CN111200062B - 一种基于纳米颗粒填充工艺的微型化电感制作方法和电感 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于纳米颗粒填充工艺的微型化电感制作方法和电感，包括：精密磁芯的制作工艺；三维互联通道刻蚀及填充；双面互联结构的制作工艺等。本发明采用微电子的工艺实现了带磁芯的三维电感器件，实现小型化电感器件的同时，保留了较高的电感量，解决了小型化电感感值无法做大的矛盾；同时还提出了一种新的工艺解决方法，解决了高深宽比微槽、微孔结构的金属填充难题。

Description

一种基于纳米颗粒填充工艺的微型化电感制作方法和电感

技术领域

本发明涉及电子元器件、微电子工艺技术等领域，具体涉及一种带磁芯微型化电感的制作方法和电感，利用微电子工艺技术实现精密磁芯的制作和三维互联，实现了高容量的小型化电容器件。

背景技术

随着人们对电子产品的要求向小型化、多功能化等方向的发展，人们努力寻求将电子系统越做越小，集成度越来越高，但是由于磁性材料与半导体工艺不易兼容，磁性元件在电子设备小型化进程中落后于其他元器件的发展，无法实现高水平的小型化。

为了解决这一问题，研发人员开发出了多种沉积磁芯薄膜的加工方法，例如筛网印刷、溅射和电镀等。但是用筛网印刷成膜的铁氧体层要在900～1000℃的温度下烧结，这是与标准型集成电路制造工艺不相容的；用溅射工艺制作的磁芯厚度有限，成本较高，限制了该技术的产业化发展；使用电镀成膜的磁性材料磁芯的电感Q值一般比用溅射技术或用筛网印制技术成膜材料的Q值低，主要原因是由磁性材料的电导率引起的，在电感器的工作频率增高时，磁芯的涡流损耗将增大。除了磁性材料与微电子工艺的兼容性外，半导体工艺一般都是平面工艺，只能实现片式电感，很大程度上限制了电感的性能。

发明内容

本发明的主要目的在于克服小型化电感感值无法做大、电感性能优化难度大的难题，提出一种基于纳米颗粒填充工艺的微型化电感制作方法和电感。

本发明采用如下技术方案：

一种基于纳米颗粒填充工艺的微型化电感制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)在衬底第一表面制作磁芯模腔；

2)将微纳尺寸的磁性材料填充至磁芯模腔中，使磁性材料致密形成磁芯；

3)在衬底第一表面的磁芯模腔外周制作纵向互联结构；

4)采用减薄工艺使得衬底第二表面露出导电材料；

5)分别在衬底第一表面和第二表面制作横向互联结构，该横向互联结构与纵向互联结构电性连接以形成电感线圈。

优选的，所述衬底的材料为硅、锗、砷化镓或磷化铟中任一种，或者玻璃、陶瓷或高分子材料中任一种。

优选的，步骤1)中，采用超声波钻孔、喷砂法、湿法刻蚀、干法刻蚀、激光刻蚀或机械钻孔在所述衬底上制作第一凹槽，该第一凹槽构成所述磁芯模腔，其深度为0.1微米到3毫米。

优选的，所述第一凹槽横截面为长方形或圆环或回字形。

优选的，步骤3)具体为：

3.1)先采用超声波钻孔、喷砂法、湿法刻蚀、干法刻蚀、激光刻蚀或机械钻孔在衬底材料上制作多个第二凹槽；

3.2)往第二凹槽填充导电材料；

3.3)利用压力或超声波振动方式使第二凹槽内的导电材料致密，去除第二凹槽外的导电材料。

优选的，所述导电材料为粉末或微粒形态，材质为纯铜、铜合金、纯锡、锡合金、纯银、银合金、纯铝、铝合金、纯金或金合金中的一种或多种。

优选的，所述步骤3)增加热处理步骤：在真空环境或惰性气体或还原性气体保护氛围下，对衬底进行高温处理。

优选的，步骤5)中，所述横向互联结构可采用丝网印刷工艺制作金属线路。

优选的，所述横向互联结构可采用制作种子层，在种子层上涂光刻胶并完成光刻图形化，在光刻胶打开的区域沉积金属，去除光刻胶形成金属互联。

一种基于纳米颗粒填充工艺的微型化三维电感，其特征在于，包括衬底、磁芯和电感线圈；该衬底设有第一凹槽和若干通孔，该若干通孔位于第一凹槽外周；该磁芯为采用微纳尺寸的磁性材料填充于第一凹槽内形成；该通孔内填充有导电材料构成纵向互联结构；该衬底第一表面和第二表面分别设有横向互联结构，该横向互联结构与纵向互联结构电性连接以形成电感线圈。

