一种磁性薄膜环形电感器的制作方法与流程

本发明属于电感器制作技术领域，具体涉及一种与半导体工艺兼容的磁性薄膜环形电感器的制作方法。

背景技术：

随着信息科技的飞速发展，遵循着摩尔定律，电子产品不断升级换代，电子系统的尺寸越来越小，集成度和工作频率越来越高，并且系统中集成的功能越来越多。与此相对应，各种电子元器件也都朝着小型化、高频化、平面化、高稳定性、高精度、低损耗的方向发展。电感器是实现滤波、调谐、放大、阻抗耦合等功能的重要无源器件。目前，电阻、电容等电子元器件都已经实现了集成化，唯有包括电感在内的磁性器件还未完全实现集成。随着射频电路向着微型化、集成化的发展，片上系统(soc)成为射频器件的主流，这就要求电感必须对自身性能不断优化，减小体积，降低成本，能够与电路很好的匹配，最重要的还要能与半导体工艺相兼容。

薄膜电感器根据线圈结构的不同分为两类：平面线圈型和三维螺线管缠绕型。平面线圈型结构的电感器是一种螺旋线圈结构的电感器，结构相对简单；但是由于磁路无法闭合，电感值较低。三维螺线管缠绕型电感器是一种立体结构电感器，由线圈和磁膜垂直缠绕构成，由于磁路与基片平行，可以减小涡流损耗，但也存在磁路不闭合、感值低等问题。在平面线圈和三维螺线管缠绕的电感器均存在磁路不闭合、感值低的条件下，一种基于环形螺线管结构的电感器应运而生。环形螺线管结构的电感器的磁芯由上下两层线圈包裹，磁芯与线圈之间设置绝缘层，该结构中，磁芯牢牢被线圈包裹住，漏磁非常小，可以获得较大的电感值。但是，该环形螺线管结构的电感器制造难度较大，难以实现工业化生产和运用。环形螺线管结构的电感器中，磁芯的制备尤为重要，而传统的磁性薄膜材料在半导体工艺兼容上存在很大的劣势，传统的磁控溅射等方法沉积磁性薄膜时，需要在600℃甚至更高的温度下进行晶化，同时需要很高的真空度，对设备及沉积条件的要求均苛刻，很难实现大规模工业化生产。

针对磁性薄膜电感器设计及制作研究，2004年王西宁(王西宁,赵小林,周勇,等.新型悬空结构射频微电感的制作与测试[j].电子元件与材料,2004,23(1):54-56)等采用mems方法，制作了高频平面螺旋电感，其工作频率在3～5ghz范围内时，电感值l为4nh，品质因数q值最大为22。2005年michaelfrommberger(mfrommberger,cschmutz,mtewes,etal.integrationofcrossedanisotropymagneticcoreintotoroidalthin-filminductors[j].ieeetransactionsonmicrowavetheory&techniques,2005,53(6):2096-2100)等制作的集成磁芯的射频薄膜电感器，磁芯由多层溅射沉积的软磁fecobsi薄膜组成，在200mhz下，电感器的电感值l为10nh，品质因数q为15。2009年chenyang(cyang,fliu,xwang,etal.investigationofon-chipsoft-ferrite-integratedinductorsforrfics—partii:experiments[j].ieeetransactionsonelectrondevices,2009,56(12):3141-3148)等采用尖晶石、石榴石、磁铅石型铁氧体三种材料制备了与cmos工艺兼容的不同结构的电感器，电感器工作频率为0.1～5ghz，品质因数q为5～17。2018年hoathanhle(htle,ynour,zpavlovic,etal.high-qthree-dimensionalmicrofabricatedmagnetic-coretoroidalinductorsforpowersuppliesinpackage[j].ieeetransactionsonpowerelectronics,2018,34(1):74-85)制作了一种磁芯环形功率电感器，将nizn粉末作为磁芯材料嵌入空心电感器中，电感器尺寸为2.4mm*2.4mm*0.28mm，电感值l为112nh，品质因数q在12.5mhz下为14.3。

基于上述，目前在甚高频(30mhz～300mhz)及特高频(300～3000mhz)频段下，薄膜电感器仍无法达到高电感密度、高品质因数的特性，同时无法实现与半导体工艺的兼容。

技术实现要素：

本发明的目的在于，针对背景技术存在的薄膜电感器无法实现高电感密度和高品质因数、且不能与半导体工艺兼容的问题，提供了一种基于各向同性磁性薄膜的环形电感器的制作方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种磁性薄膜环形电感器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、在基片上制作下层线圈；

