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为解决传统片上射频（RF）电感和电容等无源元件存在的诸如占用芯片面积大、寄生效应严重、制作工艺复杂及成本高等问题，研究人员开展了基于金属自卷膜（M-SRuM）平台设计和制造片上高性能微管集总无源元件的研究。结果表明该平台能实现元件结构的紧凑三维构建及高性能，具有重要商业潜力。
在现代电子科技飞速发展的时代，射频（RF）电路在通信、电子设备等众多领域扮演着举足轻重的角色。而片上无源元件，如电感和电容，作为 RF 电路的关键组成部分，其性能优劣直接影响着整个电路的功能。传统的平面螺旋电感，由于匝间互感较弱，往往需要占据大量的芯片面积，这不仅增加了芯片的成本，还不可避免地引入了严重的基板寄生效应。这种寄生效应就像隐藏在电路中的 “小怪兽”，限制了电路的最大工作频率和品质因数（Q factor），尤其是在基板重掺杂的情况下，问题更为突出。对于 RF 电容而言，随着对电容值范围要求的不断扩大，传统的基于平面结构的研究和制备方法遇到了瓶颈。受平面结构的限制，实现电容值的显著提升变得极具挑战性，而且其应用频率通常低于毫米波范围。在过去的几十年里，众多学者为了攻克这些难题，在无源元件的小型化方面进行了大量的探索，尝试从结构和材料等多个角度入手，提出了各种各样的解决方案，如通过双阶段扫描的双光子立体光刻工艺制备三维微线圈，利用硅通孔技术制造用于微机电系统（MEMS）应用的硅嵌入式空心环形电感，以及采用 SiGe BiCMOS 工艺制造新型多路径交叉互连八角形堆叠螺旋电感等。然而，这些方法大多存在制造工艺复杂、生产成本高昂的问题，使得它们难以进一步推广应用。
在这样的背景下，合肥工业大学等机构的研究人员开展了一项旨在突破传统限制的研究。他们提出并构建了一种基于金属自卷膜（M-SRuM）的晶圆级平台，用于设计和制造片上高性能微管集总无源元件，并在商业 4 英寸蓝宝石批量制造线上进行了验证。该研究成果发表在《Nature Communications》上，为片上无源元件的发展开辟了新的道路。
研究人员在开展此项研究时，运用了多种关键技术方法。首先是多层膜结构设计与制造技术，在 4 英寸蓝宝石晶圆上依次沉积 Ge 牺牲层、Al2 O3 薄膜以及 Ti/Cr/Cu 等金属多层膜，通过光刻和蚀刻等工艺精确控制各层结构。其次是电磁（EM）有限元建模（FEM）分析技术，用于预测元件的电气性能。最后还采用了电镀增厚金属层技术和激光切割技术，实现了对元件性能的优化和独立元件的制备。
下面来看具体的研究结果：
结构设计和加工流程 ：M-SRuM 平台的结构设计和加工流程与典型半导体工艺兼容，整个过程仅需三步光刻。以蓝宝石为基板，通过在不同阶段沉积和蚀刻特定材料，形成多层膜结构。在这个过程中，15nm 厚的 Al2 O3 层起到了确保滚动方向和电气隔离的重要作用，而拉伸应力主要由 Cr 层提供，Ti 层则用于增强膜层之间的粘附力。利用该平台，研究人员成功制造出了多种不同设计类型的片上 M-SRuM 电感和电容，制造良率达到了 91.7%。工作机制和电气设计 ：M-SRuM 电感的电感值源于每个单元的自感（Lself ）以及单元之间的互感。通过巧妙的倒角设计，能够有效控制薄膜应力的方向，使电感沿着设计的轨迹稳定滚动。其等效集总模型包含了电阻、分布电容、寄生电容等多种参数，通过选择高导电率的铜作为主要导电层，并尽可能增加金属膜的沉积厚度，研究人员成功降低了等效电阻，提升了电气性能。对于 M-SRuM 电容，其独特的结构使其不仅具有电极之间的间隙电容，还拥有相邻匝之间重叠区域的重叠电容，这使得它相较于传统平面叉指电容器，在电容值上有了显著的提升，并且能够通过调整薄膜层的残余应力来实现不同的重叠状态，从而在较宽的范围内设计电容值。EM 分析 ：通过对 M-SRuM 电感和电容进行 EM 分析，研究人员深入了解了元件的性能。对于电感，分析了趋肤效应和邻近效应，发现趋肤效应会增加高频下的欧姆损耗，而邻近效应会使电流在特定情况下集中，进而增加导体的有效电阻和损耗。同时，M-SRuM 电感的三维管状结构使其具有较强的磁通限制能力，能够有效减少占地面积和基板寄生电容，提高电感密度。对于电容，通过模拟不同叉指配置下的电荷分布和电位分布，研究人员明确了电容值与重叠电容之间的关系，即重叠电容的大小决定了整体电容的大小，并且 M-SRuM 电容在电容值大幅增加的同时，显著减小了电容器的占地面积。电气性能 ：研究人员成功批量制造出了具有不同结构和金属层（铜）厚度的 M-SRuM 电感和电容。M-SRuM 电感的电感值范围为 0.6nH - 3.4nH，Q 因子范围为 0.6 - 7.3，最大电感密度达到 2.26μH/mm2 ；M-SRuM 电容的典型样品电容为 0.5pF，最大电容密度为 1528.4pF/mm2 。研究还发现，M-SRuM 电感的电感与单元数量呈线性关系，与匝数或卷绕带长度呈平方律关系；而较窄的金属条对电感和 Q 因子的影响具有不确定性。此外，M-SRuM 电感的热稳定性测试表明，通过后化学镀或电镀以及添加散热结构，可以降低温度对电感的影响。与传统片上电容相比，M-SRuM 电容在能量存储容量上具有数量级的优势，并且适用频率范围更广。电镀和获得独立 M-SRuM 元件的方法 ：由于 SRuM 技术的限制，将微米级铜层卷成管状结构非常困难，并且会伴随严重的趋肤效应。为了解决这一问题，研究人员采用了电镀的方法，在管状结构形成后增厚导电金属层。通过优化电镀工艺，如控制电镀溶液成分、电流参数等，研究人员成功提高了 M-SRuM 电感的 Q 因子。同时，利用激光切割技术，能够从 4 英寸蓝宝石晶圆上成功切割下独立的 M-SRuM 元件，且切割过程不会对元件结构造成破坏，有效保护了三维结构的完整性。
综合上述研究，研究人员成功构建了 M-SRuM 平台，实现了片上 3D 射频集总无源元件的设计与制造。该平台不仅解决了传统工艺中存在的诸多问题，还展现出了卓越的性能优势，如高电感密度、高电容密度、低基板寄生效应等，为片上无源元件的设计和制造带来了革命性的变化。然而，目前这些 3D 元件仍面临一些挑战，例如缺乏标准化的设计和制造流程，在晶圆规模制造过程中需要考虑多层膜应力的控制以及电镀均匀性等问题，并且在元件应用前，还需要综合考虑电气性能、机械和化学保护等方面的包装问题。尽管如此，这项研究成果依然为未来片上无源元件的发展提供了重要的参考和方向，具有巨大的商业潜力和科研价值，有望推动整个射频电路领域的进一步发展。
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