一种高密度微纳线圈柔性异质集成方法

摘要

本申请公开了一种高密度MEMS微纳线圈柔性异质集成方法，包括：准备刚性基底并清洗；在刚性基底上生长剥离层；在剥离层上沉积多层MEMS微纳线圈，相邻层的MEMS微纳线圈之间沉积薄膜隔离层，将多层MEMS微纳线圈互连，并在最顶层沉积薄膜绝缘层；在薄膜绝缘层上沉积薄膜种子层，再电镀金属应力层；调节金属应力层的厚度，将MEMS微纳线圈剥离；将MEMS微纳线圈与柔性基底进行集成；依次将金属应力层、薄膜种子层去除；在薄膜绝缘层上开孔；将多层MEMS微纳线圈进行互连并折叠。本申请通过可控剥离方法将刚性基底上多层互连的MEMS微纳线圈转移至柔性基底上，并通过柔性基底折叠形成多层堆叠结构，大幅提升线圈匝数，解决狭小空间下MEMS电磁能量采集器的低输出电压难题。

权利要求

1.一种高密度MEMS微纳线圈柔性异质集成方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：准备刚性基底并进行清洗；

在上述刚性基底上通过薄膜生长工艺生长一层剥离层；

在上述剥离层上沉积多层MEMS微纳线圈，上述相邻层的MEMS微纳线圈之间沉积一薄膜隔离层，其中，将上述多层MEMS微纳线圈互连，并在最顶层沉积薄膜绝缘层；

在上述薄膜绝缘层上沉积一薄膜种子层，再电镀一金属应力层；调节上述金属应力层的厚度以控制其应力，从而将MEMS微纳线圈自上述剥离层处剥离；

将剥离下来的上述MEMS微纳线圈与柔性基底进行集成；

依次将上述金属应力层、薄膜种子层去除；

在上述薄膜绝缘层上电极焊盘对应位置开孔，露出电极焊盘；

通过所述电极焊盘，将多层MEMS微纳线圈的中心进行互连；

将多个多层MEMS微纳线圈互连后的柔性基底进行折叠；

所述刚性基底包括硅片或玻璃；

所述剥离层包括SiO2薄膜、parylene（派瑞林）或PI（聚酰亚胺）中的一种或多种；

所述薄膜隔离层包括SiO2或Si3N4薄膜中的一种或多种；

所述薄膜绝缘层包括SiO2或Si3N4薄膜中的一种或多种；

所述薄膜种子层包括Cr薄膜和Au薄膜；

所述金属应力层包括Ni薄膜。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过光刻、显影、剥离工艺，利用真空溅射方法在上述剥离层上沉积目标尺寸和层数的上述MEMS微纳线圈。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用湿法/干法腐蚀工艺将金属应力层、薄膜种子层去除，亦采用湿法/干法腐蚀工艺在上述薄膜绝缘层上电极焊盘对应位置开孔，露出电极焊盘。

4.根据权利要求1或2或3所述的方法，其特征在于，通过引线焊接或通过金属层图形化的方法，将多层MEMS微纳线圈进行互连。

说明书

一种高密度微纳线圈柔性异质集成方法

技术领域

[0001] 本申请属于微机电系统(MEMS)技术以及微能源采集技术领域，具体涉及一种高密度微纳线圈柔性异质集成方法。

背景技术

[0002] 随着物联网技术的发展，各种传感器件日益趋向微型化、集成化，如何对这些微型传感设备持续供能，一直以来都是困扰研究人员的难题。传统的预充电能源供给方式具有续航时间短、环境污染等问题。幸运地是，微电子技术和低功耗技术的迅速发展，使电子器件功耗不断降低，由以前的mW量级降至uW量级；据预测，未来将会降至nW量级。因此，可以采集环境中的能源并转换为电能为其供电，从而实现自供电工作模式。MEMS技术是对微纳材料进行设计、加工、制造、测量和控制的技术，是基于硅微加工技术及对系统级芯片的进一步集成，具有体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、灵敏度高、易于集成等特点。若将MEMS技术与微能源采集技术结合，可极大提升器件的功能密度，缩小传感网络节点体积，为物联网应用范围的扩张提供核心技术。