步骤2、采用旋转喷涂法制备磁芯薄膜；

2.1将亚硝酸盐和乙酸盐加入去离子水中，混合均匀，得到氧化液；其中，亚硝酸盐的浓度为0.1506g/l，乙酸盐的浓度为1.4257g/l；

2.2将二价铁盐、可溶性镍盐和可溶性锌盐加入去离子水中，配制得到还原液；其中，二价铁盐的浓度为1.5367g/l，可溶性镍盐的浓度为0.1883～0.2824g/l，可溶性锌盐的浓度为0.0369～0.0924g/l；

2.3采用超声波雾化系统，超声源功率为3w，在基片上沉积磁芯薄膜：首先，分别将步骤2.1得到的氧化液和步骤2.2得到的还原液雾化为粒径为38μm的液滴；然后，将还原液与氧化液分别经两个喷嘴同时喷射至放置于旋转平台上的步骤1处理后得到的基片上，还原液的喷射流量为12～16ml/min，氧化液的喷射流量为12～16ml/min，在旋转平台转速为80～120rpm、温度为90～110℃的条件下，喷涂20～60min，得到厚度为1～3μm的磁芯薄膜；

步骤3、在步骤2得到的磁芯薄膜上制作上层线圈，即可得到环形电感器。

进一步地，步骤2所述磁芯薄膜的厚度为1～3μm。

进一步地，步骤1所述亚硝酸盐为亚硝酸钠(nano2)；所述乙酸盐为乙酸钠(ch3coona)。

进一步地，步骤2所述二价铁盐为氯化亚铁(fecl2)；所述可溶性镍盐为氯化镍(nicl2)；所述可溶性锌盐为氯化锌(zncl2)。

进一步地，步骤1在基片上制作下层线圈的具体过程为：在高阻硅基片上沉积一层500nm厚的二氧化硅绝缘层，然后采用电镀工艺制作下层线圈，再沉积一层聚酰亚胺作为绝缘支撑层。

进一步地，步骤3在磁芯薄膜上制作上层线圈的具体过程为：在步骤2得到的磁芯薄膜上沉积一层聚酰亚胺作为绝缘支撑层，然后采用电镀工艺制作线圈的上层线圈，即可得到环形电感器。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提供了一种磁性薄膜环形电感器的制作方法，采用高频软磁各向同性薄膜作为磁芯薄膜，并采用旋转喷涂法制备磁芯薄膜，在空气中90℃即可完成晶化，一方面，生产能耗低，采用低温沉积技术即可完成磁芯薄膜的制备，对环境及设备要求低，可实现大规模生产；另一方面，该方法得到的环形电感器同时具有高电感密度、高工作频率和高品质因数，并且还能实现与半导体工艺的兼容。

附图说明

图1为本发明磁性薄膜环形电感器的仿真模型；

图2为实施例1制备的环形电感器的电感值随磁芯薄膜厚度的变化曲线；

图3为实施例1制备的环形电感器的品质因数值随磁芯薄膜厚度的变化曲线；

图4为实施例1制备的环形电感器的电感值随线圈宽度的变化曲线；

图5为实施例1制备的环形电感器的品质因数值随线圈宽度的变化曲线；

图6为实施例1制备的环形电感器的电感值随线圈厚度的变化曲线；

图7为实施例1制备的环形电感器的品质因数值随线圈厚度的变化曲线；

图8为实施例1制备的环形电感器的磁芯薄膜的磁通密度模仿真结果；

图9为实施例1制备的环形电感器的磁力线仿真结果；

图10为实施例1制备的环形电感器的实物图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。

实施例1

本发明提供了一种磁性薄膜环形电感器的制备方法，该磁性薄膜环形电感器的仿真模型如图1所示，自下而上依次为硅衬底、二氧化硅绝缘层、下层线圈、聚酰亚胺支撑层、磁芯薄膜、聚酰亚胺支撑层、上层线圈，上层线圈和下层线圈通过过孔连接，得到铜线圈。其中，铜线圈的总匝数为72匝，每一匝的间距为5度。

实施例磁性薄膜环形电感器的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1、在高阻硅基片上沉积一层500nm厚的二氧化硅绝缘层，然后采用电镀工艺制作下层线圈，再沉积一层聚酰亚胺作为绝缘支撑层；

步骤2、采用旋转喷涂法制备磁芯薄膜；

2.1将亚硝酸钠(nano2)和乙酸钠(ch3coona)加入1l去离子水中，混合均匀，得到氧化液；

2.2将氯化亚铁(fecl2)、氯化镍(nicl2)和氯化锌(zncl2)加入去离子水中，配制得到还原液；氧化液和还原液的具体配方如图表1-1所示：

表1-1

2.3采用超声波雾化系统，超声源功率为3w，在基片上沉积磁芯薄膜：首先，分别将步骤2.1得到的氧化液和步骤2.2得到的还原液雾化为粒径为38μm的液滴；然后，将还原液与氧化液分别经两个喷嘴同时喷射至放置于旋转平台上的步骤1处理后得到的基片上，还原液的喷射流量为15ml/min，氧化液的喷射流量为15ml/min，在旋转平台转速为100rpm、温度为95℃的条件下，喷涂40min，得到厚度为2μm的磁芯薄膜；

