CN102790248B - 一种小型化微机械滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种小型化微机械滤波器。该滤波器基于微机械工艺制作，由上、下两层介质材料叠加而成；上介质层下表面有交指型金属电极层；下介质层上表面有接地键合焊环，焊环之间有采用刻蚀工艺制备的空腔；上、下介质层上均设有通孔，通孔内壁有金属层；上、下介质层表面有表面电极层，其中，上介质层表面设有输入、输出引出线。该滤波器可以满足微波滤波器工作频率高、带宽大、损耗小等指标要求，具有体积小、全密封、可靠性高的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种微机械滤波器，特别涉及一种基于微机械制作工艺的小型化微机械滤波器。
背景技术
随着通信信息量的膨胀和整机系统的复杂化，整机系统对微波滤波器的小体积要求越来越迫切。传统的腔体滤波器、介质滤波器等滤波器体积过大，不能满足系统的体积要求。低温共烧陶瓷（LTCC）滤波器由于采用陶瓷烧结工艺，工艺一致性难以保证。
微机械滤波器是近年来诞生的一种新型滤波器，它采用硅基片或石英基片作为基材，成功将微机械工艺和微波滤波器设计技术结合起来，除了具有微机械器件工艺精度高、一致性好、体积小等优点外，还具有带宽大、损耗小、幅相一致性好等电性能优点。
文献“Low-Loss Micromachined Filters for Millimeter-Wave Communication Systems”，IEEE transactions on microwave theory and techniques，1998，46 （12）：2283-2288，介绍了一种微机械滤波器结构，体积相对腔体滤波器大幅度减小。但该滤波器使用微米量级的介质膜作为支撑层，这降低了基材的介电常数，使得器件的体积较大。
发明内容
本发明所要解决的问题是提供一种具有高可靠性的小型化微机械滤波器。该滤波器为全密封结构，将进一步扩大微机械滤波器的小型化优势，具有带宽大、体积小、幅相一致性好、可批量生产等众多优点。
本发明所提出的技术问题是这样解决的：
本发明提供的小型化微机械滤波器，包括叠加的上介质层和下介质层，所述上介质层和下介质层之间设置有带抽头信号线的交指电极的上介质层下表面金属电极层以及带接地电极环的下介质层上表面金属电极层；所述与下介质层上表面金属电极层相接触的下介质层上表面设置有与接地电极环相匹配的空腔；所述上介质层表面上方设置有上介质层上表面金属层，所述下介质层表面下方设置有下介质层下表面金属层，所述上介质层上还设置有与上介质层下表面金属电极层相配合的通孔，所述下介质层上还设置有与下介质层上表面金属电极层相配合的通孔，所述上介质层上表面金属层的电极通过上介质层通孔与上介质层下表面金属电极层的电极连接；所述下介质层下表面金属层的电极通过下介质层通孔与下介质层上表面金属电极层的电极连接；所述下介质层上表面金属电极层的接地电极环与上介质层下表面金属电极层的接地电极环连接；所述上、下介质层中的任一个介质层表面设有输入、输出信号线。
进一步，所述上介质层下表面金属电极层、上介质层上表面金属层、下介质层上表面金属和下介质层下表面金属层采用微机械工艺制作。
进一步，所述上、下介质层通孔内壁制备有金属层；所述空腔采用干法或湿法刻蚀工艺制备。
进一步，所述上介质层下表面金属电极层为高电导率材料制作的交指型滤波器结构，交指电极的根数可以根据滤波器指标要求进行调整，所述下介质层上表面金属电极层为接地电极环。
进一步，所述空腔位于下介质层上表面的接地电极环中间，且腔体深度小于介质层厚度，腔体侧壁倾斜或垂直于介质层表面。
