摘要： 由于无线通讯设备的强烈需求，促进了无线电收发两用设备向着集成为一个整体的方向进行研究探索。在基本的电子元件中，与硅集成电路相容性最差的是电感器件，尽管在峰窝通讯设备中，多数电感器是被要求用来执行振荡器、滤波器和匹配网络功能的。采用金属喷涂工艺制造的螺旋线电感器已经被集成到硅基片集成电路上，但是，由于其被集成到硅基片会引起寄生电容和产生损耗，所以还不能完全地进行集成。我们制作一种在硅基片上集成的三维(3-D)线圈电感器，它们存在的耦合电容和损耗都较小，具有广泛的应用前景。这种电感器在1GHz时，用单匝元件测得的Q值为30，而2匝和4匝的元件的Q值>16。多匝元件Q值的下降看起来好像与来自邻近线匝产生的磁场在本线圈外部线匝中形成的涡电流有关。Q值有效地高过30是我们在改善线圈电感器设计中所期望的。
关键字： 射频(RF)线圈电感器，硅基片，Q值，涡流，三维(3-D)
1 引言
由于无线通讯的需求不断扩大，从而使其设备需求大量增加。目前在一体化通讯收发两用机的研究中，降低成本成了众人关注的热点课题。实现一体化收发两用机的许多构件模块，例如低噪声射频(RF)压控振荡器(VCOs)、低损耗阻抗匹配电路，无源滤波器和功率放大器的电感性负载等等，高性能的RF电感器是它们中共同需要的关键零件。这种电感器的关键参数包括电感值、品质因数和自谐振频率。大多数蜂窝通讯系统例如AMPS和GSM的工作频率都在1GHz左右，而要求的电感值大约为5nH，最低的Q值不小于10，而自谐振频率则超过工作频率。因此，在通用的硅芯片集成技术中，这样高性能的电感器是不可能做到的。因此，将这种器件集成在整体化无线收发两用机中变成了关键性的工作任务。
在标准硅基片上制作的传统型铝螺旋线电感器，在1GHz频率时得到的品质因数Q值约为3[1， 2]。有两个问题限制着品质因数：一是硅基片上的涡流和二是金属的电阻性损耗。第一个问题可以去掉硅基片下面的电感器后在部件中寻求解决方案。通过在蓝宝石基片上采用铜箔线条制作的线圈，在1GHz频率时，参考文献[3]报告的Q值约为5，参考文献[4]报告的Q值则接近于10。后者是经过设计改进后的Q值。蓝宝石基片上制作IC的工艺与标准IC的制作工艺是不一致的。
在这篇文章中，我们提出了一种基于三维(3-D)线圈的电感器解决方案。这种3-D微结构使得器件以最小的电容性耦合与基片联接并使涡流损耗减到最小。较厚的铜箔线条降低了串联电阻，确保了电感器的高Q值。因为加工过程的温度低，在不影响有源器件性能的情况下，该电感器可以在具有完整的电子电路的薄膜片上层制作。在RF应用场合，可以利用许多具有竞争优势的最新IC技术，这是具有实质性决定意义的。
2 单片三维(3-D)线圈电感器
图1所示为一个三维(3-D)4匝线圈电感器的顶部和横截面视图。该器件由电镀的5μm厚度的铜箔线条和具有横截面为500×650(μm)的隔离铁心组成。电镀的铜箔线条有50μm的宽度，其间隔也是50μm。硅基片上覆盖着一层5μm厚度的二氧化硅膜。与螺旋线电感器比较，在极接近于基片的区域，这种几何形状使得线圈的面积减到了最小，并且因此使涡流损耗减到最小，又使器件的Q值和自谐振频率达到最高值。
因为铜箔线条的片电阻值很小，故其被选择用作金属间的互连，以此作为获得高品质因数Q值的关键措施。在1GHz频率时，确定的金属导体最理想的集肤效应深度为5μm。在1GHz频率时的集肤效应深度决定了金属薄膜线条的最佳厚度为5μm。选用50μm宽度的金属箔条体现了对基片的互联电阻值和电容值两者的折衷处理方案。导体线条间的距离选择50μm是保守的设计。这是为了避免器件在制造过程中遇到困难。[#page#]
钒元素被用于铁心材料中，这是因为在高频频段时，可以对其产生的损耗忽略不计，这一关键参数确保了高品质因数Q值的实现。实验使用500μm宽度的磁心是为了其附着在铜导体线条底部时寻求避免电感值最小偏差的方案。电感器的高度是受市场上可获得的钒金属片的厚度限制的。
典型的RF无线电收发两用机采用的电感器之电感值在5nH左右。因为流行的制造方法生产的一、二和四匝电感器的电感值被分别设计为5nH、8.5nH和13.5nH。
3 电感器的制造工艺过程
