硅基片上的高Q螺旋型微电感器
HIGH Q SPIRAL-TYPE MICROIND-UCTORS ON SILICON SUBSTEATES

提 要：虽然集成微电感器用于高频领域中高要求的场合。但由於它的性能差（即Q因数低、电感量低及寄生电容大），因而其应用受到限制。为了扩大集成微电感器在高频领域的应用范围，就必须改善它的电性能，特别是品质因数和电感量。本文研究了采用表面微加工和电解工艺的“悬浮”（Suspend）在硅基片上的集成螺旋电感器。使用的硅基片的电阻率为3-7欧姆/厘米，厚度为330微米—430微米。这些制成的电感器的电感量为10毫微亨—25毫微亨，品质因数为14—18。
关键词：螺旋型、高Q电感器、硅、微加工、集成、悬浮、电解。

一、引 言
虽然在中频和高频的低成本集成系统中，希望用硅半导体基片制成的集成无源元件。但由於硅的电阻和介质损耗高，因而硅的使用受到限制。况且基片高的寄生效应也不利于制造具有高性能的集成平面无源元件。因此，曾经进行了通过减小基片寄生效应和损耗来改善集成电感器特性的许多研究工作。提出过采用显微焊接（GMBB）来减少损耗和寄生电容的空气隙螺旋型电感器结构[1]。由於存在空气隙，能使寄生电容尽量减小，因此，增高谐振频率。已制成用於射频放大器的“悬浮”在硅基片上的电感器[2]。通过选择蚀刻集成电感器下的硅来减少硅基片的损耗。采用空气桥（air-bridge）工艺已制成晶体管集成的悬浮螺旋型电感器。这些器件的导线和基片之间的空气隙典型的数值是3微米[3]。
本研究中，已设计并加工了表面微加工“悬浮”空气芯高电导硅基片螺旋型电感器并对其特性作了描述。
表面微加工工艺也与CMOS工艺兼容。提出的电感器几何形状是螺旋型。有空气芯，在线圈和基片之间有大的空气隙（高度为60微米）——减小基片寄生效应，高电导厚的电解铜导线——提高品质因数。设计并加工了几种具有不同的芯面积和匝数的电感器，也研究了不同几何形状的电感器。
二、设计和样品
由於在一百兆赫及一百兆赫以上的频率量级上，磁芯损耗与许多磁芯材料有关，因此通常必须采用空气（或电介质）电感芯。集成微电感器的品质因数、自谐振频率(SRF) 与线圈绕组间及绕组——基片之间寄生电容密切相关。导体的电阻率应低，以便通过减少很高的频率时的电阻损耗来获得高Q品质因数。在研究的频率范围内超过几倍趋肤效应深度的导线厚度不会过分减少导体电阻或过分增加集成电感器的Q值。集成螺旋型电感器的导线和基片之间有一大的空气隙。气隙由厚电解的铜金属支撑体保持，和传统的空气桥方法比较，它允许的气隙大。这样便减小了由於基片引起的寄生电容。沉积的厚导线（即几倍趋肤深度）也必须增加导体截面积来降低导体的电阻。希望用矩形导体增加导体的有效截面积。
图1表示出研究的大悬浮螺旋型微电感器。D和d分别表明图1中电感器的最外层和最里层的尺寸，N是正方形螺旋型电感器的匝数。

图1 所研究的有大空气隙的螺旋型电感器图形
Bran基于这些变量得出计算扁平矩形螺旋型电感器的经验公式[4-5]：
(1)
其中：
(2)
方程（1）表示的电感器单位是微亨，尺寸的单位是厘米。Q值用电感的输入阻抗的虚部与实部之比求出（忽略焊接过孔和连接点）。当用作滤波电路时，高品质因数意味着电感器有所希望的低损耗和有利的频率特性。可以通过在基片和螺旋型线圈之间引入大的空气隙来减少基片对自谐振频率（SRF）和Q因数的影响。也可通过螺旋型几何体中从中心返回的引线在空间上分离螺旋线圈来减小绕组电容。这种分隔不是借助电介质材料而是借助于空气。而且这样可使寄生电容尽量减小。

