引 線、平面波導(dǎo)線，平面波導(dǎo)線以及引線設(shè)置在硅襯底平面上，平面波導(dǎo)線設(shè)置在引 線的周圍兩側(cè)，在引線上方設(shè)置金屬螺旋型線圈，引線分別與金屬螺旋型線圈的內(nèi)、 外兩個端點(diǎn)相連接。
所述的金屬螺旋型線圈與雙面氧化的硅襯底之間設(shè)置有支撐體，支撐體一端與金 屬螺旋型線圈連接，支撐體的另一端與雙面氧化的硅襯底連接，在金屬螺旋型線圈 與引線連接處設(shè)置有連接體，連接體兩端分別與金屬螺旋型線圈和引線相連接。
所述的支撐體空間形狀為長方體，長方體的高度為150um，截面積為70um承70 um。支撐體的數(shù)目至少為4個。連接體的空間形狀為長方體，長方體的高度為150 ym。金屬螺旋型線圈形狀為平面方形螺旋型線圈。
所述的金屬螺旋型線圈的導(dǎo)體寬度為70um。金屬螺旋型線圈的導(dǎo)體厚度為 m。金屬螺旋型線圈的導(dǎo)體間距為10um。金屬螺旋型線圈匝數(shù)為2匝。
本發(fā)明涉及的懸空結(jié)構(gòu)射頻微電感，其制作方法具體如下
(1) 在清洗處理過的雙面氧化的硅片襯底(厚度700um)雙面甩正膠AZ4000 系列，光刻膠厚度為8ym，光刻膠烘干溫度為95°C，時間為30分鐘；將硅片單面
(A面)曝光、顯影后，在BHF腐蝕液里刻蝕二氧化硅，最后用丙酮去除所有的光刻 膠，在A面得到雙面套刻對準(zhǔn)符號；
(2) 在雙面氧化的硅片的另一面(B面)淀積Ti(30nm)/Cu(100nm)/Tia00nm)
底層，下面工藝均在此面上進(jìn)行；
(3) 在50。C下，在30X的NaOH水溶液中加入雙氧水對Ti表面進(jìn)行部分氧化， 形成一薄層氧化鈦，以提高基片對SU—8膠的結(jié)合力；
(4) 甩正膠，光刻膠厚度為10um，光刻膠烘干溫度為95'C，時間為30分鐘； 曝光、顯影，得到底層引線、平面波導(dǎo)線圖形；然后用5%的冊水溶液刻蝕氧化鈦 和Ti層，電鍍底層銅引線、平面波導(dǎo)線，厚度為10um;然后用丙酮去除所有的光 刻膠；
(5) 甩SU—8膠，光刻膠的厚度為150 nm,光刻膠的前烘溫度為65。C下保 溫10分鐘，然后慢速升溫到95'C，保溫時間為120分鐘；曝光、后烘，后烘溫度為 85°C，時間為40分鐘，顯影，由此得到電鍍支撐體和連接體的圖形；電鍍支撐體和 連接體，厚度為150 um，電鍍材料為銅；
(6) 濺射Ti (30nm) /Cu (100nm)底層；
(7) 甩SU — 8膠，光刻膠的厚度為8 lim，光刻膠前烘溫度為65'C下保溫5 分鐘，然后升溫到95。C，保溫時間為30分鐘；曝光、后烘，后烘溫度為85。C，時 間為30分鐘，顯影，由此得到電鍍平面方形螺旋型線圈的圖形；電鍍平面方形螺旋
型線圈，厚度為8 !im;電鍍材料為銅；
(8) 去除SU-8膠和底層，首先用等離子體(20%CF4: 80%02)干法刻蝕SU—8 膠，然后用濕法化學(xué)工藝刻蝕Ti/Cu，其次用丙酮浸泡SU—8膠和用等離子體(20 %CF4: 80%02)干法刻蝕SU—8膠，最后用濕法化學(xué)工藝刻蝕Ti/Cu/Ti底層；最終 得到懸空結(jié)構(gòu)射頻平面螺旋型微電感。
上述步驟中，底層Ti/Cu的制備工藝為基底的真空為4X10—4Pa，濺射條件 選擇為濺射Ar氣壓和濺射功率分別為0. 67 Pa和800 W，氬氣流量為20 SCCM。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益的效果(1)采用薄膜技術(shù)和MEMS技術(shù) 研制射頻螺旋型微電感，薄膜技術(shù)和MEMS技術(shù)可以與大規(guī)模集成電路完全兼容，易 于大批量生產(chǎn)，重復(fù)性好；(2)采用雙面套刻技術(shù)，大大提高了光刻的精度，尤其 是線圈導(dǎo)體和間距較小時非常重要；(3)采用SU—8膠光刻工藝和深層微電鑄工藝， 有效解決了現(xiàn)有技術(shù)中三維懸空微結(jié)構(gòu)光刻膠模具和電鍍連接導(dǎo)體出現(xiàn)的高深寬比 的問題；(4)將微電感線圈制作在雙面氧化的硅襯底的上方，懸空高度在150um以 上，使微電感金屬線圈與襯底之間的耦合電容大大減少，可以很大程度上提高微電
