CN103043599A

CN103043599A - 一种基于柔性聚合物衬底的螺旋电感的制备方法

Info

Publication number: CN103043599A
Application number: CN2012105251755A
Authority: CN
Inventors: 张海霞; 孙旭明; 郑阳; 李忠亮
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2012-12-07
Filing date: 2012-12-07
Publication date: 2013-04-17
Anticipated expiration: 2032-12-07
Also published as: CN103043599B

Abstract

一种基于柔性聚合物衬底的螺旋电感的制备方法。包括如下步骤：（A）衬底上生长柔性薄膜；任选的（A1）在薄膜上溅射种子层，电镀磁性材料，生长柔性薄膜；任选的（A2）溅射种子层；（B）电镀线圈；（C）电镀磁芯；任选的步骤（C1）去除光刻胶和去除种子层；（D）生长柔性薄膜；任选的（D1）在薄膜上溅射种子层，电镀磁性材料，生长柔性薄膜；（E）剥离电感，得到柔性聚合物衬底的三明治结构螺旋电感。通过在柔性衬底上电镀铜线圈和铁镍磁芯得到的微型三明治结构螺旋电感L值和Q值高，面积小，可折叠，生物兼容性好，工艺简单，成本低。制得的电感可广泛应用于各种生物和非生物微***中，特别是用于植入式的无线能量传输***。

Description

一种基于柔性聚合物衬底的螺旋电感的制备方法

技术领域

本发明涉及微纳加工领域，特别涉及一种基于柔性聚合物衬底的螺旋电感的制备方法。

背景技术

聚对二甲苯（Parylene）是一种热塑性晶体聚合物。和其他聚合物相比，Parylene薄膜具有保型性好，化学惰性强，常温下不可溶解，生物兼容性极好，薄膜厚度小，透明，成本低，无毒，无污染等特点，因此在MEMS领域，特别是微流道和生物MEMS应用中能够发挥重要作用。

柔性是Parylene固有属性之一，以Parylene作为柔性衬底的器件在生物医疗等领域中发挥重大作用，是近年来微纳加工领域的研究热点。已知的Parylene的结构有20多种，但可在微加工中使用的只有三种，即Parylene N，Parylene C和Parylene D，其中ParyleneC是普遍采用的一种结构。

除Parylene外，聚酰亚胺（PI）、聚二甲基硅氧烷（PDMS）等柔性聚合物也具有和Parylene类似的性质，因此也可以用于本发明所述的电感的制备。

在集成电路或微***中加入电感元件一直被视为挑战，因为现有电感一般都需要占据很大的面积来保证高L值和高Q值，这不仅会带来很大的损耗，而且使得力图实现小尺寸集成电路芯片的目标变得难以实现。利用电镀铜的方法可以有效减小线圈的阻抗，从而改善电感的性能。在电感线圈的中心加入由软磁材料制成的磁芯（如铁镍合金、钴镍锰磷合金、钴铁合金等）可有效提升电感的性能。根据之前的研究，例如Xuming Sun,Yang Zheng等人在2012年发表的Design andFabrication of Flexible Parylene-based Inductors withElectroplated NiFe Magnetic Core for Wireless PowerTransmission System(IEEE-NEMS 2012,p.238-242)（中文题目：用于无线能量传输***的带铁镍磁芯的柔性Parylene衬底的电感的设计与制备），和不带磁芯的电感相比，中心带有磁芯的电感的性能更为优越。因此，软磁材料可以提高电感的性能。但是，现有的MEMS电感由于结构简单、磁芯面积有限等原因，性能还有待进一步的提高。

另外，在生物医疗领域中，很多植入人体的器件需要保证其生物兼容性和柔性。因为植入式器件所处环境恶劣，一方面要保证器件不会和人体内的物质发生反应导致人体受到污染或者器件损坏，所以器件要具有良好的生物兼容性；另一方面，在人体活动时植入式器件有可能会发生形变甚至弯曲折叠，所以该器件还必须保证具有良好的柔性。Parylene作为一种惰性极强的高分子聚合物材料，其生物兼容性极好，且本身具有柔性，是作为植入式器件的覆盖层的绝佳材料。

从以上介绍可知，软磁材料可以提高电感的性能，而柔性聚合物可以提供柔性和良好的生物兼容性，因此基于这些材料的更高性能的电感亟待研究和实现。

发明内容

本申请的目的在于提出一种基于柔性衬底（如Parylene）的螺旋电感制备方法，利用电镀方法在Parylene表面生长金属线圈，并在线圈中心、底部和顶部电镀磁芯以提高电感的Q值，从而实现高性能的MEMS电感。