步骤3、在步骤2得到的磁芯薄膜上沉积一层聚酰亚胺作为绝缘支撑层，然后采用电镀工艺制作线圈的上层线圈，即可得到环形电感器。

本实施例得到的薄膜环形电感器，其线圈的匝数为72，线圈的线宽为12微米，线圈厚度为8微米，磁芯薄膜厚度为2微米，得到的单个电感器的尺寸为1.1mm*1.1mm(图10)；电感器的截止频率为1.5ghz，电感密度在1.3ghz下达到128nh/mm²，品质因数在0.5ghz下达到8，得到了高电感密度、高工作频率、高品质因数，以及与半导体工艺相兼容的磁性薄膜环形电感器。

为了探究磁芯薄膜的厚度、线圈的线宽以及线圈的厚度对电感器性能的影响，改变实施例1制作过程中的磁芯薄膜的厚度、线圈的线宽以及线圈的厚度，并对调整参数后的电感器的性能进行了研究。将实施例1中，磁芯薄膜的厚度调整为1微米、3微米、4微米、5微米，并对得到的电感器的电感值和品质因数进行了测试。图2为实施例1制备的环形电感器的电感值随磁芯薄膜厚度的变化曲线；图3为实施例1制备的环形电感器的品质因数值随磁芯薄膜厚度的变化曲线。由图2和图3可知，随着磁芯薄膜厚度的增大，电感器的电感值增大，但同时磁芯薄膜产生的涡流损耗、磁滞损耗、铁磁共振损耗也会变大，使得电感器的品质因数q和共振频率fr降低。综合以上影响因素，在薄膜电感器的设计中，磁芯薄膜需要具有一定的厚度，以便增加磁化物质进而增加电感量，但同时也要适当控制薄膜的厚度不能太厚，尽量降低损耗。将实施例1中，线圈的线宽调整为9微米、10微米和11微米，并对得到的电感器的电感值和品质因数进行了测试。图4为实施例1制备的环形电感器的电感值随线圈宽度的变化曲线；图5为实施例1制备的环形电感器的品质因数值随线圈宽度的变化曲线。由图4和图5可知，线圈宽度的增加，对电感器的电感值影响很小，可以忽略不计，而品质因数q由于等效电阻的减小而增大，随着频率的增加，等效电阻趋于相等，因而电感器的品质因数也几乎不变。在薄膜电感器的设计中，也要考虑实物制作的限制，选择合适的线圈宽度，对于环形电感器，由于磁芯薄膜的位置已定，为避免过宽的线圈会导致电感器在制作时线圈粘连，应选择合适的线圈宽度。将实施例1中，线圈的厚度调整为5微米、6微米和7微米，并对得到的电感器的电感值和品质因数进行了测试。图6为实施例1制备的环形电感器的电感值随线圈厚度的变化曲线；图7为实施例1制备的环形电感器的品质因数值随线圈厚度的变化曲线。由图6和图7可知，线圈厚度的增加，对电感器的电感值影响很小，可以忽略不计，而品质因数q由于等效电阻的减小而增大，随着频率的增加，等效电阻趋于相等，因而电感器的品质因数也几乎不变。在实际电感器实物制作过程中，对于既定的线宽，线圈导体厚度的增大会给光刻、电镀工艺增加难度，同时考虑到器件的纵向高度限制，应结合实际情况，选择合适的线圈厚度。

图8为实施例1制备的环形电感器的磁芯薄膜的磁通密度模仿真结果，图9为实施例1制备的环形电感器的磁力线仿真结果；表明该环形电感器能正常工作。

实施例2～4

改变步骤2.1和2.2中氧化液和还原液的具体配方，如表1-2所示，得到实施例2～4；实施例2～4的其他参数条件与实施例1相同。

表1-2实施例2～4中氧化液和还原液的配方

对实施例1～4制得的电感器进行测试，发现实施例1薄膜中的zn含量最高，使得nizn铁氧体薄膜具有更高的磁化动力和更低的磁化阻力，薄膜磁导率更高，根据尖晶石铁氧体的离子占位分布，zn²⁺离子优先占据a位，随着zn²⁺的增加，材料静磁矩增加，同时，薄膜的致密度增加，薄膜的饱和磁化强度增加。因此，通过调整薄膜中zn含量来获得更高的磁导率和饱和磁化强度，即可获得性能优良的薄膜电感器。