第25卷第4期 固体电子学研究与进展 Vol 25. No 4 2005年11月 researCh & PROGRESS OF SSE 2005 微电子机械系统与传感器 MEMS磁芯螺线管微电感的制作工艺研究 高孝裕周勇雷冲陈吉安倪智平毛海平王志民 (上海交通大学微纳科学技术研究院,微米/纳米加工技术国家重点实验室, 薄膜与微细技术教育部重点实验室,上海,200030) 2005-01-25收稿,2005-05-08收改稿 摘要:采用微机电系统(MEMS)技术制作了磁芯螺线管微电感,该技术包括UV-LIGA、干法刻蚀技术、抛光 和电镀技术等。研制的微电感大小为1500m×900pm×100pm,线圈匝数为41匝,宽度为20pm,线圈之间的 间隙为20m,高深宽比为5:1。测试结果表明:在1~10MHz频率下,其电感量为0.408~0.326H,Q值为 6~4.2 关键词:微电感;电感量;品质因子;微机电系统 中图分类号:TM55文献标识码:A文章编号:1000-3819(2005)04-513-04 Study of solenoid-type Microinductor with Magnetic Core Fabricated by MEMs Technique GAO Xiaoyu ZHOU Yong LEI Chong CHEN Ji'an NI Zhiping MAO Haiping WANG Zhimin National Key Laboratory of Nano/Micro Fabrication Technology Key Laboratory for Thin Film and Microfabrication of Ministry of education Institute of Micro and Nano Science and Technology, Shanghai iaotong University, Shanghai, 200030. CHN) Abstract Solenoid-type microinductor with magnetic core has been realized using micro- electro-mechanical systems(MEMS) technique such as UV-LIGA, dry etching technique, fine polishing and electroplating technique. The dimension of the inductor is 1 500 um X 900 um X 100 um, having 4lturns, with coil width of 20 um separated by 20 um spaces and high aspect radio of 5: 1. The inductance and the Q-factor are 0. 408-0 326 pH and about 1.. 2 at the frequency of 1-10 MHz, respectively. Key words: microinductor; inductance value; quality factor: micro-electro-mechanical systems(MEMs) EEACO:2140;2575F 月置语技术研发专项 ),国家自然科学基金项目( 上海市纳米专项(0215nm
!!!!!!!!!!!!! ! !!!!!!!!!!!! " " " "微电子机械系统与传感器 #$#%磁芯螺线管微电感的制作工艺研究& 高孝裕 周 勇 雷 冲 陈吉安 倪智平 毛海平 王志民 ’上海交通大学微纳科学技术研究院(微米)纳米加工技术国家重点实验室( 薄膜与微细技术教育部重点实验室(上海(*+++,+- *++./+0/*.收稿(*++./+./+1收改稿 摘要2采用微机电系统’3435-技术制作了磁芯螺线管微电感(该技术包括 67/89:;?@A++>?@0++>?(线圈匝数为 B0匝(宽度为 *+>?(线圈之间的 间隙为 *+>?(高深宽比为 .C0=测试结果表明2在 0D0+3EF频率下(其电感量为 +GB+1D+G,*H>E(I值为 0GHDBG*= 关键词2微电感J电感量J品质因子J微机电系统 中图分类号2K3.. 文献标识码2; 文章编号20+++/,10A’*++.-+B/.0,/+B %LMNOPQ%PRSTPUNVLOWS#UXYPUTNMXLPYZUL[#\]TSLUX^PYS _\‘YUX\LSN‘O#$#%aSX[TUbMS :;cdefghi jEc6 kglm 849noglm nE4p qerfl p9joeselm 3;cEfeselm t;p:joe?el ’uvwxyzv{|}~!v"y#vwy#~y$uvzy)%x&#y’v"#x&vwxyz(}&)zy{y*~( |}~!v"y#vwy#~$y#()xz’x{+ vz,%x&#y$v"#x&vwxyzy$%xzx-w#~y$.,/&vwxyz( 0z-wxw/w}y$%x&#yvz,uvzy1&x}z&}vz,(}&)zy{y*~(1)vz*)vx2xvywyz*3zx4}#-xw~(1)vz*)vx(*+++,+(56u- 7‘8LY\XL25g9:lge;/gel;i=?e:of@A::l>:f9eF:;i@elm?e=>g/ :9:=<>g/?:=ofle=f9@h@h:gs9fe@0.++>?@A++>?@ 0++>?(ofDelmB0l@(?e? @:sf>f? @sf=:@fl;oemof@s:=f;eggC.C0GKo:el;i=f>:+GB+1D+G,*H>E fl;fAgi:Bi:l=hgC0D0+3EF(>:@s:=<eD:9hG FSOZPYN82GUXYPUTNMXLPYJUTNMXL\TXSH\RMSJbM\RULOQ\XLPYJGUXYPVSRSXLYPVGSX[\TUX\R 8O8LSG8’#$#%- $$7^^2*0B+J*.I.J 第*.卷 第B期 *++.年 00月 固体电子学研究与进展 K454;KnE LMKc:K455cJ554 7g9G*.(pgGB pgDG(*++. & 基 金项目2国家高技术研究发展专项经费’*++B;;,+*+B*-(国家自然科学基金项目’.+*I.+AH-(上海市纳米专 项 ’+*0.l?0+B< +,.*??+0B- 4/?fe92mfgNefghiO@P<iG:;iG=l 万方数据