感的Q值。本發(fā)明的微電感，當(dāng)金屬螺旋型線圈導(dǎo)體寬度為70nm，金屬螺旋型線圈 導(dǎo)體厚度為8um，金屬螺旋型線圈導(dǎo)體間距為lOixm，金屬螺旋型線圈匝數(shù)為2匝 時，這種結(jié)構(gòu)的微電感在4一5GHz之間電感量達(dá)到2.2nH，其Q值可達(dá)到45，性能 遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于同類型相同參數(shù)的其它硅基平面螺旋型微電感；(5)采用MEMS技術(shù)研制的 微電感，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(diǎn)。


圖1為懸空結(jié)構(gòu)射頻微電感結(jié)構(gòu)俯視示意圖
圖2為沿圖1中C一C方向懸空結(jié)構(gòu)射頻微電感結(jié)構(gòu)側(cè)視示意圖
其中1為雙面氧化的硅襯底；2為引線；3是金屬螺旋型線圈；4是支撐體；5
為連接體；6是平面波導(dǎo)線。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為 前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍 不限于下述的實(shí)施例。
如圖1、圖2所示，本實(shí)施例由雙面氧化的硅襯底1、引線2、金屬螺旋型線圈3、 平面波導(dǎo)線6組成，平面波導(dǎo)線6以及引線2設(shè)置在硅襯底1平面上，平面波導(dǎo)線6 設(shè)置在引線2的周圍兩側(cè)，在引線2上方設(shè)置金屬螺旋型線圈3，引線2分別與金屬 螺旋型線圈3的內(nèi)、外兩個端點(diǎn)相連接。金屬螺旋型線圈3與硅襯底1之間設(shè)置有 支撐體4，支撐體4分布在金屬螺旋型線圈3各條導(dǎo)線交叉處，支撐體4 一端與金屬 螺旋型線圈3連接，支撐體4的另一端與硅襯底1連接，在金屬螺旋型線圈3與引 線2連接處設(shè)置有連接體5，連接體5兩端分別與金屬螺旋型線圈3和引線1相連接。
所述支撐體4空間形狀為長方體，長方體的高度為150um，截面積為70ur^70 ym，支撐體4的數(shù)目至少為4個。
所述連接體5的空間形狀為長方體，長方體的高度為150 y ra。
所述金屬螺旋型線圈3形狀為平面方形螺旋型線圈，金屬螺旋型線圈3的導(dǎo)體寬 度為70um，金屬螺旋型線圈3的導(dǎo)體厚度為8ym，金屬螺旋型線圈3的導(dǎo)體間距 為10um，金屬螺旋型線圈3的匝數(shù)為2匝。
本實(shí)施例懸空結(jié)構(gòu)射頻微電感制作方法具體為(1) 在清洗處理過的雙面氧化的硅片襯底(厚度700ym)雙面甩正膠AZ4000 系列，光刻膠厚度為8um，光刻膠烘干溫度為95°C，時間為30分鐘；將硅片單面
(A面)曝光、顯影后，在BHF腐蝕液里刻蝕二氧化硅，最后用丙酮去除所有的光刻 膠，在A面得到雙面套刻對準(zhǔn)符號；
(2) 在雙面氧化的硅片的另一面(B面)淀積Ti(30nm)/Cu(100nm)/Ti(100nm) 底層，下面工藝均在此面上進(jìn)行；
(3) 在50。C下，在30%的NaOH水溶液中加入雙氧水對Ti表面進(jìn)行部分氧化， 形成一薄層氧化鈦，以提高基片對SU—8膠的結(jié)合力；
