專利名稱：聚合物基底雙平面電磁線圈的制作方法
技術領域：
本發明屬于微電子機械系統(MEMS)技術領域，涉及用于微電機、 微電磁傳感器、執行器中平面電磁線圈的制作方法，具體地說是一種聚合 物基底雙平面電磁線圈的制作方法。
背景技術：
平面電磁線圈是微電子機械系統中各種微電機、微電磁傳感器、執行 器中的重要組成部分。線圈導體要具有足夠的橫截面積才能承載一定的電 流，在基底表面積有限的條件下繞組線寬就要減小，這樣必須增加繞組導 線的厚度，即增加它的高(深)寬比。以往制作大深寬比的線圈大多采用LIGA或UV-LIGA工藝，LIGA工 藝需使用同步輻射光源和X光掩模版，UV-LIGA工藝是一種釆用紫外厚 膠光刻取代同步輻射光刻工藝的準LIGA技術。上述方法在線圈導線電鑄 之后，存在光刻膠難以去除的問題；特別是在制作雙面線圈時，工藝難度 大，重復性差，成品率低。由于硅(Si)或Si02基底的表面非常光滑，線 圈與基底的接觸面積很小，因此采用上述方法制作的線圈還存在著與基底 粘附不牢的問題，線圈在電磁力的作用下容易從基底的表面脫落，影響其 使用壽命。鑒于以上技術的缺點，最近有人提出新的方法，利用硅深刻蝕，在硅 片表面刻蝕出用于鑲嵌線圈金屬導線的深溝槽，在溝槽內進行電鑄便得到 線圈的金屬導體結構；這樣線圈導體與基底溝槽大部分地接觸，被牢固地 鑲嵌于基底微溝槽內。該方法仍為傳統硅微機械工藝，且操作步驟較多，
又由于硅片的脆性，在線圈制作、裝配及使用當中，很容易因各種破壞作 用而破損。發明內容為了解決背景技術中線圈與基底粘附不牢和硅深刻蝕電鑄工藝難度 大、成品率低的問題，同時降低制造成本、提高使用性能，本發明結合微 機械工藝和聚合物復制技術，提供了一種以聚合物為基底雙平面電磁線圈 的制作方法。本發明的工藝步驟如下1.利用傳統光刻和硅深刻蝕技術，在硅片表面刻蝕出與平面線圈具 有相同圖形的微溝槽，制作出下一步復制所用的初級模版6,由于平面線 圈為雙面圖形，所以需要制作一對硅初級模版，具體工藝過程如圖1所示;2 .把步驟1制作出的一對初級模版各自分別與其它組件組裝成模具，如圖2所示，在其型腔內注入聚二甲基硅氧烷(PDMS)澆鑄液，固化聚 二甲基硅氧烷澆鑄液，分別拆除模具后便得到一對硅橡膠模版7，如圖3 所示，其表面上具有與初級模版相反的圖形凸起7-2;3. 把步驟2制作出的一對硅橡膠模版與其它組件組裝成模具，如圖4所示，在其型腔內注入環氧樹脂澆鑄液，固化環氧樹脂澆鑄液，拆除模具后便得到環氧樹脂基底ll-l，即為平面線圈的聚合物基底，其雙表面分 別具有與兩塊初級模版相同的微溝槽；4. 如圖5所示，在環氧樹脂基底溝槽內蒸鍍種子層，以此為電極進 行電鑄，電鑄完成后得到線圈的金屬導體ll-4，從而完成了雙平面線圈ll 的制作。本發明上述工藝制作出的硅橡膠模版如圖3所示，基本結構包括硅橡 膠基體7-1和支撐片7-4。硅橡膠基體7-1表面有復制出來的線圈圖形凸起 7-2;硅橡膠基體7-1上有用型芯3模塑出來的通孔7-3;支撐片7-4嵌鑄 在硅橡膠基體7-1體內。本發明上述工藝制作出的平面線圈11雙側表面都具有金屬導體結構， 從而大大贈加了線圈的電感系數，環氧樹脂基體11-1內嵌鑄的過渡導線 11-2起到了連接線圈兩面對應導體的作用。本發明解決了背景技術中線圈與基底粘附不牢和硅深刻蝕電鑄工藝 難度大、成品率低的問題，同時降低制造成本，提高應用可靠性。本發明 提出的以聚合物材料為基底的平面線圈新工藝，為發展標準微機械技術，利用聚合物的優良特性，改良線圈的性能成為可能。