[0003] 目前，电磁发电机是微能源采集技术中效率最高的一种发电机，但普遍存在的主要问题是输出电压太低。通常通过增大线圈匝数的方法实现输出电压的提升，但匝数的提升将增大器件体积，这在狭小空间或微型器件中无法实用。MEMS电磁器件具有微小型特点，但套刻工艺的复杂性，使得通过增加线圈层数提高总匝数的方案的实际操作难度极大，仍然存在线圈匝数小、输出电压低的局限性，无法驱动后端管理电路，从而无法实现能源的采集和存储，不利于器件的实际应用。传统的漆包线绕制方法的缺点在于，当线圈匝数较高时，体积庞大，而且不具有柔性特点，不利于其在体积空间受限情况下的使用以及在复杂外形结构中的共形装配。另外的在刚性基底上制备的MEMS微纳线圈缺陷在于，由于套刻工艺的复杂性，线圈匝数很难提高；同时，由于基底的刚性，不仅增加器件体积，而且线圈无法柔性化，不能共形装配，对其在柔性电子器件中的应用产生极大限制。

[0004] 因此，开发一种简单、可行的高密度微纳线圈柔性异质集成方法，对于MEMS电磁式微能源采集器件的高性能输出至关重要，对物联网和柔性电子的发展具有重要意义。

发明内容

[0005] 针对上述现有技术的缺点或不足，本申请要解决的技术问题是提供一种高密度微纳线圈柔性异质集成方法，本申请通过可控剥离的方法将制备在刚性基底上多层互连的MEMS微纳线圈转移至柔性基底上，并通过柔性基底折叠形成线圈结构的多层堆叠，大幅度提升线圈匝数，解决狭小空间下MEMS电磁能量采集器的低输出电压难题；同时实现MEMS电磁能量采集器在复杂外形系统中的共形装配能力，增强器件的环境适应能力。另一方面，本申请的剥离过程在晶圆级基底上进行，具有批量化加工能力。

[0006] 为解决上述技术问题，本申请通过以下技术方案来实现：

[0007] 本申请提出了一种高密度MEMS微纳线圈柔性异质集成方法，所述方法包括如下步骤：

[0008] 准备刚性基底并进行清洗；

[0009] 在上述刚性基底上通过薄膜生长工艺生长一层剥离层；

[0010] 在上述剥离层上沉积多层MEMS微纳线圈，上述相邻层的MEMS微纳线圈之间沉积一薄膜隔离层，并将上述多层MEMS微纳线圈互连，并在最顶层沉积薄膜绝缘层；

[0011] 在上述薄膜绝缘层上沉积一薄膜种子层，再电镀一金属应力层；调节上述金属应力层的厚度以控制其应力，从而将MEMS微纳线圈自上述剥离层处剥离；

[0012] 将剥离下来的上述MEMS微纳线圈与柔性基底进行集成；

[0013] 依次将上述金属应力层、薄膜种子层去除；

[0014] 在上述薄膜绝缘层上电极焊盘对应位置开孔，露出电极焊盘；

[0015] 将多层MEMS微纳线圈进行互连；

[0016] 将MEMS微纳线圈互连后的柔性基底进行折叠。

[0017] 进一步地，上述的高密度MEMS微纳线圈柔性异质集成方法，其中，在上述剥离层上沉积多层MEMS微纳线圈，上述相邻层的MEMS微纳线圈之间沉积一薄膜隔离层中，包括：上述多层MEMS微纳线圈的中心互连，在上述相邻层的MEMS微纳线圈之间沉积一薄膜隔离层之后，将上述薄膜隔离层与上述MEMS微纳线圈中心对应位置开个小孔，露出线圈中心的引线电极点，再沉积上下一层MEMS微纳线圈，以实现相邻MEMS微纳线圈的互连。

[0018] 进一步地，上述的高密度MEMS微纳线圈柔性异质集成方法，其中，通过光刻、显影、剥离工艺，利用真空溅射方法在上述剥离层上沉积目标尺寸和层数的上述MEMS微纳线圈。

[0019] 进一步地，上述的高密度MEMS微纳线圈柔性异质集成方法，其中，采用湿法/干法腐蚀工艺将金属应力层、薄膜种子层去除，亦采用湿法/干法腐蚀工艺在上述薄膜绝缘层上电极焊盘对应位置开孔，露出电极焊盘。