514 固体电子学研究与进展 式中,A是磁芯结构的横截面积,l是封闭磁芯的 1引言 长度,N为线圈的匝数,和p分别为磁性材料 的真空磁导率和相对磁导率。而品质因子(Q值)定 近年来便携式电子产品向小型化、微型化发义为 展。磁性器件如电感器件及由它构成的电源变压 wL wpoA NAed (2) 器、DC-DC变换器、振荡器、滤波器、放大器和调谐 2(w+l)p 器等是电子线路中必不可少的重要元器件,电感器式中,Aw为导体的横截面积,a为角频率,2(a+D) 件的微型化、集成化是实现电子设备、电子产品小为每匝线圈的长度,P为导体材料的电阻率 尺寸、重量轻和高性能的关键之一-1。 从上面的方程(1)和(2)可以看出,电感量和Q 目前螺旋型微电感作为一种集成电感,广泛应值正比于电感器件磁芯材料的相对磁导率m和横 用于集成电路中,但它具有几个缺点:1)它需要引截面积A。然而,微电感器件并非与传统的螺线管 线从器件里面引到外面,这样就增加了不必要的寄电感一样,其电感量正比于线圈匝数的平方。这 生电容[;2)对于相同匝数的电感,其尺寸远远大是因为线圈匝数越多,其磁芯材料的长度l也越 于其它类型的电感:3)其产生的磁通方向垂直于基大 底,这将干扰垂直方向的集成器件 螺旋型微电感的问题可以通过螺线管微电感3磁芯螺线管微电感的制作过程 来解决口。这是因为:1)其磁路平行于基片平面,高 频时,磁通在其片上产生的涡流损耗比垂直于平面 图2显示了磁芯螺线管微电感的制作过程 线圈结构要小];2)在比较小的面积上可以制作多(1)在清洗过的基片上溅射种子层Cr/Cu;(2)甩正 匝电感;3)磁路形成闭合回路,降低漏磁,提高电感胶,然后将基片上的光刻胶烘干,曝光与显影后,电 量。大多宏观尺寸的电感形状为螺线管,但螺线管镀铜底层线圈;(3)甩正胶,然后将光刻胶烘干,曝 微电感由于其制作比较复杂,因此其研究受到很大光与显影后,电镀引脚和连接导体,电镀材料为铜 的限制。本文拟采用MEMS方法进行研制微电(4)用丙酮去除所有的光刻胶后,用物理刻蚀方法 感,并对其性能进行测试研究 刻蚀Cr/Cu底层线圈种子层;(5)甩聚酰亚胺,然 后进行固化,最后抛光聚酰亚胺,直到连接导体和 2理论设计 引脚暴露为止;(6)溅射磁芯种子层,甩正胶,然后 将光刻胶烘干,曝光与显影后,电镀磁芯,材料为坡 螺线管微电感由磁芯材料和多层互相连接的莫合金;(7)甩正胶,然后将光刻胶烘干,曝光与显 导体组成,其结构如图1所示。为了减少漏磁,磁性影后,电镀引脚和连接导体,电镀材料为铜;(8)用 材料形成封闭的形状。其电感计算表达式如下[:丙酮去除所有的光刻胶后,用物理刻蚀方法刻蚀 Cr/Cu磁芯种子层;(9)甩聚酰亚胺,然后进行固 (1)化,最后抛光聚酰亚胺,直到连接导体和引脚暴露 为止;(10)溅射CrCu种子层,甩正胶,然后将光 Magnetic core Pad- 刻胶烘干,曝光与显影后,电镀顶层铜线圈;(11)用 丙酮去除光刻胶后,用物理刻蚀方法刻蚀CrCu 顶层线圈种子层,最终得到磁芯螺线管微电感器 件 制作过程中,为了避免湿法刻蚀种子层对线圈 导体产生钻蚀现象,采用物理刻蚀方法,得到均匀 Top conductor Via 的导体线条;固化聚酰亚胺时,用氩气作为保护气 图1螺线管微电感示意图 氛,以防止氧化导体和磁芯材料,影响器件的性能; Fig1为据 diagram of solenoid- type inductor 为了连接上、下两层导体,采用抛光方法研磨聚酰 亚胺
! 引 言 近 年 来 便 携 式 电 子 产 品 向 小 型 化"微 型 化 发 展#磁性器件如电感器件及由它构成的电源变压 器"$%&$%变换器"振荡器"滤波器"放大器和调谐 器等是电子线路中必不可少的重要元器件’电感器 件的微型化"集成化是实现电子设备"电子产品小 尺寸"重量轻和高性能的关键之一(!)*+# 目前螺旋型微电感作为一种集成电感’广泛应 用于集成电路中’但它具有几个缺点,!-它需要引 线从器件里面引到外面’这样就增加了不必要的寄 生 电容(.+/0-对于相同匝数的电感’其尺寸远远大 于其它类型的电感/1-其产生的磁通方向垂直于基 底’这将干扰垂直方向的集成器件(2+# 螺旋型微电感的问题可以通过螺线管微电感 来解决(3+#这是因为,!-其磁路平行于基片平面’高 频时’磁通在其片上产生的涡流损耗比垂直于平面 线圈结构要小(4+/0-在比较小的面积上可以制作多 匝电感/1-磁路形成闭合回路’降低漏磁’提高电感 量#大多宏观尺寸的电感形状为螺线管’但螺线管 微电感由于其制作比较复杂’因此其研究受到很大 的 限 制#本 文 拟 采 用 5657方 法 进 行 研 制 微 电 感’并对其性能进行测试研究# 0 理论设计 螺线管微电感由磁芯材料和多层互相连接的 导体组成’其结构如图 !所示#为了减少漏磁’磁性 材料形成封闭的形状#其电感计算表达式如下(*’8+, 9: ;?@0 A? B!- 图 ! 螺线管微电感示意图 CDEF! 7?GHIJKD?LDJE=JI MNOMPHQMDL&KRSHDQLT?KM= 式中’>?是磁芯结构的横截面积’A?是封闭磁芯的 长 度’@ 为 线 圈 的 匝 数’;?>X 0BYZ A-[A? B0- 式中’>X 为导体的横截面积’V为角频率’0BYZA- 为每匝线圈的长度’[为导体材料的电阻率# 从上面的方程B!-和B0-可以看出’电感量和 U 值正比于电感器件磁芯材料的相对磁导率 ;=和横 截面积 >?#然而’微电感器件并非与传统的螺线管 电感一样’其电感量正比于线圈匝数的平方(!<+#这 是因为’线圈匝数越多’其磁芯材料的长度 A?也越 大# 1 磁芯螺线管微电感的制作过程 图 0显 示 了 磁 芯 螺 线 管 微 电 感 的 制 作 过 程, B!