其意義在于(1) 在傳統MEMS工藝中，由于硅片的脆性，在線圈制作、裝配及使 用當中，很容易因各種破壞作用而破損。聚合物材料具有良好的韌性，替 代機械性能較差的硅材料。(2) 硅為半導體材料，以其制作線圈基底需進行氧化絕緣工藝處理， 而大多數高聚物都具有優良的電絕緣性能，制作線圈時可直接以其為基底。(3) 價格便宜，本發明所用環氧樹脂(包括大多數其它塑料)與微 機械所用的硅片相比可看作不計成本。(4) 復制技術的應用降低了制造成本，減少了標準微機械制造中的 光刻、蝕刻等步驟，并提高了成品率。
圖1是本發明硅初級模版制作工藝流程圖。圖中，(a)、 (b)、 (c)、 (d)、 (e)、 (f)、 (g)、 (h)表示工藝流程步驟，6是(h)步制作出的硅 初級模版。圖2是本發明制作硅橡膠模版的澆鑄模具組裝圖。圖中，l是橡膠檔 圈，2是有機玻璃板，3是鑄孔型芯，4是玻璃板，5是塑料墊塊，6是硅 初級模版，7-4是支撐片。圖3是本發明硅橡膠模版7的結構圖。圖中，7-l是硅橡膠基體，7-2 是硅橡膠基體7-1上復制出的線圈反凸起圖形，7-3是硅橡膠基體7-1上的 通孔，7-4是支撐片。圖4是本發明制作聚合物基底的澆鑄模具組裝圖。圖中，7是硅橡膠 模版，8是玻璃版，9是塑料封圈，IO是彈性夾，11-2是過渡導線。圖5是本發明聚合物基底雙平面電磁線圈11的制作過程圖。圖5-1 是用硅橡膠模版7復制后得到的結構，ll-l是環氧樹脂基體，11-2是過渡 導線；圖5-2是蒸鍍種子層后得到的結構，11-3是銅種子層；圖5-3是電 鑄后得到的結構，11-4是線圈的金屬導體；具體實施方式
為制得聚合物基底雙面線圈，采用硅初級模版——PDMS硅橡膠模版一 —環氧樹脂基底的二次復制路線，最后通過電鑄而在基底溝槽內制作出銅 導體。雙平面電磁線圈分布在聚合物基底兩面，因此要制作出有上下兩面圖 形的硅初級模版和硅橡膠模版各一對。先采用普通紫外光刻和深刻蝕技術在硅基底上制作出有線圈圖形的 深溝槽；以此作為初級模版與配合件組裝成模具，用來模塑成型PDMS硅 橡膠模版，其上帶有線圈反凸起圖形和過渡導線定位通孔；把一對過渡模 版及其配合件組合成模具，用來模塑成型環氧樹脂基底，其體內預制出連 通兩面對應圖形的導線；采用微電鑄技術在基底溝槽內沉積銅，便制作出 聚合物基底的雙面電磁線圈。主要結構材料選擇初級模版基底采用單晶硅材料；硅橡膠模版基體 用聚二甲基硅氧烷(PDMS)有機硅彈性體，其內嵌鑄的支撐片為彈性剛 片；聚合物線圈基底用液態環氧樹脂模塑成型，其內嵌鑄的過渡導線為銅 線，基底溝槽內的種子層和電鑄生成的材料均為銅。具體工藝過程 (1) 本發明提出的硅初級模版制作工藝過程如圖1所示。(a) 取表面拋光并有Si02氧化層的硅片，作為初級模版的基片。(b) 在基片表面均勻旋涂光刻膠。(c) 光刻，把預先制作的掩模上的圖形轉移到光刻膠層上；顯影后 去除曝光部分的光刻膠。(d) 用氫氟酸腐蝕液去掉光膠窗口部分的Si02,用丙酮清洗掉光刻 膠保護層，得到Si02掩模圖形。(e) 在Si02掩模表面覆蓋光刻膠。(f) 光刻、顯影后顯露出來的是小圓孔形的硅表面，其位置是所有 線圈終端需要雙面連接處。(g) 用該光刻膠作掩模，在感應耦合等離子(ICP)刻蝕機中做干法 深刻蝕，得到一定深度的小圓坑，澆鑄制作硅橡膠模版時要用鑄芯的方法 制作連線通孔，其鑄孔型芯即要在此圓坑中定位。(h) 去除掩模光刻膠后繼續做干法深刻蝕，用(d)步驟制作出的Si02 作掩模，得到線圈圖形的凹槽。