MEMSTHz滤波器的制作工艺

MEMS THz滤波器的制作工艺郑英彬,施志贵,席仕伟,赵 龙,李 红,赵兴海(中国工程物理研究院电子工程研究所,四川 绵阳 621900)摘要:基于MEM S技术制作了太赫兹(THz)滤波器样品,研究了制作滤波器的工艺流程方案,其关键工艺技术包括硅深槽刻蚀技术、深槽结构的表面金属化技术、阳极键合和金-硅共晶键合技术。

采用4 m的热氧化硅层作刻蚀掩膜,成功完成了800 m的深槽硅干法刻蚀;采用基片倾斜放置、多次离子束溅射和电镀加厚的方法完成了深槽结构的表面金属化,内部金属层厚度为3~ 5 m;用硅-玻璃阳极键合技术和金-硅共晶键合技术实现了三层结构、四面封闭的波导滤波器样品加工。

测试结果表明,研制的滤波器样品中心频率138GH z,带宽15GH z,插损小于3dB。

关键词:微电子机械系统(M EM S);滤波器;太赫兹(TH z);干法刻蚀;键合中图分类号:TN703 文献标识码:A 文章编号:1671-4776(2011)06-0399-04Fabrication Process of MEMS THz FiltersZheng Ying bin,Shi Zhigui,Xi Shiw ei,Zhao Long,Li H ong,Zhao Xinghai(I nstitute of E lectr onic Engineer ing,China A cademy of Eng ineer ing Phy sics,M iany ang621900,China)Abstract:The terahertz(TH z)filter w as r ealized,and the process flow schem e w as investiga ted w ith the micr o electronicm echanical systems(M EM S)techniques,such as the silicon deep tr ench etching,surface m etallizatio n of deep trench,anodic bo nding and Au Si eutectic bonding techniques.T he therm al ox idatio n silico n(SiO2)film o f4 m w as ser ved as the etching m ask, the filter w ith the trenches of800 m depth w as fabricated by dry etching technique.T he surface metallization w as obtained w ith the substrate tilted thro ug h the ion beam sputtering deposition and plating techniques.T he thickness of the metal film inside the filter is3-5 m.T he sealing w av eg uide filter sample w ith three layers w as fabricated by Si glass anodic bo nding and A u Si eu tectic bonding techniques.T he testing results show that the center frequency is138GH z,the bandw idth is15GH z and the insertion loss is less than3dB.Key words:micr o electrom echanical sy stem(M EM S);filter;teraher tz(T H z);dry etching; bo ndingDOI:10.3969/j.issn.1671-4776.2011.06.010 EEACC:2575F0 引 言传统衬底支撑的微带或共面波导滤波器被限制在亚毫米波频率以下。

其缺点是介电损耗和辐射损耗较大,提高这两项指标的一种解决方案是采用微加工技术研制波导滤波器[1]。

收稿日期:2010-10-18基金项目:中国工程物理研究院科学技术发展基金资助项目(2008A0403016) E mail:zh engyingb in@yah 基于波导的滤波器因其体积、质量、加工、造价以及性能等方面的优势使它在太赫兹系统中的应用潜力巨大。

波导滤波器完全采用矩形波导的结构实现,因此避免了电磁辐射和介质损耗,相比其他类型的滤波器具有高Q值、低插损和功率容量大的特点。

研制波导滤波器的工艺方法有精密机加和微加工技术等,精密机加难以研制100GH z以上的滤波器,而微加工技术提供了一种替代的解决方法[2-3]。

根据波导滤波器的结构特点,研制MEM S波导滤波器可以采用LIGA(或准LIGA工艺)与体微加工技术。

本文主要研究了基于体微加工技术(干法刻蚀、键合和金属化)研制TH z M EM S滤波器的工艺方法。

1 滤波器结构和工艺方案1 1 滤波器结构所设计的并联电感耦合波导滤波器采用了三谐振器电感膜片耦合的结构,如图1所示[6-8]。

图1 滤波器结构示意图Fig 1 S tructure s chematic of th e filter滤波器是四面封闭、两端开口的腔体结构,腔体内部全部金属化,立体结构如图2所示。

滤波器的设计尺寸为24 0mm 5 0mm 0 825mm,频率140GH z,带宽10GH z。

图2 滤波器立体结构示意图Fig 2 3D structu re sch ematic of the filter1 2 滤波器工艺路线研制波导滤波器的工艺步骤如下(图3):备片:硅片厚800 m。