[0020] 进一步地，上述的高密度MEMS微纳线圈柔性异质集成方法，其中，通过引线焊接或通过金属层图形化的方法，将多层MEMS微纳线圈进行互连。

[0021] 进一步地，上述的高密度MEMS微纳线圈柔性异质集成方法，其中，所述刚性基底包括硅片或玻璃。

[0022] 进一步地，上述的高密度MEMS微纳线圈柔性异质集成方法，其中，所述剥离层包括SiO2薄膜、parylene(派瑞林)或PI(聚酰亚胺)中的一种或多种。

[0023] 进一步地，上述的高密度MEMS微纳线圈柔性异质集成方法，其中，所述薄膜隔离层包括SiO2或Si3N4薄膜中的一种或多种。

[0024] 进一步地，上述的高密度MEMS微纳线圈柔性异质集成方法，其中，所述薄膜绝缘层包括SiO2或Si3N4薄膜中的一种或多种。

[0025] 进一步地，上述的高密度MEMS微纳线圈柔性异质集成方法，其中，所述薄膜种子层包括Cr薄膜和Au薄膜。

[0026] 进一步地，上述的高密度MEMS微纳线圈柔性异质集成方法，其中，所述金属应力层包括Ni薄膜。

[0027] 与现有技术相比，本申请具有如下技术效果：

[0028] 本申请将MEMS微纳线圈从刚性基底上剥离并与柔性基底进行柔性异质集成的方法，根据相关计算，该方法相比于传统绕制线圈和MEMS微纳线圈，可将线圈匝数提升数十倍，从而可以保证在小体积下电磁能量采集器的高电压输出，为后端处理电路的正常工作提供了重要保障；

[0029] 本申请使MEMS微纳线圈具有共形装配能力，能在球面、柱面、非规则曲面、人体皮肤等环境完成安装，使电磁能量采集器在特种环境下的适应能力增强，应用范围扩大；

[0030] 通过本申请制备的电磁能量采集器在工业物联网、柔性电子等领域具有潜在应用价值。

附图说明

[0031] 通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

[0032] 图1：本申请高密度MEMS微纳线圈柔性异质集成方法的流程图；

[0033] 图2：本申请中刚性基底的结构示意图；

[0034] 图3：本申请中在刚性基底上生长剥离层后的结构示意图；

[0035] 图4：在如图3所示结构上溅射金属后的结构示意图；

[0036] 图5：在如图4所示结构上形成第一层MEMS微纳线圈的结构示意图；

[0037] 图6：在如图5所示结构上刻蚀出引线电极孔的结构示意图沉积薄膜隔离层后的结构示意图；

[0038] 图7：在如图6所示的结构上刻蚀出引线电极孔的结构示意图；

[0039] 图8：在如图7所示的结构上形成第二层MEMS微纳线圈的结构示意图；

[0040] 图9：在如图8所示的结构上形成薄膜绝缘层的结构示意图；

[0041] 图10：在如图9所示的结构上形成薄膜种子层的结构示意图；

[0042] 图11：在如图10所示的结构上形成金属应力层后与刚性基底剥离过程中的结构示意图；

[0043] 图12：如图11所示的形成金属应力层后的结构与刚性基底剥离后的结构示意图；

[0044] 图13：如图11所示的形成金属应力层后的结构与柔性基底集成后的结构示意图；

[0045] 图14：在如图13所示的结构上去除金属应力层以及薄膜种子层后的结构示意图；

[0046] 图15：本申请中两层MEMS微纳线圈互连前的结构示意图；

[0047] 图16：本申请中MEMS微纳线圈互连后的柔性基底折叠后的结构示意图。

[0048] 图中：1‑刚性基底，2‑剥离层，3‑第一层MEMS微纳线圈，4‑薄膜隔离层，5‑引线电极孔，6‑第二层MEMS微纳线圈，7‑薄膜绝缘层，8‑薄膜种子层，9‑金属应力层，10‑固化胶，11‑柔性基底。

具体实施方式

[0049] 以下将结合附图对本申请的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本申请的目的、特征和效果。