由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明的方法，采用微电子的工艺实现了带磁芯的三维电感器件，实现小型化电感器件的同时，保留了较高的电感量，解决了小型化电感感值无法做大的矛盾；同时还提出了一种新的工艺解决方法，解决了高深宽比微槽、微孔结构的金属填充难题。

2、本发明的方法，在制作纵向互联结构时，利用超声振动提高纳米颗粒填隙效果，改善微孔填充效果。利用惰性或还原性气体保护氛围下的高温处理，改善纳米颗粒填充后的微观结构，抑制纳米导电颗粒量子尺寸效应、表面效应，以及抑制纳米磁性材料的小尺寸效应、宏观量子隧道效应；改善纳米颗粒填充效果。

3、本发明的方法，采用微电子工艺制作第一凹槽即构成磁芯模具，以供制作磁芯；并在衬底上制作第二凹槽形成模具，以制作纵向互联结构和横向互联结构，构成嵌入式三维互联导线，实现高集成化、大负载的微型电容结构。

附图说明

图1(a)为衬底剖面图；

图1(b)为圆形衬底俯视图；

图1(c)为方形衬底俯视图；

图2为衬底上制作第一凹槽示意图；

图3为第一凹槽内填充磁性材料示意图；

图4为去除第一凹槽外磁性材料示意图；

图5为衬底上制作第二凹槽示意图；

图6为往第二凹槽填充导电材料示意图；

图7为去除第二凹槽外的导电材料示意图；

图8为制作第一表面横向互联结构示意图；

图9为减薄示意图；

图10为装置第二表面横向互联结构示意图；

图11为本发明电感俯视图(实施例一)；

图12为本发明电感俯视图(实施例二)；

图13为本发明电感俯视图(实施例三)；

其中：10、衬底，11、第一凹槽，12、第二凹槽，20、磁芯，21、磁性材料，30、纵向互联结构，31、导电材料，40、横向互联结构。

具体实施方式

以下通过具体实施方式对本发明作进一步的描述。

实施例一

一种基于纳米颗粒填充工艺的微型化电感制作方法，包括如下步骤：

1)准备衬底10的材料，其可以是硅、锗、砷化镓、磷化铟等单晶半导体或化合物半导体材料的任一种，也可以是玻璃、陶瓷等绝缘体材料的任一种。参见图1(a)-图1(c)，衬底10可以是圆形或方形的薄片，在衬底10第一表面制作磁芯模腔。

参见图2，用超声波钻孔、喷砂法、湿法刻蚀、干法刻蚀、激光刻蚀、机械钻孔等工艺在衬底10上制作特定形状的第一凹槽11作为磁芯模腔，根据电感器件的尺寸、型号不同，第一凹槽的尺寸和形状可以不同，第一凹槽11的深度可以为0.1微米到3毫米，其截面可以是长方形或圆形等。

2)将微纳尺寸磁性材料填充到磁芯模腔内，该磁性材料可以是磁性粉末、微粒，磁性粉末等状态的磁性材料，微纳尺寸是指10nm-20um之间。选择导嘴、导管等方式将磁性材料传输到衬底表面，参见图3、图4。利用压力、超声波振动等方式使第一凹槽11内的磁性材料致密，然后去除第一凹槽11外的磁性材料，构成磁芯20。