进一步，所述输入、输出信号线设置于上、下介质层厚度较薄的一个介质层表面上，所述输入、输出信号线为微带线或共面波导线。
进一步，所述输入输出信号线与上介质层下表面金属电极层设置的输入输出抽头线通过上介质层的通孔连接；所述上介质层上表面的接地电极和上介质层下表面金属电极层接地电极通过上介质层的通孔连接；下介质层下表面的接地电极和下介质层上表面接地电极通过下介质层的通孔连接。
进一步，所述上、下介质层为高阻硅介质材料或石英介质材料，所述上介质层的厚度小于下介质层厚度。
本发明具有以下优点：
1、本发明的微机械滤波器将微机械工艺技术同微波滤波器设计技术结合起来，实现了微波滤波器的小型化，具有工艺精度高、一致性好、无需调试、可批量生产等特点。
2、滤波器基于交指型带状线滤波器结构，它的第二通带中心在三倍中心频率以上，高端带外抑制好。
3、滤波器下介质层的接地电极环中间制备有空腔，可以减弱交指指条之间的耦合，有利于减小滤波器体积。
4、采用TSV通孔技术，将上介质层下表面交指电极抽头信号线与介质层表面信号输入、输出线连接起来，实现了滤波器的全密封结构。
5、上、下介质层外表面为接地金属层，可以有效屏蔽外部电磁环境对滤波器内部电路的干扰。
6、上介质层厚度减薄后，可以减弱交指指条之间的耦合，将进一步减小滤波器体积。
7、采用晶圆键合技术和通孔技术，实现了滤波器的晶圆级封装，减小了封装体积，提高了封装效率。
本发明的其它优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其它优点可以通过下面的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
图1是小型化微机械滤波器的分层立体示意图；
图2是小型化微机械滤波器的装配立体示意图；
图3是上介质层各加工工序的实施例截面图；
图4是下介质层各加工工序的实施例截面图；
图5是上介质层和下介质层键合后各加工工序的实施例截面图。
具体实施方式
下面，将参照附图，提供根据本发明的较佳实施例，对小型化微机械滤波器作进一步描述：
图1是小型化微机械滤波器的分层立体示意图，本发明所指的上下方向是根据上介质层、下介质层按附图所示的竖直方向重叠的方向为准，其中，f1为上介质层上表面金属层，f2为上介质层，f3为上介质层下表面金属电极层，f4为下介质层上表面金属电极层，f5为下介质层，f6为下介质层下表面金属层，1、8为输入、输出信号线，2、9为上介质层上表面金属层输入、输出信号线与上介质层下表面金属电极层抽头信号线的通孔连接电极，3为上介质层上表面金属层接地电极，4、5、6、7、10、11、12为上介质层上表面金属层接地电极与上介质层下表面金属电极层接地电极的通孔连接电极，13、14、15、16、17、18、19、20、21为上介质层通孔，22为上介质层下表面金属电极层接地电极，它还起到金属共熔键合焊环的作用，23、31为上介质层下表面金属电极层交指电极抽头信号线，24、25、26、27、28、29、30为上介质层下表面金属电极层交指电极，交指电极的根数可以根据滤波器指标要求进行调整，32为下介质层上表面金属电极层的接地电极环，它还起到金属共熔键合焊环的作用，33、34、35、36、38、39、40为下介质层通孔，37为下介质层空腔，41、42、43、44、45、46、47为下介质层下表面金属层接地电极与下介质层上表面金属电极层的通孔连接电极。
本发明提供的小型化微机械滤波器，具体结构如下：
所述上介质层和下介质层之间设置有带抽头信号线的交指电极的上介质层下表面金属电极层和带接地电极环的下介质层上表面金属电极层；所述与下介质层上表面金属电极层相接触的下介质层上表面设置有与接地电极环相匹配的空腔，腔体的侧壁倾斜或垂直于介质层表面。
