基于3d打印制備微電感的方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于微電感制作技術領域，特別地設及基于3的T印制備微電感的方法。
【背景技術】
[0002] 在過去的幾十年里，半導體信息技術的飛速發展促使電子產品向高集成度、微型 化、智能化、低功耗等方向發展，最終的目標是將各種功能單元實現在一個單一的忍片上。 目前4G、5G移動通訊W及物聯網技術的推廣與發展，電源管理和高速數據傳輸對IC集成電 路的要求也愈來愈高。微電感作為IC集成電路中不可或缺的無源感性器件，能夠將電能轉 換成磁能，可W實現交流信號的"低通高阻"，逐步應用于智能電器中的電源能量管理(如功 率電感）、生物醫療（用于能量傳輸的微型電感）、無線通信電路(如射頻收發電路中的濾波 器壓控振動器、混頻器、功率放大器和低噪聲放大器等模塊中。目前傳統的片外分立式電感 器件，在電子電路中占去了很大比例空間，生產成本較高，另外其管腳引線還引來了額外的 寄生損耗，已不能滿足現在人們對于電子產品高集成度、低功耗和高性能的需求。
[0003] 微電感主要包括=個部分:襯底、線圈和磁性材料層。根據空間結構，微電感線圈 又分為平面式微電感和=維立體微電感。微電感的主要的性能指標包括電感量L、品質因子 Q、截止頻率fo和適宜工作頻率fmax。為了解決傳統平面螺線電感電感量L和品質因子Q較低 的問題，目前研究手段主要包括：（1)采用懸浮、=維立體結構或厚絕緣層將電感線圈同襯 底隔離，或利用CMOS多層布線工藝將金屬導線構制成層疊的螺旋線圈結構設計用特殊襯底 材料，從而達到減小襯底滿流和漏電損耗的目的;但是運些加工制備工藝非常復雜，需要多 層制版，期間還需要設計多層光刻版之間相互套刻，成本昂貴工藝復雜，尤其=維立體式結 構的加工制備。此外在加工制備過程中，很容易造成電感線圈金屬的腐蝕或刻蝕損傷，降低 微電感的電磁性能。（2)基于磁忍磁通增強原理，通過在微電感中引入磁性薄膜的方法使電 感線圈的磁通量增加，可改善微電感的電感量L和品質因數Q。磁性材料的選擇可W從軟磁 合金（CoNb化、CoZda、CoFe、NiFe坡莫合金等巧Ij軟磁鐵氧體(NiZnCu化(KYBiFeO)。對于軟 磁合金材料，在高頻磁場中，其滿流損耗較大，不利于提高微電感性能。軟鐵氧體薄膜是絕 緣材料，其滿流損耗可W忽略不計，但在傳統加工制備過程中所需要溫度過高（600-750 °C)，會加快局域電感線圈的金屬擴散，降低器件性能，運種方法也與傳統的IC加工工藝不 兼容。另外，采用涂覆工藝在微電感集成制備的磁性顆粒復合材料也容易剝離和脫落。綜 上，傳統微電感線圈主要采用MEMS或微納加工工藝進行制備，但加工工藝復雜，尤其立體螺 旋式電感。傳統的加工工藝:首先需要制備多層光刻板，再者層與層互聯線圈區域需要采用 通孔設計進行相連，最后由于由于工藝復雜，在螺旋式微電感的中屯、沉積生長鐵磁性材料 比較困難，一般運種工藝制備的微電感的電感值和品質因子難W得到較大幅值的提高。
[0004] 近些年3D打印技術迅速發展，并與傳統加工制造技術相結合，由最初的只適合于 樹脂塑料等原材料的快速成型，發展到金屬、高溫合金、鐵氧體等復雜結構加工的新技術途 徑。3D打印技術是在計算機輔助設計數據的指引下，綜合運用電子制圖、遠程數據傳輸、激 光掃描、材料烙化等系列技術，將特定金屬粉末或記憶材料按照電子模型圖的指示一層層 疊加起來，最終形成實物模型。該技術通過數字化噴射實現多材料或梯度功能材料的=維 打印成型，可實現=維復雜結構的快速加工和局部定位區域的=維材料融合覆蓋。3D打印 工藝主要包括:光固化成型、層疊實體制造、選擇性激光燒結、烙融沉積制造、=維打印成型 和形狀沉積制造等，其中光固化成型工藝使用光敏樹脂，在激光掃描樹脂液面時，掃描區域 固化，通過逐層疊加實現零件的制造。層疊實體制造工藝則采用具有一定厚度的片材，每層 輪廓被激光切割，實現逐層的疊加制造零件。選擇性激光燒結工藝使用固體粉末材料，在激 光照射下，發生烙融固化，從而完成每層的成型，該工藝使用的材料范圍較廣，特別是在金 屬和陶瓷材料的成型方面獨具優勢;烙融沉積制造工藝采用電加熱塑料絲，使其在噴頭內 達到融態，噴頭在計算機控制下將烙融的材料噴涂到工作平臺上，從而逐層實現整個零件 的成型;形狀沉積制造工藝一般采用加工中屯、來完成沉積過程中材料的去除，每沉積完一 層材料，采用數控加工方法將該層零件或支撐材料加工成成形表面，然后再進行下一層的 沉積過程。形狀沉積制造過程根據零件的材料可W采用不同的方法，并可W用=維任意厚 度且不為平面的零件幾何分層來制造零件。然而，由于加工材料和無法定點施加磁場的工 藝技術，傳統的3的T印還無法直接用于微電感的打印制備。