三、加工
将硅氧化物（近似0.8微米厚）和种晶层（Cr/Cu/Ti）溅射（沉积）在硅基片上，然后将聚酰亚胺（杜邦PT-2611）沉积在种晶层的顶部以构成接线柱、信号连结点、试验焊点和接地的电解模板。
采用两层镀层得到较厚的聚酰亚铵模板。电镀模板是利用离子蚀刻形成的。然后采用标准的电镀技术用铜充填电镀模板。旋甩和固化处理已涂敷的铜金属的顶部的两层聚酰亚铵镀层。形成所选择的接线端和螺旋型导线之间的引线连结的电镀模板。然后用电镀铜充填电镀模板。镀敷种晶层，将厚光刻胶涂敷在种晶层上，并且形成制造螺旋型导线的附加电镀模板。将电镀模板再一次用铜充填。然后除掉光刻胶，湿蚀种晶层。使用95%离子和5%蚀刻，用来除掉基片顶部的所有聚酰亚铵。去掉全部聚酰亚铵以后，湿蚀底部种晶层。在硅基片上加工大悬浮微电感器的图片如图3和图4所示。

图2 高Q值微电感器的加工程序: a)氧化层、种晶层以及聚酰亚铵的沉积;b)形成聚酰亚铵模板并沉积（铜）接线端、信号联结端及试验焊点; c)形成引线; d)利用电镀技术形成螺旋型导线; e)利用离子蚀刻去掉聚酰亚铵，利用干蚀方法去掉种晶层。

图3 在硅基片上面加工的大悬浮微电感器的顶视图

图4 在硅基片上面加工的大悬浮微电感器的侧视图
四、实验结果和讨论
制成的空气芯螺旋型微电感器使用HP8510C网络分析仪和CASCADE MICROTECH 地——信号——地高频共面探针（节距是15微米）测量。由输入阻抗Z11的虚部除以实部（消耗的能量）来确定空载Q值。表1列出了在硅片上加工的不同尺寸空气芯螺旋型电感器。这些电感器具有厚电镀铜导线并且悬浮在基片上，空气隙为60微米。已制成的电感器的电感值和品质因数如图5和图6所示。从图5中可见，随着电感器的匝数减少，电感量降低。尽管A型电感器有最大的电感量和Q品质因数（频率在几百兆赫以下时）。然而它的Q值随频率增加而减少。虽然电感量稍微有些增加基本上是恒定的，但是电感器的交流电阻对频率增加而急剧增大。换句话说，随着频率的增高，Q值主要由输入阻抗的实部决定。因此，如图6所示，高频率时，短导线的电感器比长导线的电感器有较大的Q值，这是因为减少串联电阻和杂散电容的缘故。利用方程式1和2计算的电感值比测量到的电感值稍微高一点。A、B、C和D型电感器的测量值分别为24.2毫微亨、16.5毫微亨、9.1毫微亨和16毫微亨。而计算的电感值分别为26毫微亨、18毫微亨、10.7毫微亨和17.3毫微亨。在100兆赫时，这些微电感器的电感量范围为9~25毫微亨，品质因数的范围为14-18。


图5 在硅基片上已制成的大悬浮微电感器的电感量的比较

图6 在硅基片上已制成的大悬浮微电感器Q值比较
五、结 论
已经研制、加工了高导电率硅基片上的一种大悬浮螺旋型集成微电感器，并对其特性进行了描述。该种电感器采用电镀工艺和表面微加工技术制作。螺旋型导线和基片之间加入60微米的空气隙，可以得到较高的Q值和自谐振频率。这是通过减小由基片引起的基片损耗和寄生电容的结果。该寄生电容占总寄生电容的主导地位。采用安装铜支柱来支撑螺旋型导体，从而形成空气间隙。对已制成的多种几何尺寸的电感器进行了比较。随着匝数的增加，电感量、电阻和寄生电容也相应增加。电阻和寄生电容的增大将将降低Q值和自谐振频率。在通讯、信号处理、单片式微波集成电路（MMIC）和模拟电路中广泛使用这种高Q集成电感器。