-在清洗过的基片上溅射种子层 %=\%T/B0-甩正 胶’然后将基片上的光刻胶烘干’曝光与显影后’电 镀铜底层线圈/B1-甩正胶’然后将光刻胶烘干’曝 光与显影后’电镀引脚和连接导体’电镀材料为铜/ B*-用丙酮去除所有的光刻胶后’用物理刻蚀方法 刻 蚀 %=\%T底层线圈种 子 层/B.-甩 聚 酰 亚 胺’然 后进行固化’最后抛光聚酰亚胺’直到连接导体和 引脚暴露为止/B2-溅射磁芯种子层’甩正胶’然后 将光刻胶烘干’曝光与显影后’电镀磁芯’材料为坡 莫合金/B3-甩正胶’然后将光刻胶烘干’曝光与显 影后’电镀引脚和连接导体’电镀材料为铜/B4-用 丙 酮 去 除 所 有 的 光 刻 胶 后’用 物 理 刻 蚀 方 法 刻 蚀 %=\%T磁 芯 种 子 层/B8-甩 聚 酰 亚 胺’然 后 进 行 固 化’最后抛光聚酰亚胺’直到连接导体和引脚暴露 为止/B!<-溅 射 %=\%T种 子 层’甩 正 胶’然 后 将 光 刻胶烘干’曝光与显影后’电镀顶层铜线圈/B!!-用 丙 酮 去 除 光 刻 胶 后’用 物 理 刻 蚀 方 法 刻 蚀 %=\%T 顶 层 线 圈 种 子 层’最 终 得 到 磁 芯 螺 线 管 微 电 感 器 件# 制作过程中’为了避免湿法刻蚀种子层对线圈 导体产生钻蚀现象’采用物理刻蚀方法’得到均匀 的导体线条/固化聚酰亚胺时’用氩气作为保护气 氛’以防止氧化导体和磁芯材料’影响器件的性能/ 为了连接上"下两层导体’采用抛光方法研磨聚酰 亚胺# *!. 固 体 电 子 学 研 究 与 进 展 0.卷 万方数据
4期高孝裕等:MEMS磁芯螺线管微电感的制作工艺研究 515 (a) (b) (d 画画画 ) 图2磁芯螺线管微电感制作工艺过程图:(a)溅射Cr/Cu种子层;(b)电镀底层铜线圈;(c)电镀引脚和连接导体;(d)刻 蚀(r/Cu种子层;(e)甩聚酰亚胺,固化,抛光;(f)电镀坡莫合金;(g)电镀引脚和连接导体;(h)甩聚酰亚胺,固化 抛光;(i)电镀顶层铜线圈;(j)刻蚀Cr/Cu种子层 Fig. 2 The fabrication process of a solenoid-type microinductor with magnetic core: (a) Sputtering Cr/Cu seed layer; (b) Electroplating bottom conductor of copper;(c) Electroplating pad and vias: (d) Etching Cr/Cu seed layer; (e)Coating, hard curing and polishing polyimide:(f)Electroplating permalloy; (g) Electroplating pad and vias (h)Coating, hard curing and polishing polyimide; (i) Electroplating top conductor of copper; (j) Etching Cr/ Cu seed layer 由上述工艺制作的磁芯螺线管微电感的光学 显微结构图如图3所示。 Permalloy )SC 100.00 my BIAS OFF START I MHZ了srOP1oMH Top conductor 451 3.5 65000 图3微电感光学显微结构图:(a)电镀坡莫合金,抛光 3.0 聚酰亚胺后;(b)完整的电感器件 Fig, 3 Photograph of microinductor obtained through the process mentioned above: a) After electroplating magnetic core and polishing the START I MHZ/ STOP 10 MHz b)A complete inductor 4实验结果与讨论 图4微电感测量参数与频率的关系:(a)电感L与频 率∫的关系;(b)Q值与频率∫的关系 对所制作的微电感器件(1500m×900m) ig. 4 Measured microinductor parameters as a 进行了性能测试,采用的仪器是 Agilent E4991A function of frequency (a) Inductance vers RF阻抗/材料分析仪,测试频率为1MHz到10 frequency : (b)Q-factor versus frequency 从图4中可以看出,在频率1MHz时,其电感量 MHz。首先,将仪器连接到 Cascade microtech公为0.408H,Q值约为1.6。文献[]报道的一种螺 司制造的探针台上,然后对仪器进行开路/短路/负 线管微电感其尺寸大小为(4000pm×1000m), 载校准补 样品进行测试。图4为电感量和在10kHz时,电感量为0.4H,在1MHz时Q值 Q值随着 花的曲线。 为1.5。如图4(a)所示,电感量随着频率的升高,其值
图 ! 磁芯螺线管微电感制作工艺过程图"#$%溅射 &’(&)种子层*#+%电镀底层铜线圈*#,%电镀引脚和连接导体*#-%刻 蚀 &’(&)种子层*#.%甩聚酰亚胺/固化/抛光*#0%电镀坡莫合金*#1%电镀引脚和连接导体*#2%甩聚酰亚胺/固化/ 抛光*#3%电镀顶层铜线圈*#4%刻蚀 &’(&)种子层 5316! 72.0$+’3,$839:;’9,.8?;.@3,’93:-),89’A382@$1:.83,,9’."#$%B;)88.’3:1&’(&)0$,89’D.’<)<0’.W).:,? 从图 I中可以看出/在频率 JQRS时/其电感量 为 L6ILYMR/T值约为 J6ZF文献[\]报道的一种螺 线管微电感其尺寸大小为#ILLLM@NJLLLM@%/ 在 JL^RS时/电感量为 L6IMR/在 JQRS时 T值 为J6KF如图 I#$%所示/电感量随着频率的升高/其值 I期高孝裕等"QCQB磁芯螺线管微电感的制作工艺研究 KJK 万方数据