刻蚀掩模制备:由于刻蚀深度达800 m,刻蚀掩模需要使用厚度大于3 m的氧化层或0 5 m厚的铝或铬层。

光刻:光刻腐蚀氧化层,形成深槽刻蚀掩模。

刻蚀:ICP刻蚀硅,刻蚀深度800 m,将硅片刻蚀穿通。

键合:硅片去除刻蚀掩模后采用阳极键合技术封闭滤波器的底面。

金属化:溅射Au,使硅结构表面金属化,电镀加厚金属,厚度3~8 m。

键合:采用Au Si共晶键合技术封闭滤波器的顶面,完成滤波器的芯片加工。

划片:通过划片工艺获得设计外形尺寸的TH z滤波器样品。

图3 滤波器工艺步骤示意图Fig 3 Proces s flow of the T Hz filter2 关键工艺技术T H z滤波器要求刻蚀深度深、四面封闭、内部金属化等。

相较一般的体微加工工艺,有其特殊性和难度,主要的关键工艺技术有硅深槽刻蚀、腔体内部金属化和三层键合工艺。

2 1 硅深槽刻蚀技术采用等离子刻蚀机研究硅深槽刻蚀的两个关键 郑英彬等:M EM S T H z滤波器的制作工艺问题:掩模的选择和横向腐蚀的控制[9-11]。

试验表明,厚度大于3 m 的热氧化硅或0 5 m 的金属铝或铬膜可以满足刻蚀硅通孔的要求,同时深槽刻蚀需要提高刻蚀速率以满足刻蚀800 m 硅通孔的要求。

最终的工艺加工采用4 0 m 的热氧化硅,测试表明,滤波器深槽刻蚀完成后,剩余氧化层厚度约0 7 m 。

结果表明,在滤波器研制所使用的氧化条件和刻蚀条件下,刻蚀选择比可以达到200~300。

其中热氧化的次序为干氧 湿氧 干氧,共三个循环,所使用的ICP 设备为Alcatel AM S 100,氧化设备为中国电子科技集团公司第48研究所的M 5113 2W/U M 。

2 2 深槽结构的表面金属化TH z 滤波器要求腔体内部表面金属化,并且厚度超过3 m ,以满足低插损的要求。

金属化分两步进行,首先通过溅射或化学镀的方法在硅结构表面制作0 4 m 左右的电镀种子层(图4),然后通过电镀将金属层加厚到3~5 m 。

图4 腔体内部金属化(未电镀加厚)照片Fig 4 M etallization in side the cavity of th e filterb efore electroplating采用磁控溅射法制备金属层时,需要将硅基片倾斜放置,并多次溅射,使深槽结构表面金属覆盖满足要求。

采用化学镀镍或者其他金属层的方法,使深槽结构的表面金属化获得了较好的结果。

2 3 键合工艺为了获得四面封闭的腔体结构,需要三层键合工艺(图3)。

首先进行硅-玻璃阳极键合,键合的工艺条件包括温度350 ,电压600V,压力6 104Pa 。

阳极键合后,对腔体内部和硅盖板进行金属化并电镀加厚,然后在键合台上完成金-硅共晶键合,键合的工艺条件包括键合压力1 105Pa,真空度1 01325 105Pa,键合温度450 ,键合时间30m in 。

根据该工艺条件获得了良好的键合结果,金-硅键合后的滤波器截面图如图5。

图5 金-硅键合后的截面照片Fig 5 Cros s section ph oto after Au Si bonding3 结 果采用上述工艺研制了TH z 滤波器样品,其内部结构图如图6所示,该样品的尺寸为24 5mm 4 9mm 1 6mm 。

图6 滤波器样品图Fig 6 Photo of th e TH z filter用12倍频器、滤波器和功率计构成的测试系统测试了所研制的滤波器性能,结果如图7所示,图中纵轴为插损(I L )。

图7 滤波器测试结果Fig 7 Test r esult of the T H z filter郑英彬等:M EM S T H z 滤波器的制作工艺测试结果表明,中心频率为138GH z,带宽为15GH z,插损小于3dB,与设计值接近。

目前的主要问题是成品率较低,中心频率与设计值尚存在差异,下一步工艺研究的重点是加工误差控制和工艺流程的优化。

4 结 论利用体硅深槽刻蚀技术和双面键合技术制备了四面封闭的空腔结构,用溅射和电镀的方法实现了深槽结构腔体内部金属化,采用4 m的热氧化硅可以满足深槽刻蚀的掩模要求。

所研制的滤波器具有滤波器通带特性,带外抑制比较好,技术指标基本达到了设计要求。

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