【發明內容】

[0005] 本發明的目的是要解決傳統微電感制備加工工藝復雜，鐵磁性材料制備加工困 難，難于IC工藝相結合的問題，提供一種基于3D打印制備微電感的方法，本發明將3D打印技 術與微電感技術相結合，采用施加外磁場和選擇性局部制備鐵磁性材料，實現高性能片上 微電感的大規模制備。
[0006] 本發明提出的第一種基于3D打印制備微電感的方法，其特征在于，所述微電感為 立體電感，該制備方法包括W下步驟：
[0007] 1)采用第一 3D打印噴頭按照預先設定的程序在襯底上打印微電感的底層金屬微 電感線圈；
[0008] 2)用激光對打印的底層金屬微電感線圈進行燒結；
[0009] 3)在底層金屬微電感線圈采用PECVD生長一層絕緣材料，作為微電感線圈層與層 之間的隔絕，重復步驟1)-3)制作一層出預先設定的多層立體金屬微電感線圈；
[0010] 4)在制成的金屬微電感線圈的中間部分采用第二3D打印噴頭按照預先設定的程 序打印出鐵磁性材料體；
[0011] 5)采用激光對鐵磁性材料體進行燒結，同時按預先設定的方向施加磁場對鐵磁性 材料圓柱體進行磁化，使鐵氧體材料晶化，磁矩取向排列統一，W有利于提高鐵氧體材料的 磁導率和飽和磁化強度，所述第一 3D打印噴頭內裝有金屬粉，所述第二3D打印噴頭內裝有 鐵磁性材料粉。
[0012] 本發明提出的第二種基于3D打印制備微電感的方法，其特征在于，所述微電感為 立體微電感，該制備方法包括W下步驟：
[001引1)在高阻Si襯底上沉積500nm的SiO褲膜；
[0014] 2)采用電子束蒸發沉積50nm的Ti/Au作為緩沖層和種子層，W改善微電感線圈與 襯底的結合；
[0015] 3)采用第一 3D打印噴頭和第二3D打印噴頭，同時、交替或分別打印金屬微電感線 圈和鐵氧體材料體，并使鐵磁性材料體包圍在微電感線圈的周圍；
[0016] 4)在打印鐵磁性材料的同時對鐵磁材料進行燒結同時采用施加同方向外磁場，使 鐵氧體材料晶化，磁矩取向排列統一，有利于提高鐵氧體材料的磁導率和飽和磁化強度。
[0017] 本發明提出的第S種基于3D打印制備微電感的方法，其特征在于，所述微電感為 平面微電感，該制備方法包括W下步驟：
[0018] 1)首先在高阻Si襯底上沉積500nm的Si化薄膜；
[0019] 2)然后采用電子束蒸發沉積50nmTi/Au作為緩沖層和種子層，改善微電感線圈與 襯底的結合；
[0020] 3)隨后沉積金屬材料化薄膜作為微電感線圈；
[0021] 4)利用MEMS工藝將金屬化薄膜加工成微電感線圈W及電極；
[0022] 5)利用第二3的T印噴頭在微電感線圈的上方區域打印鐵磁性材料；
[0023] 6)激光進行對鐵磁材料進行燒結并同時采用施加同方向外磁場，使鐵氧體材料晶 化，磁矩取向排列統一，有利于提高鐵氧體材料的磁導率和飽和磁化強度。
[0024] 本發明提出的第四種基于3D打印制備微電感的方法，其特征在于，所述微電感為 平面微電感，該制備方法包括W下步驟：
[0025] 1)首先對高阻Si襯底進行熱氧化，在襯底表面沉積500nm的Si化薄膜；
[0026] 2)然后采用電子束蒸發沉積50nmTi/Au作為緩沖層和種子層，W改善微電感線圈 與襯底的結合；
[0027] 3)接著利用陽CVD生長厚度為500nm的Si化絕緣層；
[0028] 4)利用光刻和干法刻蝕在Si化絕緣層上形成尺寸為20um*20um通孔；
[0029] 5)利用磁控瓣射在Si化絕緣層上生長500nm的Ti/Au作為通孔連接上下電極；
[0030] 6)隨后在5)步驟制作的樣片上方沉積3WI