3)在衬底10第一表面的磁芯模腔外周制作纵向互联结构30，该纵向互联结构30与衬底10的第一表面和第二表面不平行。该步骤具体包括如如下：

3.1)先采用超声波钻孔、喷砂法、湿法刻蚀、干法刻蚀、激光刻蚀或机械钻孔在衬底10第一表面制作两组第二凹槽12，分别位于第一凹槽11的两相对侧，每组设有数量相同的第二凹槽12，例如位于长方形的第一凹槽11两相对侧，参见图5。

3.2)往该两组第二凹槽12内填充导电材料31。该导电材料31可以是导电粉末、微粒或浆料，导电材料31包括：纯铜、铜合金、纯锡、锡合金、纯银、银合金、纯铝、铝合金、纯金或金合金等。利用压力、等方式进行填实，参见图6。

3.3)利用压力或超声振动方式使第二凹槽12内的导电材料致密，去除第二凹槽12外的导电材料31，参见图7。

当产品对粉末或微粒填充的要求较高时，可增加热处理步骤：在真空环境，也可以选择在惰性或还原性气体保护氛围下，对衬底10进行高温处理，使磁性材料及导电材料致密化，根据烧结效果的需求不同，工艺温度范围为150-1200度。

4)采用减薄工艺使得衬底10第二表面露出导电材料31，该步工艺可以采用背面研磨、抛光工艺实现，参见图9。

5)参见图8，图10，分别在衬底10第一表面和第二表面制作横向互联结构40，该横向互联结构40与纵向互联结构30电性连接以形成电感线圈。其中，两组的多个第二凹槽12一一对应，横向互联结构40包括多个金属线路，每个金属线路连接于两组的中对应的第二凹槽12之间，参见图11。

横向互联结构40可采用如下多种方法实现：

a该横向互联结构40可采用丝网印刷工艺制作金属线路。

b采用蒸发或物理气相淀积工艺制作种子层，在种子层上涂光刻胶并完成光刻图形化，在光刻胶打开的区域用化学镀或电镀工艺沉积金属，最后去胶，完成种子层刻蚀形成金属互联。

c采用蒸发或物理气相淀积工艺制作种子层，然后用化学镀或电镀工艺沉积金属，在金属层上涂光刻胶并完成光刻图形化，去掉光刻胶打开区域的金属，最后去胶形成金属互联。

步骤b或c中，种子层的材料为钛、氮化钛、钽、氮化钽、铜、银等金属的一种或几种的组合，金属为铜、钛、镍、锡、银、金等金属的一种或几种的组合。

本发明方法中的方法步骤顺序不限于此，可根据需要调整，磁芯模腔、纵向互联结构30的制作和填充步骤的先后顺序可以调换，制作第一凹槽11和第二凹槽12的步骤可以合并或对调。衬底减薄的步骤可以在导电材料31填充完毕后，或在衬底10第一表面的横向互联结构40制作完成后进行。

本发明采用微电子工艺制作磁芯模具并利用磁芯模具制作嵌入式磁芯；并在衬底上制作三维互联结构，并利用三维互联结构做模具制作嵌入式三维互联导线，实现高集成化、大负载的微型电容结构。本发明突破了微电子工艺无法实现较大尺寸和厚度的磁芯制作的瓶颈，极大地提高了电感容量和性能优化空间，同时提出了一种实现低成本三维互联结构的工艺方法，可以获得更高的电感品质因数和感值，解决了微型电感无法同时获得大感值、大电流负载、高品质因数的难题。

采用本发明方法制作的一种基于纳米颗粒填充工艺的微型化三维电感，包括衬底10、磁芯20和电感线圈等。该衬底10设有第一凹槽11和若干通孔，该第一凹槽11位于第一表面。该若干通孔为两组第二凹槽12经过衬底减薄后形成的通孔，其位于第一凹槽11外周。

该磁芯20通过采用微纳尺寸的磁性材料填充于第一凹槽11内，并利用压力、超声波振动使其致密所形成的。该通孔内填充有导电材料31构成纵向互联结构30。该衬底10第一表面和第二表面分别设有横向互联结构40，该横向互联结构40与纵向互联结构30电性连接以形成电感线圈。

实施例二

一种基于纳米颗粒填充工艺的微型化电感制作方法和电感，其主要特征与实施例一相同，区别在于：第一凹槽11为回字形，参见图12，一组第二凹槽12位于第一凹槽11内周，一组第二凹槽12位于第二凹槽12外周。