這樣，用微機械技術制作的硅初級模版6就制作完成，為使其在使用 過程中不被破壞，把初級模版粘到玻璃板4上，這樣便可用于制作硅橡膠 模版。(2) 將上述制作出的初級模版6與橡膠擋圈1、有機玻璃板2、塑料 墊塊5、鑄孔型芯3組裝成模具如圖2所示，把PDMS混合液澆注入模具 型腔，固化成型后，取下橡膠擋圈1和有機玻璃板2，把鑄件從硅初級模 版6上剝離，抽出鑄孔型芯3后便在硅橡膠板體上留下通孔7-3，而支撐 片7-4則留在硅橡膠基體內，硅橡膠模版的厚度由塑料墊塊5的高度決定。制得的硅橡膠模版結構如圖3所示，7-2為下一步復制所用的凸起圖 形，線圈圖形終點處有通孔7-3用來定位和放置線圈基底的過渡導線11-2，7-4為環形的支撐片，其作用是加強和支撐硅橡膠彈性體，支撐片上開設出 圓周分布的孔，使硅橡膠彈性體牢牢抓住鋼片，增大結合力。(3) 把上述制得的硅橡膠模版7與平玻璃板8、塑料封圈9、彈性夾 10組裝成模具如圖4所示。兩硅橡膠模版按圖形對準，之間夾上開有澆口 的塑料封圈9，塑料封圈9的厚度即決定了澆鑄出的聚合物線圈基底的厚 度，在兩模版對準的穿銷通孔7-3中插入銅過渡導線11-2，最后兩面貼上 平玻璃板8，再用彈性夾10夾緊，這樣就形成了用于澆注環氧樹脂的薄層 型腔。把環氧樹脂和固化劑充分攪拌使之混合均勻，混合液放入真空中排 除氣泡，然后從澆口注入組合模具中，固化成型，脫模后即得到雙側表面 附有微溝槽的線圈基底。(4) 上述方法制得的有溝槽聚合物基底如圖5-l所示，其內有連通雙 面的過渡導線11-2;采用熱蒸發的方法在聚合物基底(11-1)的溝槽內沉 積銅種子層ll-3，得到如圖5-2所示的結構；在硫酸銅溶液中電鑄生成金 屬導體ll-4，最終得到如圖5-3所示的雙面線圈。
權利要求
1、一種聚合物基底雙平面電磁線圈的制作方法，其特征在于a.利用傳統光刻和硅深刻蝕技術制作硅初級模版(6)，與其它組件組裝成模具，在該模具內注入聚二甲基硅氧烷澆鑄液，固化脫模后便得到硅橡膠模版(7)；b.把硅橡膠模版(7)與其它組件組裝成模具，在該模具內注入環氧樹脂澆鑄液，固化脫模后便得到環氧樹脂基底，作為平面線圈的聚合物基底(11-1)；c.在聚合物基底(11-1)的溝槽內蒸鍍種子層(11-3)，以此為電極進行電鑄，電鑄完成后得到雙平面線圈(11)。
2、 根據權利要求1所述的聚合物基底雙平面電磁線圈的制作方法， 其特征是制作的聚二甲基硅氧烷硅橡膠模版(7)包括硅橡膠基體(7-1) 和支撐片(7-4);硅橡膠基體(7-l)表面有復制出來的線圈凸起圖形(7-2)， 硅橡膠基體(7-1)上有通孔(7-3)。
3、 根據權利要求1所述的聚合物基底雙平面電磁線圈的制作方法， 其特征是制作的線圈的基底(11-1)用聚合物材料制作，在其體內嵌鑄有 銅過渡導線(11-2)，溝槽內沉積銅有種子層(U-3)。
4、 根據權利要求1所述的聚合物基底雙平面電磁線圈的制作方法，其 特征是1) 所述的硅初級模版的制作是在硅片表面刻蝕出與平面線圈具有相 同圖形的微溝槽，即復制所用的初級模版(6);2) 由初級模版(6)與其它組件組裝成模具澆鑄得到硅橡膠模版(7) 具有與初級模版(6)相反的凸起圖形(7-2);3) 由一對硅橡膠模版(7)與其它組件組裝成模具澆鑄得到聚合物基 底(11-1)具有與初級模版(6)相同的微溝槽；4)在聚合物基底(11-1)的溝槽內蒸鍍種子層，電鑄完成后得到線圈的金屬導體(11-4),從而完成了聚合物基底雙平面線圈(11)的制作。