(4) 甩正膠，光刻膠厚度為10um，光刻膠烘干溫度為95'C，時間為30分鐘； 曝光、顯影，得到底層引線、平面波導(dǎo)線圖形；然后用5%的朋水溶液刻蝕氧化鈦 和Ti層，電鍍底層銅引線、平面波導(dǎo)線，厚度為10um;然后用丙酮去除所有的光 刻膠；
(5) 甩SU—8膠，光刻膠的厚度為150 pm，光刻膠的前烘溫度為65。C下保 溫10分鐘，然后慢速升溫到95'C，保溫時間為120分鐘；曝光、后烘，后烘溫度為 S5'C，時間為40分鐘，顯影，由此得到電鍍支撐體和連接體的圖形；電鍍支撐體和 連接體，厚度為150 um，電鍍材料為銅；
(6) 濺射Ti (30nm) /Cu (100nm)底層；
(7) 甩SU—8膠，光刻膠的厚度為8 ixm，光刻膠前烘溫度為65t:下保溫5 分鐘，然后升溫到95t:，保溫時間為30分鐘；曝光、后烘，后烘溫度為85。C，時 間為30分鐘，顯影，由此得到電鍍平面方形螺旋型線圈的圖形；電鍍平面方形螺旋 型線圈，厚度為8 nm;電鍍材料為銅；
(8) 去除SU-8膠和底層，首先用等離子體(20%CF4: 80%02)干法刻蝕SU—8 膠，然后用濕法化學(xué)工藝刻蝕Ti/Cu，其次用丙酮浸泡SU—8膠和用等離子體(20 %CF4: 80%02)干法刻蝕SU—8膠，最后用濕法化學(xué)工藝刻蝕Ti/Cu/Ti底層；最終 得到懸空結(jié)構(gòu)射頻平面螺旋型微電感。
本實(shí)施例的懸空結(jié)構(gòu)射頻微電感工作頻率在4一5GHz，當(dāng)金屬螺旋型線圈的導(dǎo) 體寬度為70ym，金屬螺旋型線圈的導(dǎo)體厚度為8um，金屬螺旋型線圈的導(dǎo)體間距 為lOym，金屬螺旋型線圈外圈的導(dǎo)體長度為500um，金屬螺旋型線圈匝數(shù)為2匝 時，采用本發(fā)明制作的微電感，Q值大于45。
權(quán)利要求
1、一種懸空結(jié)構(gòu)射頻微電感，包括雙面氧化的襯底(1)、引線(2)、金屬螺旋型線圈(3)、平面波導(dǎo)線(6)，其特征在于，還包括支撐體(4)、連接體(5)，金屬螺旋型線圈(3)與襯底(1)之間設(shè)置有支撐體(4)，支撐體(4)一端與金屬螺旋型線圈(3)連接，支撐體(4)的另一端與襯底(1)連接，在金屬螺旋型線圈(3)與引線(2)連接處設(shè)置有連接體(5)，連接體(5)兩端分別與金屬螺旋型線圈(3)和引線(1)相連接。
2、 如權(quán)利要求1所述的懸空結(jié)構(gòu)射頻微電感，其特征是，所述支撐體(4)空間 形狀為長方體，長方體的高度為150um，支撐體(4)的數(shù)目至少為4個。
3、 如權(quán)利要求l所述的懸空結(jié)構(gòu)射頻微電感，其特征是，所述連接體(5)的空 間形狀為長方體，長方體的高度為150ym。
4、 如權(quán)利要求1所述的懸空結(jié)構(gòu)射頻微電感，其特征是，所述金屬螺旋型線 圈(3)形狀為平面方形的螺旋型線圈，金屬螺旋型線圈(3)的導(dǎo)體寬度為70um，金 屬螺旋型線圈(3)的導(dǎo)體厚度為8um，金屬螺旋型線圈(3)的導(dǎo)體間距為10um， 金屬螺旋型線圈(3)的匝數(shù)為2匝。
5、 一種懸空結(jié)構(gòu)射頻微電感的制作方法，其特征在于，包括以下步驟(1) 在清洗處理過的雙面氧化的硅片襯底雙面甩正膠，將硅片單面即A面曝 光、顯影，在BHF腐蝕液里刻蝕二氧化硅，最后用丙酮去除所有的光刻膠，在A面 得到雙面套刻對準(zhǔn)符號；(2) 在雙面氧化的硅片的另一面即B面淀積Ti/Cu/Ti底層，下面工藝均在此 面上進(jìn)行；(3) 在NaOH水溶液中加入雙氧水對Ti表面進(jìn)行部分氧化；(4) 甩正膠、曝光、顯影，得到底層引線、平面波導(dǎo)線圖形，刻蝕氧化鈦和 Ti層，電鍍底層銅引線、平面波導(dǎo)線，然后用丙酮去除所有的光刻膠；(5) 甩SU — 8膠，光刻膠前烘、曝光、后烘、顯影，電鍍支撐體和連接體；(6) 濺射Ti/Cu底層；(7) 甩SU—8膠，光刻膠前烘、曝光、后烘、顯影，電鍍平面方形螺旋型線 圈；(8)去除SU-8膠和底層，首先用等離子體干法刻蝕SU—8膠，然后用濕法化 學(xué)工藝刻蝕底層，最終得到懸空結(jié)構(gòu)射頻平面螺旋型微電感。