516 固体电子学研究与进展 逐渐下降,在频率10MHz时,电感降到0.326pH。[4] Soohoo R F, Magnetic thin film inductors for 这与坡莫合金材料的磁导率随着频率的升高而下降 integrated circuit applications [J]. IEEE TraI 以及趋肤效应有关。而Q值随着频率的升高,从1 Magn,1979;6:1803-1805 [5 Yamaguchi M, Matsumoto M, Ohzeki H, et al MHz时的1.5上升到10MHz的4.2[图4(b)] Analysis of the inductance and the stray capacitance of the dry-etched micro inductors [J]. IEEE. Trans 5结论 Magan,l991;17(3):5274-5276 [6] Kim Y J, Allen M G. Integrated solenoid-type inductors for high frequency applications and their 利用MEMS方法制作了磁芯螺线管微电感 haracteristics[A]. 1998 Electronic Components and 器件。该方法研制的微电感器件,具有工作频率高 Technology Conference [C]. 1998: 1 247-1 252 尺寸小、高的电感量、高品质因子低成本和批量化[7] Ahn C H, Allen M G. Micromachined planar 生产等优点。经测试,在1MHz频率下,其电感为 inductors on silicon wafers for MEMS applications [J]. IEEE Trans Indust Electr. 1998: 45(6):866-876 0.408HQ值为1.6;随着频率的升高,电感值下[8]NamC, Choi w, Chun K. Electro plated solenoid 降,而Q值增大。该方法研制的器件可与集成电路 type inductors for CMOS RF VCO [A]. Proc of 工艺相兼容,因此具有广阔的应用前景。 SPIE on Micromachining and Microfabrication[C]. 2000:10-16 参考文献 [9 Park J Y, Allen M G Integrated electroplat e micro- machined magnetic devices using low temperature fabrication process [J]. IEEE Trans Electronic [1 Park J W, Allen M G, Ultralow-profile micro- Packaging Manuf, 2000: 23: 48-55 machined power inductors with highly laminate Ni/ [10 Liu C Chen X L, Yan J L, et al. A novel lateral Fe cores: application to low-megahertz DC-DC sole-noidal on-chip integrated inductor imple- converters [J]. IEEE Trans Magn,2003: 39: 3184- mented in conventional Si process [J].Chinese Journal of Semiconductors, 2002: 23(4): 352-356 [2] Zhuang Y. Rejaei B, Boellaard E, et al. Integrated solenoid inductors with patterned sputter-deposited 高孝裕( GAO Xiaoyu)男,1977生,博 Cr/Feno Cogo/Cr ferromagnetic cores [J]. IEEE 士研究生,上海交通大学微纳科学技术 Electron Device Lett. 2003: 24: 224-226 研究院,主要从事磁性薄膜微电感及相 [3] Prieto M J Pernia A M. Lopera J M.et al. Design 关射频器件方面的研究 and analysis of thick-film integrated inductors for power converters [J]. IEEE Trans Industry Application, 2002: 38: 543-55 (上接第459页) 牛萍娟( NIU Pingjun)女,天津工业大 [8]牛萍娟.异质结双极型晶体管外延材料与器件研究. 学副教授,1973年9月出生,2002年毕业 中国科学院物理研究所博士后研究工作报告 于天津大学电子信息工程学院,获得微电 [9]牛萍娟,郭维廉,梁惠来,共振隧穿二极管的直流模型 子学与固体电子学博士学位。2003年10 及其双稳态特性[J].半导体学报,2001;22(9) 月中国科学院物理所博士后出站。主要从 [10] Niu P J, Guo W I, Liang H L, et al. Circuit 事化合物半导体器件及集成电路,单片及 of rtd and HPT monolithic .混合光电集成电路的研究工作。 optoelectronic integration[A]. Proceedings of SPIE- The International Society for Optical engineering 郭维廉( GUO Weilian)男,天津大学 C].2002;4119:44 和天津工业大学电子信息工程学院教 授,1952年毕业于清华大学物理系 胡海蓉( HU Hairong)女,1979年9月 IEEE高级会员,中国电子学会会士,近 出生,2003年毕业于山东师范大学物理 期研究方向包括量子隧穿器件、SO1集 系电子信息工程专业,获工学学士学位。 成电路、光电负阻器件等。 现为天津工业大学信息与通信学院物理 电子专业硕士研究生,主要从事化合物 万方数据导体器件的研究