[0050] 如图1所示，在本申请的其中一个实施例中，一种高密度MEMS微纳线圈柔性异质集成方法，所述方法包括如下步骤：

[0051] 步骤一，准备刚性基底1并进行清洗。

[0052] 其中，在本实施例中，上述刚性基底1可采用硅片或者玻璃等，如图2所示。

[0053] 具体地，在本实施例中，可准备一个四英寸、双面抛光的洁净硅片或玻璃。

[0054] 步骤二，在上述刚性基底1上通过薄膜生长工艺生长一层剥离层2，如图3所示。

[0055] 其中，薄膜生长工艺包括：化学气相沉积、真空溅射或真空蒸镀等)，上述的剥离层2可以是SiO2薄膜、parylene或PI中的一种或多种。

[0056] 在本实施例中，以SiO2薄膜的制备为例进行举例说明，利用等离子体化学气相沉积使气态物质在固体的表面上发生化学反应并在刚性基底1表面上沉积一层SiO2薄膜，形成稳定的SiO2固态薄膜。

[0057] 那么，parylene薄膜或PI薄膜的制作过程亦同上所述，这里不再赘述。

[0058] 步骤三，在上述剥离层2上沉积多层MEMS微纳线圈，如图4至图8所示，上述相邻层的MEMS微纳线圈之间沉积一薄膜隔离层4，并在最顶层沉积薄膜绝缘层7，如图9所示。

[0059] 上述各层MEMS微纳线圈之间通过沉积上述薄膜隔离层4进行相互隔离，该薄膜隔离层4可以是SiO2或Si3N4薄膜中的一种或多种。

[0060] 上述薄膜绝缘层7亦可以是SiO2或Si3N4薄膜中的一种或多种。

[0061] 其中，通过光刻、显影、剥离工艺，利用真空溅射方法在上述剥离层2上沉积目标尺寸和层数的上述MEMS微纳线圈。

[0062] 其中，具体的操作步骤如下所示：

[0063] 步骤301：涂固化胶10，本实施例选择正性光刻胶，先选取合适尺寸的真空托盘，并将刚性基底1放于托盘上并调整，启用真空吸片，再取用一定量的正胶滴于刚性基底1中央，调节匀胶机转速与时间。

[0064] 步骤302：前烘，将涂覆有正光刻胶的刚性基底1放在热板上进行前烘处理，使晶片表面的光刻胶固化。

[0065] 步骤303：对准和曝光，将晶圆上的图形与光刻掩膜版上的图形进行精准的套合。曝光过程通过选择性的光化学反应,使不同区域光刻胶在显影液中的溶解性发生改变，最后使得光刻掩膜版上的图形复制到刚性基底1上。

[0066] 步骤304：显影，将曝光后的光刻胶放入化学显影液中，光刻胶可溶解区域被化学显影液溶解，不可溶解区域被保留下来，最终光刻胶留下与掩膜版一致的图形。显影完成后用去离子水冲洗，防止残留显影液在刚性基底1上继续显影，影响图形。

[0067] 步骤305：图形检查，在显微镜下观察显影后的图形，检查图形是否显影完成。若未显影完全，则放入显影液中继续显影。

[0068] 步骤306：溅射金属，SiO2基底上溅射金属Cu或金属Al。

[0069] 步骤307：剥离去胶，将溅射完成的基底放入丙酮溶液中浸泡，水浴加热几分钟，光刻胶与丙酮反应被溶解，光刻胶作为一种临时过渡层则被去除，所需的金属掩膜图形得以留下。

[0070] 步骤308：同步骤二，再沉积一层SiO2薄膜。

[0071] 步骤309：在SiO2薄膜上用ICP等离子刻蚀或者RIE反应离子刻蚀刻出引线电极孔5，用于连接两个MEMS微纳线圈之间的连接点(如图15中的附图标记B)。

[0072] 步骤310：同步骤301～307，再涂光刻胶、前烘、对准曝光、显影、再溅射一层MEMS微纳线圈，SiO2薄膜上下两层的MEMS微纳线圈的中心被连通(如图16中的附图标记A和附图标记C)。其中，本实施例仅示意了设置有两层MEMS微纳线圈的情况，即第一层MEMS微纳线圈3和第二层MEMS微纳线圈6，但是在实际应用过程中，本领域技术人员可以根据实际需要设置三层、四层甚至更多层的MEMS微纳线圈，已获得更多的线圈匝数。