图2用图解法示出了硅基片集成电感器的制造工艺流程。第一步，对基片的表面以低温氧化方法进行钝化处理，使其具有5μm或10μm的氧化层（见图2a）。然后制造电感器的底部线条。为了这个目的，使用溅射的方法涂敷500A厚度的钛(Ti)和3000A的铜颗粒层，接着再电镀上8μm厚度的抗腐蚀剂。应对电镀的方法进行选择，因为用电镀法可以在完整的零件表面、例如电感器铁心的表面沉积相近厚度的一层抗腐蚀剂。用光蚀刻法可变换电感器底部的金属箔线条为要求的图形（见图2b所示）。紧跟这一步的是采用电镀工艺镀覆5μm厚度的铜箔线条。为了预防其被氧化，铜箔表面涂两层1000A的可电解的镍(Ni)和金(Au)，并进行钝化处理（见图2c所示）。最后，用湿刻蚀工艺去除掉光致抗蚀剂和铜/钛颗粒层，在硅基片上只剩下了电感器底部所需要的金属线条（见图2d所示）。
电感器的芯子是由氧化铝薄板制造的。这种薄板首先要用75μm厚度的用作电气绝缘的热塑性粘合薄膜覆盖，然后切割成宽度为500μm的方块状剥离掉。2%的宽度精度是用细小的金刚沙磨料磨削得到的，然后将底部的铜线条从中央剥离，同时在170℃时焙烘30秒至粘合剂固化（见图2e所示）。
为在氧化铝芯片的侧面和顶部制造铜箔线条，采用了与制造底部线条同样的工艺流程（见图2f所示）。但是，该抗腐蚀膜的被剥离则是使用了三维(3-D)无遮蔽物直接书写的激光平板印刷术工具实施的。之后研究开发了激光剥除抗腐蚀膜技术，5μm厚度的铜箔线条是用电镀工艺电镀到氧化铝芯的侧面和顶部的。完整的电感器线圈图解于图2g。
4 实验结论
图3所示为在10Ω-cm硅基片上具有5μm沉积氧化物的一匝电感器的SEM图。两个器件的四端口S参数是用HP8719网络分析仪获得的。作为频率函数的Q值和电感值是从探测衰减器中去除了埋入的寄生参数之后产生的。4.8nH的电感值是在1GHz频率，Q值为30时测得的，见图4所示。在频率为3GH时，该器件的Q值超过15。
在S-参数测量中观测到的自谐振频率是10GHz，包括寄生在测试样品衬垫中的寄生电容值。电感器自身的自谐振频率是非常高的，但用数字法除去嵌入的参数则不会扩展到高频段。[#page#]
图5所表述的是在相同基片上制作的两匝电感器的SEM图。在基片上面的线圈面积近似等于250μm×250μm，是可以与相同电感值的典型螺旋线电感器的线圈面积比较的。在900MHz频率时具有的峰值Q值为16，则两匝电感器可以得到8nH的电感值，请见图6所示。这个结果与仿真值完全吻合。两匝电感器在原始S-参数测试数值时的自谐振频率是8GHz。
图7示出了具有4匝的电感器的SEM图。对该器件的测量结果示于图8。由图8可见，工作频率在750MHz左右时，其具有的Q峰值超过18，而观测到的自谐振频率为4GHz。
5 问题讨论
这种在工厂里制造的3D电感器具有的优势是从硅基片附近去除了大多数的金属涂层。在芯片的侧边和顶部的线条对基片而言存在相对地较小的电容值，这将会提高电感器的自谐振频率，使其大大超过重要的1~3GHz的工作频率范围，进入到硅基片。有一个类似的观念，由电流流经芯片和基片两者之间的线条产生的唯一电磁场环路可以进入到硅基片，而由电流流经芯片顶部和侧面线条的电磁场则不能进入硅基片。为此，在硅基片中产生的涡流就大大地减小了。
最后，必须考虑到线条内部自身的涡流效应。我们在观测两匝和四匝的电感器中发现，与单匝的电感器比较，其Q值被大大地降低了。可以这样解释，这是由于电流流经邻近的线条产生的涡流导致的。因为在无限长的螺旋线给定长度线条中的邻近线条产生的磁场被邻近相反的侧边产生的磁场抵消了。但是，在有限长螺线管的末端，这种抵消作用不可能发生，故在产生涡流的外部线条中不存在零磁场。单匝电感器的线条没有邻近线条（除了芯片下面的线条之外，见图3所示），所以，附加的线匝增加了电感值，但也同时简单地增加了线条的长度而因此增加了更多的线条损耗和相应的电阻损耗。引起两个磁场对消的这根线条，在以后的工作中将被证明是正确的。3/4匝电感器（芯片下面没有线条）的Q值将大大高于30，在器件存在更多匝数时，将会减小末端效应而使Q值大于16。
6 小结
与传统的铝螺旋线电感器相比较，3-D铜线圈电感器实质上得到的优良性能是在1GHz工作频率时具有超过30的高Q值。获得这个性能归功于与5μm厚度的铜线条相联系的低电阻损耗和在硅芯片与低电容性耦合到基片的低涡流损耗。如果同时考虑到电磁场和电流分布的详细情况，采用更多先进技术的设计，则在相同情况下，可能得到更高的Q值。
电感器向有源硅基片上集成是减少片外元件数量，降低功率消耗和改善个人RF通讯器件例如移动电话性能的关键因素。而初期的电感器是在裸露的硅芯片上制作的，自那以后，所有具有高Q值的电感器都被认为可以集成为一体化的器件。