逐渐下降!在频率 "#$%&时!电感降到 #’()*+%, 这与坡莫合金材料的磁导率随着频率的升高而下降 以及趋肤效应有关,而 -值随着频率的升高!从 " $%&时的 "’.上升到 "#$%&的 /’)0图 /1234, . 结 论 利 用 $5$6方 法 制 作 了 磁 芯 螺 线 管 微 电 感 器件,该方法研制的微电感器件!具有工作频率高7 尺寸小7高的电感量7高品质因子7低成本和批量化 生产等优点,经测试!在 "$%&频率下!其电感为 #’/#8+%!-值为 "’*9随着频率的升高!电感值下 降!而 -值增大,该方法研制的器件可与集成电路 工艺相兼容!因此具有广阔的应用前景, 参 考 文 献 0"4 :; ?!@AABC $ D’EAF4’\555 ]4’\555 5ABNF!:B$!BF;A’YBRLSC ;CP;C;ATRLRGKFOLN=IKLAM LCFBS4’ \555 ]4’\555 ]4’\555 ]!@AABC $ D’ \CFBS4’\555]‘!@AABC$ D’\CFBS4’\555 ]d!BF;A’@ CG[BAA;FB4’ZOLCBRB >GQ4’半导体学报!)##"9))1^3X""e" 0"#4 ULQ : >!DQG? d!dL;CS% d!BF;A’ZL<NQLF RLMQA;FLGC GK a]Y ;CP %:] MGCGALFOLN GJFGBABNF<GCLNLCFBS<;FLGC0@4’:<GNBBPLCSRGK6:\5I ]OB\CFB<C;FLGC;A6GNLBFT KG<fJFLN;A5CSLCBB<LCS 0Z4’)##)9/""^X// 胡海蓉1%E %;L<GCS3 女!"^e^年 ^月 出生!)##(年毕业于山东师范大学物理 系电子信息工程专业!获工学学士学位, 现为天津工业大学信息与通信学院物理 电子 专 业 硕 士 研 究 生!主 要 从 事 化 合 物 半导体器件的研究, 牛萍娟1U\E :LCSbQ;C3 女!天津工业大 学副教授!"^e(年 ^月出生!)##)年毕业 于天津大学电子信息工程学院!获得微电 子学与固体电子学博士学位,)##(年 "# 月中国科学院物理所博士后出站,主要从 事化合物半导体器件及集成电路!单片及 混合光电集成电路的研究工作, 郭维 廉1DEf ?BLAL;C3 男!天 津 大 学 和 天 津 工 业 大 学 电 子 信 息 工 程 学 院 教 授!"^.)年 毕 业 于 清 华 大 学 物 理 系! \555高 级 会 员!中 国 电 子 学 会 会 士!近 期 研 究 方 向 包 括 量 子 隧 穿 器 件76f\集 成电路7光电负阻器件等, *". 固 体 电 子 学 研 究 与 进 展 ).卷 万方数据
MBMS磁芯螺线管微电感的制作工艺研究 旧F j数据 AT▲文献链接 作者: 高孝裕,周勇,雷冲,陈吉安,倪智平,毛海平,王志民, GAO Xiaoyu,zHoU Yong, LEI Chong, CHEN Jian, NI Zhiping, MAO Haiping, WANG Zhimin 作者单位: 上海交通大学微纳科学技术研究院微米/纳米加工技术国家重点实验室,薄膜与微细技术 教育部重点实验室,上海,200030 刊名 固体电子学研究与进 英文刊名: research PROGREss OF SOLID STATE ELECTRONICS 年,卷(期): 2005,25(4) 引用次数 次 我考文款 1. Park J W. Allen M G UItralow-profile micro-machined power inductors with highly laminate Ni/Fe ores: application to low-megahertz DC-DC converters 2003 Zhuang Y Re jaei B Boellaard E Integrated solenoid inductors with patterned sputter-deposited Cr/Fel0Co90/Cr ferromagnetic cores 2003 3. Prieto M J Pernia A M Lopera J M Design and analysis of thick-film integrated inductors for power converters 2002 4. Soohoo R F Magnetic thin film inductors for integrated circuit applications 1979 Yamaguchi M Matsumoto M Ohzeki H Analysis of the inductance and the stray capacitance of the dry-etched micro inductors 1991 (3) 6. Kim Y J. Allen M G Integrated solenoid-type inductors for high frequency applicat and their characteristics 1998 7. Ahn C H Allen M G Micromachined planar inductors on silicon wafers for MEMS applications l998(6) 8. Nam C Choi W Chun K Electro plated solenoid-type inductors for CMOS RF VCO 2000 9. Park J Y Allen M G Integrated electroplate micro-machined magnetic devices using low temperature fabrication process 2000 0.刘畅陈学良严金龙顾伟东新颖的常规硅工艺实现的侧向螺线型片上集成电感[期刊论文]半导体学报 2002(4) 1.期刊论文冯书谊·周勇周志敏向毅 FENG Shuyi. ZHOU Yong ZHOU Zhimin. XIANG Yi平面磁芯螺旋结构微 电感的性能研究一电子元件与材料2009,28(2) 8匝,线圈导体的宽度和间隙均为30口m厚度为20a:电感的尺寸为3m×3m测试结果表明:在频率为1~10时,电感量和品质因数分别为 3.2~1.2uH和23~1.1:在1MH下,电感量和品质因数分别为3.2μH和23,可应用于微型化DC/C变换器 2.