本申请公开了一种基于柔性聚合物衬底的螺旋电感的制备方法，按顺序包括如下步骤：

（A）衬底上生长柔性薄膜；

任选的（A1）在薄膜上溅射种子层，电镀磁性材料，生长柔性薄膜；

任选的（A2）溅射种子层；

（B）电镀线圈；

（C）电镀磁芯；

任选的步骤（C1）去除光刻胶和去除种子层；

（D）生长柔性薄膜；

任选的（D1）在薄膜上溅射种子层，电镀磁性材料，生长柔性薄膜；

（E）剥离电感，得到柔性聚合物衬底的三明治结构螺旋电感。

进一步的：

步骤（A）衬底为硅衬底，柔性薄膜为聚对二甲苯、聚酰亚胺或聚二甲基硅氧烷薄膜；

步骤（B）电镀线圈包括厚胶光刻，定出线圈图形，电镀铜线圈；光刻胶是AZ9260、AZ4620，甩胶的厚度为10-15um;

步骤（C）电镀磁芯包括厚胶光刻，定出磁芯位置，电镀磁芯；

步骤（D）中沉积的柔性薄膜为聚对二甲苯、聚酰亚胺或聚二甲基硅氧烷薄膜；

步骤（E）剥离为直接用手工剥离。

进一步的：

步骤（A）柔性材料薄膜厚度是8-15um;

步骤（A1）所述的种子层是Ti/Cu，Ti的厚度是10-30nm，Cu的厚度是100-300nm，先淀积Ti，再淀积Cu;电镀磁性材料为铁镍合金、钴铁合金；电镀时间为90-120分钟，电镀密度2-4ASD；柔性薄膜厚度为8-15um；

步骤（A2）种子层是Ti/Cu，Ti的厚度是10-30nm，Cu的厚度是100-300nm，先淀积Ti，再淀积Cu；

步骤（B）所述的电镀时间是50-70分钟，电镀时的电流密度为1ASD；

步骤（C）所述的磁芯，是铁镍合金、钴铁合金、钴镍锰磷合金，采用铁镍合金时电镀液中铁和镍的比例是20:80、30:70或40:60；电镀时间是90-120分钟，电镀时的电流密度是2-4ASD；

步骤（C1）为湿法腐蚀去除光刻胶和去除种子层,过程是将样品放入有机溶剂中完成的，去种子层的过程采用了湿法腐蚀的方法；若种子层为Ti和Cu，则方法是先将样品放入铜腐蚀液，待铜腐蚀干净后再将样品放入钛腐蚀液将钛腐蚀干净后取出，并用去离子水冲洗干净；

步骤（D）柔性材料薄膜厚度是8-15um；

步骤（D1）种子层是Ti/Cu，Ti的厚度是10-30nm，Cu的厚度是100-300nm，先淀积Ti，再淀积Cu；电镀磁性材料为铁镍合金、钴铁合金；电镀时间为90-120分钟，电镀密度2-4ASD；柔性薄膜厚度为8-15um。

进一步的：

步骤（A）中薄膜厚度为10um,薄膜为聚对二甲苯薄膜；

步骤（A1）中Ti的厚度是15nm，Cu的厚度为150nm;

步骤（B）中光刻胶厚度为10um；

步骤（C）电镀铁镍磁芯，使用的镀液成分主要有硫酸镍、氯化镍、硫酸亚铁，电镀脉冲为4ASD，电镀时间为100min；

步骤（C1）中丙酮去胶，铜腐蚀液主要成分为冰醋酸和双氧水，腐蚀Cu时间为60s-70s，钛腐蚀液为氢氟酸，时间为40s-60s；

步骤（D）生长10um厚的聚对二甲苯薄膜。

本申请并公开了一种基于柔性聚合物衬底的螺旋电感，其采用上述方法制备。

进一步的是任选具备顶部磁性薄膜和/或任选具备底部磁性薄膜的电感。

优选是三明治结构的螺旋电感。

上述螺旋电感的用途，其特征在于：用于各种生物和非生物微***中，优选用于植入式的无线能量传输***。

本发明提出的基于柔性衬底的三明治结构MEMS螺旋电感制备方法，给出了一种可行的高性能的电感结构，在铜线圈的上方、下方和中心全都镀上磁性材料，显著提高了电感的性能。由本发明可获得面积小、高Q值的柔性电感，有效解决了传统微***中电感面积过大、性能差、生物兼容性差、难以弯曲的问题。本发明提出的新方法同时满足了植入式微***对电感的柔性和电学性能的要求，利用本方法制备的电感经测试，L值和Q值较高，可弯曲可折叠，器件尺寸小。