实施例三

一种基于纳米颗粒填充工艺的微型化电感制作方法和电感，其主要特征与实施例一相同，区别在于：第一凹槽11为圆环形，参见图13，一组第二凹槽12位于第一凹槽11内周，且为圆周分布，一组第二凹槽12位于第二凹槽12外周，也为圆周分布。

上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (9)

1.一种基于纳米颗粒填充工艺的微型化电感制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)在衬底第一表面制作磁芯模腔；

2)将微纳尺寸的磁性材料填充至磁芯模腔中，利用压力或超声波振动使磁性材料致密形成磁芯，所述磁性材料的微纳尺寸是指10nm-20um之间；

3)在衬底第一表面的磁芯模腔外周制作纵向互联结构,具体包括如下：

3.1)先采用超声波钻孔、喷砂法、湿法刻蚀、干法刻蚀、激光刻蚀或机械钻孔在衬底材料上制作两组第二凹槽，两组的多个第二凹槽一一对应；

3.2)往第二凹槽填充导电材料；

3.3)利用压力或超声波振动方式使第二凹槽内的导电材料致密，去除第二凹槽外的导电材料；

4)采用减薄工艺使得衬底第二表面露出纵向互联结构的导电材料；

5)分别在衬底第一表面和第二表面制作横向互联结构，横向互联结构包括多个金属线路，每个金属线路连接于两组的中对应的第二凹槽之间，该横向互联结构与纵向互联结构的导电材料电性连接以围绕磁芯形成电感线圈。

2.如权利要求1所述的一种基于纳米颗粒填充工艺的微型化电感制作方法，其特征在于，所述衬底的材料为硅、锗、砷化镓或磷化铟中任一种，或者玻璃、陶瓷或高分子材料中任一种。

3.如权利要求1所述的一种基于纳米颗粒填充工艺的微型化电感制作方法，其特征在于，步骤1)中，采用超声波钻孔、喷砂法、湿法刻蚀、干法刻蚀、激光刻蚀或机械钻孔在所述衬底上制作第一凹槽，该第一凹槽构成所述磁芯模腔，其深度为0.1微米到3毫米。

4.如权利要求3所述的一种基于纳米颗粒填充工艺的微型化电感制作方法，其特征在于，所述第一凹槽横截面为长方形或圆环或回字形。

5.如权利要求1所述的一种基于纳米颗粒填充工艺的微型化电感制作方法，其特征在于，所述导电材料为粉末或微粒形态，材质为纯铜、铜合金、纯锡、锡合金、纯银、银合金、纯铝、铝合金、纯金或金合金中的一种或多种。

6.如权利要求1所述的一种基于纳米颗粒填充工艺的微型化电感制作方法，其特征在于，所述步骤3)增加热处理步骤：在真空环境或惰性气体或还原性气体保护氛围下，对衬底进行高温处理，工艺温度范围为150-1200度。

7.如权利要求1所述的一种基于纳米颗粒填充工艺的微型化电感制作方法，其特征在于，步骤5)中，所述横向互联结构可采用丝网印刷工艺制作金属线路。

8.如权利要求1所述的一种基于纳米颗粒填充工艺的微型化电感制作方法，其特征在于，所述横向互联结构可采用制作种子层，在种子层上涂光刻胶并完成光刻图形化，在光刻胶打开的区域沉积金属，去除光刻胶形成多个所述金属线路。

9.一种基于纳米颗粒填充工艺的微型化三维电感，其特征在于，采用权利要求1至8中任一项所述的一种基于纳米颗粒填充工艺的微型化电感制作方法制作而成，包括衬底、磁芯和电感线圈；该衬底设有第一凹槽和若干通孔，该若干通孔位于第一凹槽外周；该磁芯为采用微纳尺寸的磁性材料填充于第一凹槽内形成；该通孔内填充有导电材料构成纵向互联结构；该衬底第一表面和第二表面分别设有横向互联结构，该横向互联结构与纵向互联结构电性连接以形成电感线圈。