期刊论文高孝裕.周勇陈吉安.毛海平.雷冲.张亚民.王明军.GA0 Xiao-yu. ZHOU Yong. CHEN Jian. MAO Hai 管型微电感的制作工艺过程 3.期刊论文高孝裕.陈吉安.周勇雷冲.王明军.张亚民.周志敏.毛海平.GA0Xiao-yu. ChEN Jian. ZHOU Yong LEI Chong. WANG Ming-jun. ZHANG Ya-min. Zhou Zhi-min. MAO Hai-ping磁性薄膜微电感器件的研究进展-电 子元件与材料2005,24(4) 综述了磁性薄膜微电感的研究现状,介绍了四种不同电感器件的结构设计(平面螺旋型,磁芯螺线管,曲折结构及夹心条状结构)及其优缺点和磁 芯材料(坡莫合金,铁氧体,非品,纳米晶软磁)对电感器件的影响
MEMS磁芯螺线管微电感的制作工艺研究 作者： 高孝裕， 周勇， 雷冲， 陈吉安， 倪智平， 毛海平， 王志民， GAO Xiaoyu， ZHOU Yong， LEI Chong， CHEN Jian， NI Zhiping， MAO Haiping， WANG Zhimin 作者单位： 上海交通大学微纳科学技术研究院,微米/纳米加工技术国家重点实验室,薄膜与微细技术 教育部重点实验室,上海,200030 刊名： 固体电子学研究与进展 英文刊名： RESEARCH & PROGRESS OF SOLID STATE ELECTRONICS 年，卷(期)： 2005，25(4) 引用次数： 1次 参考文献(10条) 1.Park J W.Allen M G Ultralow-profile micro-machined power inductors with highly laminate Ni/Fe cores:application to low-megahertz DC-DC converters 2003 2.Zhuang Y.Rejaei B.Boellaard E Integrated solenoid inductors with patterned sputter-deposited Cr/Fe10Co90/Cr ferromagnetic cores 2003 3.Prieto M J.Pernia A M.Lopera J M Design and analysis of thick-film integrated inductors for power converters 2002 4.Soohoo R F Magnetic thin film inductors for integrated circuit applications 1979 5.Yamaguchi M.Matsumoto M.Ohzeki H Analysis of the inductance and the stray capacitance of the dry-etched micro inductors 1991(3) 6.Kim Y J.Allen M G Integrated solenoid-type inductors for high frequency applications and their characteristics 1998 7.Ahn C H.Allen M G Micromachined planar inductors on silicon wafers for MEMS applications 1998(6) 8.Nam C.Choi W.Chun K Electro plated solenoid-type inductors for CMOS RF VCO 2000 9.Park J Y.Allen M G Integrated electroplate micro-machined magnetic devices using low temperature fabrication process 2000 10.刘畅.陈学良.严金龙.顾伟东 新颖的常规硅工艺实现的侧向螺线型片上集成电感[期刊论文]-半导体学报 2002(4) 相似文献(10条) 1.期刊论文 冯书谊.周勇.周志敏.向毅.FENG Shuyi.ZHOU Yong.ZHOU Zhimin.XIANG Yi 平面磁芯螺旋结构微 电感的性能研究 -电子元件与材料2009,28(2) 采用MEMS技术(包括光刻、电镀、反应离子刻蚀和机械抛光等)研制了平面磁芯螺旋结构微电感,磁芯材料为铁基纳米晶带材.其中线圈匝数为 18匝,线圈导体的宽度和间隙均为30 μm,厚度为20 μm;电感的尺寸为3 mm×3 mm.测试结果表明:在频率为1～10 MHz时,电感量和品质因数分别为 3.2～1.2 μH和2.3～1.1;在1 MHz下,电感量和品质因数分别为3.2 μH和2.3,可应用于微型化DC/DC变换器. 2.期刊论文 高孝裕.周勇.陈吉安.毛海平.雷冲.张亚民.王明军.GAO Xiao-yu.ZHOU Yong.CHEN Jian.MAO Haiping.LEI Chong.ZHANG Ya-min.WANG Ming-jun 不同磁芯材料在微电感中的应用 -半导体技术2005,30(10) 叙述了坡莫合金,铁氧体和非晶、纳米晶软磁等材料用作微电感磁芯的磁性材料的特性及其对微电感性能的影响,如电感量和Q值.并介绍了螺线 管型微电感的制作工艺过程. 3.期刊论文 高孝裕.陈吉安.周勇.雷冲.王明军.张亚民.周志敏.毛海平.GAO Xiao-yu.CHEN Jian.ZHOU Yong. LEI Chong.WANG Ming-jun.ZHANG Ya-min.ZHOU Zhi-min.MAO Hai-ping 磁性薄膜微电感器件的研究进展 -电 子元件与材料2005,24(4) 综述了磁性薄膜微电感的研究现状,介绍了四种不同电感器件的结构设计(平面螺旋型,磁芯螺线管,曲折结构及夹心条状结构)及其优缺点和磁 芯材料(坡莫合金,铁氧体,非晶,纳米晶软磁)对电感器件的影响
