MEMSTHz滤波器的制作工艺

滤波器结构:

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。

图1滤波器结构示意图

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240mm×50mm×25mm频率140GHz带宽10GHz。

图2滤波器立体结构示意图

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800m。刻蚀掩模制备由于刻蚀深度达800m,刻蚀掩模需要使用厚度大于3m的氧化层或0.5m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800m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3~8m。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THz滤波器样品。

关键工艺技术:

THz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。

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问题掩模的选择和横向腐蚀的控制。

试验表明厚度大于3m的热氧化硅或0.5m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800m硅通孔的要求。最终的工艺加工采用40m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0.7m。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AlcatelAMS100氧化设备为中国电子科技集团公司第48研究所的M5113-2W/UM。

深槽结构的表面金属化:

THz滤波器要求腔体内部表面金属化并且厚度超过3m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0.4m左右的电镀种子层(图4)然后通过电镀将金属层加厚到3~5m。

图4腔体内部金属化(未电镀加厚)照片

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。

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6104Pa。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1105Pa真空度5105Pa键合温度450键合时间30min。

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。

结果:

采用上述工艺研制了THz滤波器样品其内部结构图如图6所示该样品的尺寸为245mm49mm16mm。

图6滤波器样品图

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(IL)。

测试结果表明中心频率为138GHz带宽为15GHz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。

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