所述上介质层表面上方设置有上介质层上表面金属层，所述下介质层表面下方设置有下介质层下表面金属层，所述上介质层上还设置有与上介质层下表面金属电极层相配合的通孔，所述下介质层上还设置有与下介质层上表面金属电极层相配合的通孔，所述上介质层上表面金属层的电极通过通孔与上介质层下表面金属电极层的电极连接；所述下介质层下表面金属层的电极通过通孔与下介质层上表面金属电极层的电极连接；所述下介质层上表面金属电极层的接地电极环与上介质层下表面金属电极层的接地电极环连接；所述上、下介质层中的任一个介质层表面设有输入、输出信号线。
所述上介质层下表面金属电极层、上介质层上表面金属层、下介质层上表面金属和下介质层下表面金属层采用微机械工艺制作。
所述通孔内壁制备有金属层；所述空腔采用干法或湿法刻蚀工艺制备。
所述上介质层下表面金属电极层为高电导率材料制作的交指型滤波器结构，交指电极的根数可以根据滤波器指标要求进行调整，所述下介质层上表面金属电极层为接地电极环，它还起到金属共熔键合焊环的作用。
所述空腔位于下介质层上表面的接地电极环中间且腔体深度小于介质层厚度，腔体侧壁倾斜或垂直于介质层表面。
所述输入、输出信号线设置于上、下介质层厚度较薄的一个介质层表面上，所述输入、输出信号线为微带线或共面波导线。
所述输入输出信号线与上介质层下表面金属电极层设置的输入输出抽头线通过上介质层的通孔连接；所述上介质层上表面的接地电极和上介质层下表面金属电极层接地电极通过上介质层的通孔连接；下介质层下表面的接地电极和下介质层上表面接地电极通过下介质层的通孔连接。
所述上、下介质层为高阻硅介质材料或石英介质材料。也可以使介质层或全部为高阻硅介质材料，或全部为石英介质材料，或部分介质层为高阻硅介质材料、其余为石英介质层材料。上、下介质层厚度不一致，上介质层厚度较薄。
将图1中f1、f2、f3、f4、f5、f6装配起来，效果如图2所示。由虚线AA得到的上介质层和下介质层截面图如图3B、4C所示。
在该实施例中，小型化微机械滤波器的制作分为3大部分，包括上介质层、下介质层的制备和上、下介质层键合后的相关制备工艺。介质层材料选择为高阻硅，厚度400μm；电极材料为金。
上介质层的加工工序如图3所示。在采用标准半导体硅晶圆清洗工艺完成硅晶圆清洗后，使用LPCVD工艺在硅晶圆上下表面生长一层氮化硅薄膜48，薄膜厚度在100nm-1000nm之间，如图3A所示。然后，采用剥离、电镀工艺在硅晶圆的一个表面上制备滤波器交指电极49，50为交指电极中间无金属区域，厚度为1μm-10μm范围，如图3B所示。
下介质层的加工工序如图4所示。在采用标准半导体硅晶圆清洗工艺完成硅晶圆清洗后，使用LPCVD工艺在硅晶圆上下表面生长一层氮化硅薄膜51，薄膜厚度在100nm-1000nm之间，如图4A所示。然后，采用剥离、电镀工艺在硅晶圆的一个表面上制备接地电极环52，53为晶圆表面无金属区域，电极厚度为1μm-10μm范围，如图4B所示。最后采用DRIE工艺刻蚀掉接地电极环之间的氮化硅54，然后刻蚀硅，形成空腔55，腔体深度为20μm -200μm之间，如图3C所示。
完成上介质层和下介质层的加工后，采用金属共熔晶圆键合的方法完成上下介质层的键合，键合后，金属层49、52共熔在一起，如图5A所示。上、下介质层键合后滤波器的制备工艺如图5所示。
采用晶圆抛光工艺将键合后的晶圆上介质层抛光减薄，将其厚度减薄至50μm-250μm。然后，在键合晶圆上表面采用PECVD方法沉积一层氮化硅薄膜，厚度为100nm-1000nm之间，光刻出通孔图形后，使用RIE方法刻蚀掉通孔处氮化硅薄膜，然后采用ICP刻蚀方法，在键合晶圆上表面刻蚀出通孔56、57、58，其中57为接地通孔，56、58为信号线通孔。采用RIE方法刻蚀掉通孔内上介质层下表面的氮化硅薄膜。工艺完成后，效果如图5B所示。