4.会议论文代青龙.王小宝.蔡志祥.曹宇.李祥友.曾晓雁激光微熔覆法制备空芯薄膜电感的研究2006 采用激光微熔覆方法制备了空芯薄膜电感,着重研究了激光功率密度对电感线宽影响,以及薄膜电感的结构参数变化对电感电性能影响结果表 明,线宽随激光功率密度增大而增大;电感量随着圈数增多、中心线间距增大、线宽变大而增大通过优化激光工艺和结构参数制备了面积5m×5 和9m×9m,线宽100um和120μ线中心间距250μm和500μ圈数8和16,厚度1μm的空芯回字型电感,在测试频率100k~1MH条件下,电 量为240mH士3m~12pH±3m单位面积电感量可达14.81H/m2通过实验证明,采用激光微熔覆法制备的微电感,在同样形状和面积下,可 5.期刊论文赵小林.王西宁.周勇.蔡炳初双层悬空结构射频微电感制作研究-微纳电子技术2005,42(1) 利用MS工 层结构微电感中微带线宽度对其性能的影响研究表明,双层悬空结构的 形射频微电感不仅具有较大的电感量,而且其Q值也较高;双层微电感的Q值随微带线宽度的增大而升高而电感量则随微带线宽度的增大而降低对于 微带线宽度为60μm的双层微电感,在频率2~4c时,其电感量可达到5mH左右,Q值达到20. 期刊论文王西宁.赵小林.周勇.蔡炳初RF平面螺旋微电感的物理模型-微细加工技术2003(1 感量,在计算微电感Q值时,考虑了诸如涡流、衬底电阻及各种寄生电容等因素,寄生电容包括电感与终端引出层间的交叉电容,电感与衬底间的电容 衬底电容等这种模型可以计算不同布局及参数的微电感,为微电感的设计及其性能的优化提供了一种很好的方法 7.期刊论文郭绍寅.周勇.周志敏.曹莹.丁文.GU0Shao-yin. ZHOU Yong. ZHou Zhi-min. CAO Ying. DING Wen磁 芯螺线管微电感的计算机模拟一上海交通大学学报2007,41(11) 民用电磁场理论建立了FeN磁芯螺线管微电感的物理模型,并对交流载荷下的微电感进行了模拟通过与磁芯厚度为10、20、30和40um的微电 慼的实验结果对比,表明该物理模型能够较准确地模拟磁芯螺线管微电感的主要损耗,进而可计算微电感的电感量和品质因子.模拟结果与实验符合 8.学位论文郭绍寅MS磁芯螺线管微电感的模拟和制造工艺研究2007 目前的通讯工程中仍使用大量射频(RF技术 器、滤波器、耦合器等,阻碍了微型化,高性能,低成本的无线终 端产品的进一步发展,即将各种功能单元实现在一个单一的芯片上,实现SC( Systen On a Chip),近年来,M奶技术的迅速发展使其成为可靠 有效地实现硅SC的必然途径,而各种基于技术的射频器件和磁性器件也成为学者们的重要研究课题。 结合目前国内外研制微电感的 现状,本论文采用电磁场理论和有限元分析软件分别建立了磁芯螺线管微电感的数值模型和有限元模型,并根据这两个模型分析了各种因素对微电 慼性能的影响。且本文采用技术研制了磁芯螺线管微电感,通过与测试结果的对比,验证了本文所建立的两个物理模型,并且根据模拟计算提 出了优化设计方案。本论文完成的主要工作和结论如下 (1)磁芯螺线管微电感的ANH有限元建模分析本文应用 ANSYS三维谐振电磁场单元 分析法建立了磁芯螺线管微电感的有限元模型,分析了微电慼内部的磁场分布情况,并且根据ASYS得到的能量储存和损耗计算磁芯的等效电感 ②2)磁芯螺线管微电感的数值建模分析本文从电磁场理论出发,借助 Matlab编程,建立了微电感的数值模型,并将计算结果 与 ANSYS结果和实验结果对比,三者结果吻合较好。在钿x钿m外形面积下,从材料性质和几何参数两个方面,磁芯、线圈、绝缘材料和衬底四 部分研究和分析各种相关参数对微电感的性能影响,并提出了优化设计方案 (3)磁芯螺线管微电感的制造和测试本文结合工艺,设 计和制造了NiFe磁芯材料的螺线管微电感。制造过程涉及溅射、光刻、电镀、干法刻蚀和湿法刻蚀等Ms工艺,以及双面套刻、多层深度光刻、深 层微电铸工艺、聚酰亚胺绝缘及其精密机械抛光等关键制造技术,获得了具有较高性能的磁芯螺线管微电感。对所研制的微电感,在1-10频率 范围内,采用 Agilent E4991A阻抗分析仪和 Cascade公司的微波探针台进行性能测试,主要包括电感量和品质因子Q值。研究结果表明:对于磁芯材 料为NiFe薄膜的微电感,增大磁芯厚度,可以提高电感量,但以降低Q值为代价 9.期刊论文王西宁赵小林.周勇.蔡炳初新型悬空结构射频微电感的制作与测试一电子元件与材料2004,23(1) 机电系统)工艺中的牺牲层技才 圈制作在与衬底平行的平面上,线圈与村底之间有立柱支撑;此新型微电感的制作工艺流程简单,与集成电路工艺相兼容,且其高频性能较好.井对此 结构微电感的性能进行了测试,测试频率范围在0.05~10G之间,结果表明:当悬空结构微电感的悬空高度为20μ画,工作频率在3~5GH范围内时 其电慼量达到4nH其值最大可达到22 10.期刊论文周庆华周勇周志敏曹莹.丁文 ZHou Qing-. hua ZHOU Yong. ZHOU Zhi- min CAo Ying DING Wen 纳米晶磁芯螺线管微电感的模拟研究 材料2008,27(9) 为了研制小尺寸、高性能的片上微电感,采用Fe 经退火得到的纳米晶带材作为磁芯材料,并对其高频磁导率进行了测试对纳米品磁 芯螺线管微电感建立了物理模型,模拟分析了结构 性能的影响结果表明:在110MH频率范围内,所设计的微电感的电感量在212 H品质因数Q值在1.32.3,非常适用于DC-DC变换器 引证文就(1条) 1.冯书谊.周勇.周志敏.向毅平面磁芯螺旋结构微电感的性能研究[期刊论文]-电子元件与材料2009(2) 本文链接http://d.g.wanfangdata.comcn/periodiCalgtdzxyjyjz200504019.aspx 下载时间:2010年2月15日