[0073] 步骤311：同步骤308，再沉积一层SiO2薄膜。

[0074] 步骤四，在上述薄膜绝缘层7上沉积一薄膜种子层8，再电镀一金属应力层9，如图10和图11所示；调节上述金属应力层9的厚度以控制其应力，从而将MEMS微纳线圈自上述剥离层处剥离，如图11和图12所示。

[0075] 其中，上述薄膜种子层8包括Cr薄膜和Au薄膜，在本实施例中，仅示例了该薄膜种子层8包括上述两层结构的情况。

[0076] 上述金属应力层9包括Ni薄膜。

[0077] 电镀一段时间后，MEMS微纳线圈与刚性基底的接触面边缘产生狭小的裂缝，随着电镀时间的增加，MEMS微纳线圈薄膜沿着裂缝方向与刚性基底逐渐分离直至完全分开。

[0078] 步骤五，将剥离下来的上述MEMS微纳线圈与柔性基底11进行集成，如图13所示。

[0079] 将剥离下来的MEMS微纳线圈用去离子水清洗后，将其转移至柔性基底11上。

[0080] 其中，柔性基底11可采用PET，PI等。

[0081] 步骤六，依次将上述金属应力层9、薄膜种子层8去除，如图14所示。

[0082] 其中，采用湿法/干法腐蚀工艺将金属应力层9、薄膜种子层8去除。

[0083] 具体地，依次将上述Ni薄膜、Au薄膜、Cr薄膜去除。

[0084] 步骤七，在上述薄膜绝缘层7上电极焊盘对应位置开孔，露出电极焊盘。

[0085] 在该步骤中，亦采用湿法/干法腐蚀工艺在上述薄膜绝缘层7上电极焊盘对应位置开孔，露出电极焊盘。

[0086] 步骤八，将多层MEMS微纳线圈进行互连，如图15所示。

[0087] 具体地，通过引线焊接或在上述步骤三种通过金属层图形化的方法，将多层MEMS微纳线圈进行互连。

[0088] 步骤九，将MEMS微纳线圈互连后的柔性基底11进行折叠，如图16所示。

[0089] 通过步骤九，可使不同MEMS微纳线圈重叠，从而使得MEMS微纳线圈的匝数成倍增加。

[0090] 本申请利用可控剥离方法实现微纳线圈的柔性异质集成，其中，MEMS微纳线圈结构不受线圈形状、线圈直径、线圈间距、线圈匝数、线圈厚度、溅射金属种类等限制；剥离方法不受薄膜种子层参数、电镀应力层厚度、薄膜绝缘层或剥离层的种类或厚度等限制；并且，本申请的柔性集成过程不受柔性基底种类、厚度、透明度等限制。

[0091] 本申请采用MEMS微纳线圈堆叠方式实现线圈匝数倍增，其可在刚性基底上制备各MEMS微纳线圈单元互连的线圈阵列，并将其转移到柔性基底上，然后通过柔性基底折叠的方式将不同位置的MEMS微纳线圈进行叠加，从而使线圈匝数倍增，因此不受折叠次数、单元间连接方式等限制。

[0092] 本申请将MEMS微纳线圈从刚性基底上剥离并与柔性基底进行柔性异质集成的方法，根据相关计算，该方法相比于传统绕制线圈和MEMS微纳线圈，可将线圈匝数提升数十倍，从而可以保证在小体积下电磁能量采集器的高电压输出，为后端处理电路的正常工作提供了重要保障；本申请使MEMS微纳线圈具有共形装配能力，能在球面、柱面、非规则曲面、人体皮肤等环境完成安装，使电磁能量采集器在特种环境下的适应能力增强，应用范围扩大；通过本申请制备的电磁能量采集器在工业物联网、柔性电子等领域具有潜在应用价值。

[0093] 以上实施例仅用以说明本申请的技术方案而非限定，参照较佳实施例对本申请进行了详细说明。本领域的普通技术人员应当理解，可以对本申请的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本申请技术方案的精神和范围，均应涵盖在本申请的权利要求范围内。