附图说明

图1为本发明的基于柔性衬底的螺旋电感的模型（为了方便看出图形而省略了最上方的磁性薄膜，因此同时也可看做上述的不带顶部磁芯的简单结构的螺旋电感的模型）；

图2为本发明的基于柔性衬底的螺旋电感制备方法的工艺流程图；

图3为本发明的基于柔性衬底的不含上下两层软磁薄膜的简单结构的螺旋电感制备方法的工艺流程图；

图4为本发明的基于柔性衬底的只含底部软磁薄膜的螺旋电感制备方法的工艺流程图；

图5为本发明所述的制备方法中步骤7的电镀铜之后的电子显微镜照片；

图6为本发明所述的制备方法中步骤9的电镀磁芯之后的电子显微镜照片；

图7为本发明所述的制备方法中步骤10的湿法腐蚀去种子层之后的电子显微镜照片；

图8为利用本发明所述制备方法加工所得的不带上下两层磁性薄膜的电感（即下述实施例一所述方法制得的电感）从硅衬底上剥离后的照片，可以看出电感是柔性的。

图9为利用本发明所述制备方法加工所得的带底部磁性薄膜的电感（即下述实施例二所述方法制得的电感）从硅衬底上剥离后的照片，可以看出电感是柔性的。

图10为利用本发明所述制备方法加工所得的三明治结构电感的性能测试结果，其电感值（L值）和品质因数（Q值）都比较理想。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征、优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明实施例作进一步详细的说明。

下面结合图1至图10阐述本发明提供的基于柔性衬底的带磁芯的三明治螺旋电感的制备方法步骤。

实施例一：

实施例一为不带顶部和底部两层磁性薄膜的电感的制备过程。因此步骤2-4以及步骤12-14均可省略。在本实施例中，选用Parylene作为衬底材料，铁镍合金作为磁性薄膜和磁芯的材料。

步骤1：在硅片上生长一层约10um的Parylene薄膜；

步骤5：在Parylene薄膜上溅射Ti/Cu种子层，其中Ti的厚度为15nm，Cu的厚度为150nm；

步骤6：厚胶光刻（AZ9260光刻胶），定出线圈图形；

步骤7：电镀铜线圈，电镀时电流密度为1ASD，电镀时间为50分钟；

步骤8：第二次光刻（AZ9260光刻胶），定出磁芯位置；

步骤9：电镀铁镍磁芯，电镀时电流密度为4ASD，电镀时间为120分钟，电镀液中铁镍的配比为20:80；

步骤10：丙酮去胶，湿法腐蚀去种子层（铜腐蚀液采用冰醋酸和双氧水的混合溶液，钛腐蚀液采用氢氟酸的水溶液）；

步骤11：在线圈上面覆盖一层Parylene薄膜；

步骤15：将Parylene电感从硅衬底上剥离。

参照图3，图3为本发明的基于柔性衬底的简单结构的螺旋电感制备方法的工艺流程图。上述各步骤中所述的工艺加工过程即为本发明所述制备方法的步骤，通过两次光刻和两次电镀，实现了柔性衬底上的高Q值电感。

参照图5，图5为本发明所述的电感经过步骤5的电镀后的电子显微镜照片。

参照图6，图6为本发明所述的电感经过步骤7的电镀后的电子显微镜照片。

参照图7，图7为本发明所述的电感经过步骤8的电镀后的电子显微镜照片。

参照图8，图8为本发明的基于Parylene衬底的简单结构的螺旋电感的成品图，可以看到Parylene衬底呈透明状，电感的体积很小，可弯曲。

实施例二：

实施例二为不带顶部磁性薄膜的电感的制备过程。因此步骤12-14均可省略。在本实施例中，选用PDMS作为衬底材料，钴铁合金作为磁性薄膜和磁芯的材料。

步骤1：在硅片上生长一层约15um的PDMS薄膜；

步骤2：在PDMS薄膜上溅射Ti/Cu种子层，其中Ti的厚度为20nm，Cu的厚度为200nm；

步骤3：电镀钴铁磁性薄膜，电镀时电流密度为2ASD，电镀时间为180分钟，电镀液中钴铁的配比为70:30；

步骤4：在磁性薄膜上生长一层约15um的PDMS薄膜；

步骤5：在PDMS薄膜上溅射Ti/Cu种子层，其中Ti的厚度为20nm，Cu的厚度为200nm。

步骤6：厚胶光刻（AZ4620光刻胶），定出线圈图形；

步骤7：电镀铜线圈，电镀时电流密度为1ASD，电镀时间为70分钟；

步骤8：再次光刻（AZ4620光刻胶），定出磁芯位置；

步骤9：电镀钴铁磁芯，电镀时电流密度为2ASD，电镀时间为180分钟，电镀液中钴铁的配比为70:30；

步骤10：丙酮去胶，湿法腐蚀去种子层（铜腐蚀液采用冰醋酸和双氧水的混合溶液，钛腐蚀液采用双氧水的水溶液）；

步骤11：生长一层约10um的PDMS薄膜；

步骤15：将PDMS电感从硅衬底上剥离。

参照图1，图1为本发明的基于柔性衬底的带底部磁性薄膜的螺旋电感的模型。

参照图4，图4为本发明的基于柔性衬底的带底部铁镍薄膜的螺旋电感制备方法的工艺流程图。上述各步骤中所述的工艺加工过程即为本发明所述制备方法的步骤，通过两次光刻和两次电镀，实现了柔性衬底上的高Q值电感。