6、 如權(quán)利要求l所述的懸空結(jié)構(gòu)射頻微電感的制作方法，其特征是，步驟(l) 中，在清洗處理過的雙面氧化的厚度為700 um的硅片襯底雙面甩正膠，光刻膠厚 度為8um，光刻膠烘干溫度為95'C，時間為30分鐘；步驟(3)中，在50。C下，在30X的NaOH水溶液中加入雙氧水對Ti表面進(jìn)行 部分氧化，形成一薄層氧化鈦，以提高基片對SU—8膠的結(jié)合力。
7、 如權(quán)利要求l所述的懸空結(jié)構(gòu)射頻微電感的制作方法，其特征是，步驟(4) 中，甩正膠，光刻膠厚度為10um，光刻膠烘干溫度為95'C，時間為30分鐘，用5 ^的HF水溶液刻蝕氧化鈦和Ti層，電鍍底層銅引線、平面波導(dǎo)線，銅引線、平面 波導(dǎo)線的厚度為10um;步驟(5)中，甩SU—8膠，光刻膠的厚度為150 wm，光刻膠的前烘溫度為 65。C下保溫10分鐘，然后慢速升溫到95。C，保溫時間為120分鐘，曝光、后烘， 后烘溫度為85'C，時間為40分鐘，顯影，由此得到電鍍支撐體和連接體的圖形， 電鍍支撐體和連接體，支撐體和連接體的厚度為150 ym，電鍍材料為銅；
8、 如權(quán)利要求1所述的懸空結(jié)構(gòu)射頻微電感的制作方法，其特征是，步驟(2) 中，Ti/Cu/Ti底層厚度為30nm Ti/100nm Cu/100nm Ti;步驟(6)中，Ti/Cu底層 厚度為30nm Ti/100nm Cu。
9、 如權(quán)利要求1所述的懸空結(jié)構(gòu)射頻微電感的制作方法，其特征是，步驟(7) 中，甩SU—8膠，光刻膠的厚度為8pm，光刻膠前烘溫度為65'C下保溫5分鐘， 然后升溫到95。C，保溫時間為30分鐘，曝光、后烘，后烘溫度為85。C，時間為30 分鐘，顯影，由此得到電鍍平面方形螺旋型線圈的圖形，電鍍平面方形螺旋型線圈， 線圈厚度為8 um，電鍍材料為銅。
10、 如權(quán)利要求1所述的懸空結(jié)構(gòu)射頻微電感的制作方法，其特征是，步驟(8) 中，用20%CF4:80%02等離子體干法刻蝕SU—8膠，然后用濕法化學(xué)工藝刻蝕Ti/Cu， 其次用丙酮浸泡SU—8膠和用20%CF4: 80X02等離子體干法刻蝕SU—8膠，最后用 濕法化學(xué)工藝刻蝕Ti/Cu/Ti底層，最終得到懸空結(jié)構(gòu)射頻平面螺旋型微電感。
全文摘要
一種微電子技術(shù)領(lǐng)域的懸空結(jié)構(gòu)射頻微電感及其制作方法。所述懸空結(jié)構(gòu)射頻微電感中，金屬螺旋型線圈與襯底間設(shè)有支撐體，支撐體一端與金屬螺旋型線圈連接，支撐體另一端與襯底連接，在金屬螺旋型線圈與引線連接處設(shè)有連接體，連接體兩端分別與金屬螺旋型線圈和引線相連接。工藝如下襯底基片清洗處理、甩正膠、曝光與顯影、刻蝕，制作雙面套刻對準(zhǔn)符號；淀積Ti/Cu/Ti底層；Ti氧化；甩正膠、曝光與顯影，電鍍，去膠；甩SU-8子膠，前烘、曝光、后烘、顯影，電鍍；濺射Ti/Cu底層；甩SU-8膠，前烘、曝光、后烘、顯影，電鍍；去除SU-8膠和底層。本發(fā)明微電感損耗大大降低，性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于相同參數(shù)的硅基平面微電感，Q值大于45。
文檔編號H01F17/00GK101170002SQ200710046150
公開日2008年4月30日 申請日期2007年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月20日
發(fā)明者文 丁, 勇 周, 周志敏, 瑩 曹 申請人:上海交通大學(xué)