4.会议论文 代青龙.王小宝.蔡志祥.曹宇.李祥友.曾晓雁 激光微熔覆法制备空芯薄膜电感的研究 2006 采用激光微熔覆方法制备了空芯薄膜电感,着重研究了激光功率密度对电感线宽影响,以及薄膜电感的结构参数变化对电感电性能影响.结果表 明,线宽随激光功率密度增大而增大;电感量随着圈数增多、中心线间距增大、线宽变大而增大.通过优化激光工艺和结构参数,制备了面积5 mm× 5 mm和9 mm× 9 mm,线宽100 μm和120μm,线中心间距250μm和500μm,圈数8和16,厚度1μm的空芯回字型电感,在测试频率100kHz～1 MHz条件下,电 感量为240 nH±3 nH～1.2 μH±3 nH,单位面积电感量可达14.81 nH/mm2.通过实验证明,采用激光微熔覆法制备的微电感,在同样形状和面积下,可 提高电感量. 5.期刊论文 赵小林.王西宁.周勇.蔡炳初 双层悬空结构射频微电感制作研究 -微纳电子技术2005,42(1) 利用MEMS工艺制作了一种双层悬空结构的圆形射频微电感,研究了双层结构微电感中微带线宽度对其性能的影响.研究表明,双层悬空结构的圆 形射频微电感不仅具有较大的电感量,而且其Q值也较高;双层微电感的Q值随微带线宽度的增大而升高,而电感量则随微带线宽度的增大而降低.对于 微带线宽度为60μm的双层微电感,在频率2～4 GHz时,其电感量可达到5 nH左右,Q值达到20. 6.期刊论文 王西宁.赵小林.周勇.蔡炳初 RF平面螺旋微电感的物理模型 -微细加工技术2003(1) 为了在RF频率域内准确模拟RF平面螺旋微电感的性能,讨论了一种计算RF平面螺旋微电感的物理模型,此模型采用Greenhouse法计算微电感的电 感量,在计算微电感Q值时,考虑了诸如涡流、衬底电阻及各种寄生电容等因素,寄生电容包括电感与终端引出层间的交叉电容,电感与衬底间的电容 ,衬底电容等.这种模型可以计算不同布局及参数的微电感,为微电感的设计及其性能的优化提供了一种很好的方法. 7.期刊论文 郭绍寅.周勇.周志敏.曹莹.丁文.GUO Shao-yin.ZHOU Yong.ZHOU Zhi-min.CAO Ying.DING Wen 磁 芯螺线管微电感的计算机模拟 -上海交通大学学报2007,41(11) 采用电磁场理论建立了FeNi磁芯螺线管微电感的物理模型,并对交流载荷下的微电感进行了模拟.通过与磁芯厚度为10、20、30和40 μm的微电 感的实验结果对比,表明该物理模型能够较准确地模拟磁芯螺线管微电感的主要损耗,进而可计算微电感的电感量和品质因子.模拟结果与实验符合 较好. 8.学位论文 郭绍寅 MEMS磁芯螺线管微电感的模拟和制造工艺研究 2007 目前的通讯工程中仍使用大量射频(RF)技术必不可少的片外分离单元如谐振器、滤波器、耦合器等，阻碍了微型化，高性能，低成本的无线终 端产品的进一步发展，即将各种功能单元实现在一个单一的芯片上，实现SOC（System On a Chip）。近年来，MEMS技术的迅速发展使其成为可靠 而有效地实现硅SOC的必然途径，而各种基于MEMS技术的射频器件和磁性器件也成为学者们的重要研究课题。 结合目前国内外研制微电感的 现状，本论文采用电磁场理论和有限元分析软件分别建立了磁芯螺线管微电感的数值模型和有限元模型，并根据这两个模型分析了各种因素对微电 感性能的影响。且本文采用MEMS技术研制了磁芯螺线管微电感，通过与测试结果的对比，验证了本文所建立的两个物理模型，并且根据模拟计算提 出了优化设计方案。本论文完成的主要工作和结论如下： (1) 磁芯螺线管微电感的ANSYS有限元建模分析本文应用ANSYS三维谐振电磁场单元 边分析法建立了磁芯螺线管微电感的有限元模型，分析了微电感内部的磁场分布情况，并且根据ANSYS得到的能量储存和损耗计算磁芯的等效电感 和等效电阻。 (2) 磁芯螺线管微电感的数值建模分析本文从电磁场理论出发，借助MatLab编程，建立了微电感的数值模型，并将计算结果 与ANSYS结果和实验结果对比，三者结果吻合较好。在4mm×4mm外形面积下，从材料性质和几何参数两个方面，磁芯、线圈、绝缘材料和衬底四个 部分研究和分析各种相关参数对微电感的性能影响，并提出了优化设计方案。 (3) 磁芯螺线管微电感的制造和测试本文结合MEMS工艺，设 计和制造了NiFe磁芯材料的螺线管微电感。制造过程涉及溅射、光刻、电镀、干法刻蚀和湿法刻蚀等MEMS工艺，以及双面套刻、多层深度光刻、深 层微电铸工艺、聚酰亚胺绝缘及其精密机械抛光等关键制造技术，获得了具有较高性能的磁芯螺线管微电感。对所研制的微电感，在1-10MHz频率 范围内，采用Agilent E4991A阻抗分析仪和Cascade公司的微波探针台进行性能测试，主要包括电感量和品质因子Q值。研究结果表明：对于磁芯材 料为NiFe薄膜的微电感，增大磁芯厚度，可以提高电感量，但以降低Q值为代价。 9.期刊论文 王西宁.赵小林.周勇.蔡炳初 新型悬空结构射频微电感的制作与测试 -电子元件与材料2004,23(1) 利用MEMS(Micro Electro-Mechanical System:微机电系统)工艺中的牺牲层技术制作了一种新型悬空结构微电感,在此悬空结构中,微电感的线 圈制作在与衬底平行的平面上,线圈与衬底之间有立柱支撑;此新型微电感的制作工艺流程简单,与集成电路工艺相兼容,且其高频性能较好.并对此 结构微电感的性能进行了测试,测试频率范围在0.05～10 GHz之间,结果表明:当悬空结构微电感的悬空高度为20 μm,工作频率在3～5 GHz范围内时 ,其电感量达到4 nH,其Q值最大可达到22. 10.期刊论文 周庆华.周勇.周志敏.曹莹.丁文.ZHOU Qing-hua.ZHOU Yong.ZHOU Zhi-min.CAO Ying.DING Wen 纳米晶磁芯螺线管微电感的模拟研究 -电子元件与材料2008,27(9) 为了研制小尺寸、高性能的片上微电感,采用Fe基非晶薄带经退火得到的纳米晶带材作为磁芯材料,并对其高频磁导率进行了测试.对纳米晶磁 芯螺线管微电感建立了物理模型,模拟分析了结构参数对微电感性能的影响.结果表明:在1~10 MHz频率范围内,所设计的微电感的电感量L在2~12 ìH,品质因数Q值在1.3~2.3,非常适用于DC-DC变换器等功率电子器件. 引证文献(1条) 1.冯书谊.周勇.周志敏.向毅 平面磁芯螺旋结构微电感的性能研究[期刊论文]-电子元件与材料 2009(2) 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_gtdzxyjyjz200504019.aspx 下载时间：2010年2月15日