参照图9，图9为本发明的基于PDMS衬底的带底部磁性薄膜的螺旋电感的成品图。

实施例三：

实施例三为基于柔性衬底的三明治结构螺旋电感的制备过程。在本实施例中，选用Parylene作为衬底材料，铁镍合金作为磁性薄膜和磁芯的材料。

步骤1：在硅片上生长一层约10um的Parylene薄膜；

步骤2：在Parylene薄膜上溅射Ti/Cu种子层，其中Ti的厚度为10nm，Cu的厚度为100nm；

步骤3：电镀铁镍磁性薄膜，电镀时电流密度为4ASD，电镀时间为100分钟，电镀液中铁镍的配比为7:93；

步骤4：在磁性薄膜上生长一层约10um的Parylene薄膜；

步骤5：在Parylene薄膜上溅射Ti/Cu种子层，其中Ti的厚度为10nm，Cu的厚度为100nm；

步骤6：厚胶光刻（AZ9260光刻胶），定出线圈图形；

步骤7：电镀铜线圈，电镀时电流密度为1ASD，电镀时间为60分钟；

步骤8：再次光刻（AZ9260光刻胶），定出磁芯位置；

步骤9：电镀铁镍磁芯，电镀时电流密度为4ASD，电镀时间为100分钟，电镀液中铁镍的配比为7:93；

步骤11：生长一层约10um的Parylene薄膜；

步骤12：在Parylene薄膜上溅射Ti/Cu种子层，其中Ti的厚度为10nm，Cu的厚度为100nm；

步骤13：电镀铁镍磁性薄膜，电镀时电流密度为4ASD，电镀时间为100分钟，电镀液中铁镍的配比为7:93；

步骤14：在上面再覆盖一层约10um的Parylene薄膜；

步骤15：将Parylene电感从硅衬底上剥离。

参照图1，图1为本发明的基于柔性衬底的三明治结构螺旋电感的模型（由于）。线圈的宽度为200um，间距为50um，厚度为10um，匝数为4。磁芯的半径为1000um。

参照图2，图2为本发明的基于柔性衬底的三明治结构螺旋电感制备方法的工艺流程图。上述步骤1-15中所述的工艺加工过程及为本发明所述制备方法的步骤，通过图2所示的过程，实现了柔性衬底上的高Q值电感。

由于三明治结构螺旋电感的成品图顶部和底部都有磁性薄膜包裹，因此无法直接看到中间的线圈和磁芯，因此省略了成品图的示意。

以上对本发明所提供的一种基于柔性衬底的三明治结构螺旋电感制备方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种基于柔性聚合物衬底的螺旋电感的制备方法，按顺序包括如下步骤：

（A）衬底上生长柔性薄膜；

任选的（A2）溅射种子层；

（B）电镀线圈；

（C）电镀磁芯；

任选的步骤（C1）去除光刻胶和去除种子层；

（D）生长柔性薄膜；

2.一种如权利要求1所述的方法，其特征在于：

步骤（E）剥离为直接用手工剥离。

3.一种如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：

步骤（A）柔性材料薄膜厚度是8-15um;

步骤（D）柔性材料薄膜厚度是8-15um；

4.一种如权利要求3所述的方法，其特征在于：

步骤（A）中薄膜厚度为10um,薄膜为聚对二甲苯薄膜；

步骤（A1）中Ti的厚度是15nm，Cu的厚度为150nm;

步骤（B）中光刻胶厚度为10um；

步骤（D）生长10um厚的聚对二甲苯薄膜。

5.一种基于柔性聚合物衬底的螺旋电感，其特征在于：采用权利要求1-4之一的方法制备。

6.一种权利要求5所述的螺旋电感，其特征在于：其是任选具备顶部磁性薄膜和/或任选具备底部磁性薄膜的电感。

7.一种权利要求5所述的螺旋电感，其特征在于：是三明治结构的螺旋电感。

8.一种如权利要求5所述的螺旋电感的用途，其特征在于：用于各种生物和非生物微***中。

9.一种如权利要求6所述的用途，其特征在于：用于植入式的无线能量传输***。