在键合晶圆下表面光刻出通孔图形，使用RIE方法刻蚀掉通孔处氮化硅薄膜，然后ICP刻蚀方法，在键合晶圆下表面刻蚀出接地通孔59。采用RIE方法刻蚀掉通孔内下介质层上表面的氮化硅薄膜。工艺完成后，效果如图5C所示。
采用溅射或蒸发、电镀方法在键合晶圆下表面沉积一层接地金属电极63，厚度为1-10μm范围，金属电极会覆盖键合晶圆下表面和下表面通孔，其中62为通孔内电极，它将键合晶圆下表面接地电极与键合晶圆中间金属接地电极连接起来。
在键合晶圆上表面光刻出输入、输出引出线和地线电极图形，然后采用剥离、溅射或蒸发、电镀方法制备输入、输出引出线和地线电极层61, 厚度为1-10μm范围，其中60为通孔电极，它将键合晶圆上表面接地电极与键合晶圆中间金属接地电极，键合晶圆上表面输入、输出信号线电极与键合晶圆中间金属抽头线电极连接起来。
上述工艺完成后，采用划片工艺将微机械滤波器晶圆划切成滤波器芯片，便完成了小型化微机械滤波器芯片的制作，效果如图5D所示。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (7)
1.一种小型化微机械滤波器，包括叠加的上介质层和下介质层，其特征在于：所述上介质层和下介质层之间设置有带抽头信号线的交指电极的上介质层下表面金属电极层以及带接地电极环的下介质层上表面金属电极层；所述与下介质层上表面金属电极层相接触的下介质层上表面设置有与接地电极环相匹配的空腔；所述上介质层表面上方设置有上介质层上表面金属层，所述下介质层表面下方设置有下介质层下表面金属层，所述上介质层上还设置有与上介质层下表面金属电极层相配合的通孔，所述下介质层上还设置有与下介质层上表面金属电极层相配合的通孔，所述上介质层上表面金属层的电极通过上介质层通孔与上介质层下表面金属电极层的电极连接；所述下介质层下表面金属层的电极通过下介质层通孔与下介质层上表面金属电极层的电极连接；所述下介质层上表面金属电极层的接地电极环与上介质层下表面金属电极层的接地电极环连接；所述上、下介质层中的任一介质层表面金属层上设有输入、输出信号线；
所述空腔位于下介质层上表面的接地电极环中间，且腔体深度小于介质层厚度，腔体侧壁倾斜或垂直于介质层表面。
2.根据权利要求1所述的小型化微机械滤波器，其特征在于：所述上介质层下表面金属电极层、上介质层上表面金属层、下介质层上表面金属和下介质层下表面金属层采用微机械工艺制作。
3.根据权利要求1所述的小型化微机械滤波器，其特征在于：所述上、下介质层通孔内壁制备有金属层；所述空腔采用干法或湿法刻蚀工艺制备。
4.根据权利要求1-3任一项所述的小型化微机械滤波器，其特征在于：所述上介质层下表面金属电极层为高电导率材料制作的交指型滤波器结构，交指电极的根数可以根据滤波器指标要求进行调整，所述下介质层上表面金属电极层为接地电极环。
5.根据权利要求4所述的小型化微机械滤波器，其特征在于：输入、输出信号线设置于上、下介质层厚度较薄的一个介质层表面金属层上，所述输入、输出信号线为微带线或共面波导线。
6.根据权利要求5所述的小型化微机械滤波器，其特征在于：所述输入输出信号线与上介质层下表面金属电极层设置的输入输出抽头线通过上介质层的通孔连接；所述上介质层上表面的接地电极和上介质层下表面金属电极层接地电极通过上介质层的通孔连接；下介质层下表面的接地电极和下介质层上表面接地电极通过下介质层的通孔连接。
7.根据权利要求6所述的小型化微机械滤波器，其特征在于：所述上、下介质层为高阻硅介质材料或石英介质材料；所述上介质层的厚度小于下介质层厚度。
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