5、根據權利要求4所述的聚合物基底雙平面電磁線圈的制作方法，其特征是(1) 硅初級模版(6)的制作(a) 取表面拋光并有Si02氧化層的硅片，作為初級模版(6)的基片；(b) 在基片表面均勻旋涂光刻膠；(c) 光刻，把預先制作的掩模上的圖形轉移到光刻膠層上，顯影后去除曝光部分的光刻膠；(d) 用氫氟酸腐蝕液去掉光刻膠窗口部分的Si02，用丙酮清洗掉光 刻膠保護層，得到Si02掩模圖形；(e) 在Si02掩模表面覆蓋光刻膠；(f) 光刻、顯影后顯露出來的是小圓孔形的硅表面，其位置是所有 線圈終端需要雙面連接處；(g) 用該光刻膠作掩模，在感應耦合等離子刻蝕機中做干法深刻蝕, 得到一定深度的小圓坑，澆鑄制作硅橡膠模版時要用鑄芯的方法制作連線 通孔，其鑄孔型芯即要在此圓坑中定位；(h) 去除掩模光刻膠后繼續做干法深刻蝕，用d步驟制作出的Si02 作掩模，得到線圈圖形的凹槽；(2) 將上述制作出的初級模版(6)與橡膠擋圈(1)、有機玻璃板(2)、 塑料墊塊(5)、鑄孔型芯(3)組裝成模具，把二甲基硅氧烷混合液澆注入 模具型腔，固化成型后取下橡膠擋圈(1)和有機玻璃板(2)，把鑄件從硅 初級模版(6)上剝離，抽出鑄孔型芯(3)后便在硅橡膠板體上留下通孔(7-3)，而支撐片(7-4)則留在硅橡膠基體內，硅橡膠模版(7)的厚度由塑料墊塊(5)的高度決定；(3) 把上述制得的硅橡膠模版(7)與平玻璃板(8)、塑料封圈(9)、 彈性夾(10)組裝成模具；兩硅橡膠模版(7)按圖形對準，之間夾上開有 澆口的塑料封圈(9)，在兩硅橡膠模版(7)對準的穿銷孔(7-3)中插入 銅過渡導線(11-2)，最后兩面貼上平玻璃板(8)，再用彈性夾(10)夾緊， 形成用于澆注環氧樹脂的薄層型腔；把環氧樹脂和固化劑充分攪拌使之混 合均勻，混合液放入真空中排除氣泡，然后注入組合模具中，固化成型、 脫模后即得到雙側表面附有微溝槽的聚合物基底(11-1);(4) 上述方法制得的聚合物基底(11-1)，內有連通雙面圖形的過渡 導線(11-2);采用熱蒸發的方法在聚合物線圈基底(11-1)溝槽內沉積銅 種子層(11-3);在硫酸銅溶液中電鑄生成金屬導體(11-4),最終得到雙 平面線圈。
6、根據權利要求5所述的聚合物基底雙平面電磁線圈的制作方法，其 特征是用微機械技術制作的硅初級模版(6)制作完成后，把初級模版(6) 粘到玻璃板(4)上。
全文摘要
本發明屬于微電子機械系統技術領域，是一種聚合物基底雙平面電磁線圈的制作方法。用微機械工藝和聚合物微復制技術，在硅片表面刻蝕線圈微溝槽，以此為初級模版，在其圖形上澆鑄聚二甲基硅氧烷，固化脫模后便得到具有與硅初級模版圖形相反的硅橡膠模版；組裝好具有雙面圖形的一對硅橡膠模版，在其內注塑環氧樹脂，固化脫模后便得到具有雙面溝槽的環氧樹脂線圈基底；在聚合物基底溝槽內進行電鑄，得到線圈的金屬結構。本發明利用聚合物的優良特性發展了微機械技術，其特點在于用聚合物替代硅材料，具有良好的韌性，電絕緣性能好，價格便宜；采用的復制技術降低了制造成本，減少了標準微機械制造中的光刻、蝕刻等步驟，并提高了成品率。
文檔編號H01F41/02GK101150008SQ20061001720
公開日2008年3月26日 申請日期2006年9月22日 優先權日2006年9月22日
發明者波 劉, 劉永順, 吳一輝, 平 張, 濤 張, 王淑榮 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所