[发明专利]用于制造具有三维磁结构的器件的方法

说明书

技术领域

本发明的实施例涉及一种用于制造具有三维磁结构的器件的方法。附加实施例涉及具有三维磁结构的器件。一些实施例涉及将磁性材料集成到衬底上。

背景技术

可以通过IC(集成电路)技术在半导体衬底上制造非常小的线圈。然而，由磁性材料制成的没有线圈芯的小线圈通常表现出较低的电感。然而，集成由合适磁性材料制成的线圈芯很困难，原因在于需要相对较大的层厚度。因此，对于具有较大电感的电子模块，仍然需要SMD(表面安装器件)元件，其中这些元件的线圈体通过常规地绕磁芯缠绕导线或通过LTCC(低温共烧陶瓷)中的陶瓷技术来制造。然而，SMD元件的尺寸通常在毫米范围内。此外，SMD元件在电感量方面表现出显著的散乱。可以通过将磁芯直接集成在衬底中来实现在例如硅的平面衬底上的平面集成线圈的性能的显著改进。

可以集成到衬底上的磁结构将不仅对于电感器而且对于微机械器件和传感器都是高度关注的。当与其他驱动原理相比较时，磁性致动器具有一定的优势。然而，迄今为止，只有使用安装在芯片级上的永磁体才能实现高力度。然而，如在电感器的情况中那样，这与小型化系统的尺寸和成本均不相容。此外，安装这种磁体防止在通过晶圆接合产生的气密密封壳体中使用这种磁体，原因在于接合时所需的温度与粘合剂连接不相容。

与高性能硬磁性层相反，金属铁磁层易于电化学沉积。图1a示出了基于由具有10μm坡莫合金芯的铜制成的圆筒式线圈的磁致动欧姆MEMS(微机电系统)开关[M.Glickman等人，“High-porformance lateral-operated magnetic MEMS switch”，J.Micromech.Sys.，Vol.20，No.2，2011]。图1b示出了具有电沉积NiFe芯的类似设置的变压器[R.J.Rassel等人，“Fabrication and characterization of a solenoid-type microtransformer”，Transact.on Magnetics，Vol.39，No.1，2003]。通常，Fe基合金、Ni基合金或Co基合金表现出高渗透性和饱和感应。然而，随着频率的增加，金属中的涡流和铁磁共振引起的损耗显著增加。例如，在[R.J.Rassel等人，“Fabrication and characterization of a solenoid-type microtransformer“，Transact.on Magnetics，Vol.39，No.1，2003]中，变压器的工作范围例如被限制为较低kHz范围内的频率。[D.W.Lee等人，“Design and fabrication of integrated solenoid inductors with magnetic cores”，Proc.ECTC 2008]描述了具有厚度近似为2μm的溅射CoTaZr芯且在几十MHz处具有良好性能的圆筒式线圈。

由于铁氧体的高电阻，铁氧体显著地更适合更高频率的应用。这些材料的渗透性可能相当高，其中饱和感应大多相对较低。由于高温，铁氧体磁体的经典制造方法与IC技术不相容。对铁氧体进行溅射存在问题，原因在于这些溅射铁氧体是由若干元件制成的复杂化合物。此外，溅射层可能需要热后处理来调整晶体结构。对铁氧体层进行蚀刻也很困难。[Y.Mano等人，“PIanar inductor with ferrite layers for DC-DC converters，传感器2005，Seoul，Korea]描述了一种嵌入电沉积Ni-Fe铁氧体中的平面线圈。由于使用光刻胶进行了电沉积，不需要对层进行后期构建。