CN103107394B - 一种基于MEMS工艺THz波段EMXT腔体滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于MEMS工艺THz波段EMXT腔体滤波器，适用于太赫兹波段，属于太赫兹技术领域。包括上层硅圆片、下层硅圆片和主体部分；上层硅圆片有定位槽和盲文标示；主体部分包括PBG结构和波导腔，PBG结构由硅柱组成，硅柱之间填充有空气；PBG结构位于波导腔的腔体内；所述的硅柱的表面溅射有金层；在PBG结构中引入了线缺陷和点缺陷，线缺陷形成PBG波导，位于波导腔的腔体内左右两侧，点缺陷形成中间三个谐振腔结构；滤波器采用上层硅圆片和下层硅圆片进行加工。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于MEMS工艺THz波段EMXT腔体滤波器，适用于太赫兹波段，属于太赫兹技术领域。
背景技术
近年来，太赫兹技术发展越来越快，应用也越来越广。太赫兹波在频段上介于微波与红外之间，属于电子学与光子学的交叉区域。太赫兹波具有瞬态性、相干性、带宽宽、光子能量低、对非金属非极性材料穿透性强等独特性质，因此，在成像、检测、通信、射电天文等方面具有广泛应用前景。但是太赫兹波领域目前仍缺乏如滤波器、放大器等低成本的高性能器件。其中，滤波器是雷达、通信和成像系统中的关键器件，传统滤波器在太赫兹频段的设计与实现是一项重大的挑战。在太赫兹技术中，光子晶体可以用来设计各种功能器件，光子晶体是指具有光子带隙特性(Photonic BandGap，简称PBG)的人造周期性结构的材料，具有光学禁带和通带。
然而在太赫兹波段，电磁波波长很短，无源器件绝对尺寸小，受限于材料特性和制备工艺，采用常规加工工艺已无法完全满足复杂结构或精细结构的设计。
发明内容
本发明针对上述缺陷，解决了太赫兹波段滤波器，尤其是波导或腔体滤波器的插入损耗大以及加工制作困难的问题，提供一种相对现有技术可以实现的结构紧凑、可批量生产、易于集成、成本低、体积小、基于MEMS工艺THz波段Electromagnetic Crystals(简称EMXT)腔体滤波器。
本发明是通过以下技术方案实现的。
本发明的基于MEMS工艺THz波段EMXT腔体滤波器，包括上层硅圆片、下层硅圆片和主体部分；上层硅圆片有定位槽和盲文标示；主体部分包括PBG结构和波导腔，PBG结构由硅柱组成，硅柱之间填充有空气；PBG结构位于波导腔的腔体内；所述的硅柱的表面溅射有金层，金层的厚度为200nm；
在PBG结构中引入了线缺陷和点缺陷，线缺陷形成PBG波导，位于波导腔的腔体内左右两侧，多个点缺陷形成中间三个谐振腔结构；
滤波器可外接WR1.9(483μm×241μm)或WR2.2(560μm×280μm)标准金属波导。滤波器中谐振腔结构的大小通过缺陷结构的设计和硅柱尺寸的改变来控制，调节谐振腔结构的参数可以控制滤波器的中心频率；滤波器中晶格常数a＝120μm，硅柱直径d＝48μm，两侧PBG波导端口的宽度w＝483μm，PBG波导9、10端口的高度为241μm；中间谐振腔结构的半径为R＝357μm，腔体的径向间距a1；
滤波器采用上层硅圆片和下层硅圆片为材料进行加工；上层硅圆片和下层硅圆片的基片厚度为400μm。
有益效果
本发明中的滤波器采用体硅MEMS工艺中的电感耦合等离子体(ICP)刻蚀技术、表面加工工艺中的金溅射工艺和金-金热压键合技术相结合的工艺路线，采用的硅晶圆的基片厚度为400μm，综合考虑金的趋肤深度、降低成本和提高加工精度，为了保证THz波高效传输，金表面厚度选在200nm左右。
MEMS技术加工高精度高，可批量生产，加工的器件体积小便于集成，且硅的机械电气性能优良。本发明中的THz波段EMXT腔体滤波器由硅衬底材料通过体硅MEMS工艺中的电感耦合等离子体(ICP)刻蚀技术、表面加工工艺中的金溅射工艺和金-金热压键合技术相结合的工艺路线加工得到，采用的硅圆片的基片厚度为400μm。
本发明中的EMXT腔体滤波器是太赫兹波段基于光子晶体结构的带通滤波器，工作的频带范围在0.45THz-0.55THz内。该滤波器具备的功能是使规定频带的太赫兹波通过，使带外的太赫兹波截止。光子晶体是指具有光子带隙特性(Photonic Band Gap，简称PBG)的人造周期性结构的材料，具有光学禁带和通带，可以用来设计各种功能器件。0.5THz EMXT腔体滤波器由PBG波导和3个谐振腔体组成，即引入线缺陷和点缺陷。PBG结构采用的是溅射金层的硅柱，中间填充的部分为空气。滤波器可外接WR1.9(483μm×241μm)或WR2.2(560μm×280μm)标准金属波导，以便在测试时与矢量网络分析仪的频率扩展模块连接。太赫兹波能量由标准波导以TE10模的形式馈入通过谐振腔体并传导到另一端口的波导。
硅柱2的介电常数为11.9，溅射金层的电导率为3.96×107S/m，晶格常数a＝120μm，硅柱2直径d＝48μm。根据趋肤深度公式计算，在0.5THz附近，金的趋肤深度为111nm，综合考虑金的趋肤深度、降低成本和提高加工精度，为了保证THz波高效传输，金表面厚度选在200nm左右。溅射金层的表面导电率引起的传输损耗可通过矩形波导中TE10模的衰减公式计算，以WR1.9标准波导为例，在0.5THz传输TE10模时衰减为0.0222dB/λ0.5THz。溅射金层的粗糙度引起的传输损耗，可通过等效电导率公式和TE10模衰减公式得到。
0.5THz EMXT腔体滤波器的3dB带宽为0.482THz-0.516THz，通带带宽为7％，一倍带宽外带外抑制小于-20dB，带内插入损耗小于2dB。
本发明在传统微波滤波器的理论基础上，结合国内MEMS工艺实际和硅片的物理化学特性，提出一种新型基于PBG结构的太赫兹EMXT腔体滤波器，采用体硅MEMS工艺实现实物加工且表面粗糙度满足太赫兹频段器件设计的需求。
附图说明
图1是滤波器的爆炸结构示意图；
图2为主体部分的平面结构示意图；
图3为滤波器的立体示意图；
图4是基于PBG结构的0.5THz EMXT腔体滤波器的不同腔体半径时的S21参数幅值变化；
图5是基于PBG结构的0.5THz EMXT腔体滤波器的不同晶格周期时的S21参数幅值变化；
图6是基于PBG结构的0.5THz EMXT腔体滤波器的S11和S21参数的幅值；图中：1-上层硅圆片、2-下层硅圆片、3-谐振腔结构、4-波导腔、5-硅柱、6-主体部分、7-定位槽、8-盲文标示、9-PBG波导、10-PBG波导。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
实施例
如图1所示，基于MEMS工艺THz波段EMXT腔体滤波器，包括上层硅圆片1、下层硅圆片2和主体部分6；上层硅圆片1刻蚀有定位槽7和盲文标示8；如图2所示，主体部分6包括由PBG结构和波导腔4，PBG结构由硅柱5组成，硅柱5之间填充有空气；PBG结构位于波导腔4的腔体内；所述的硅柱5的表面溅射有金层，金层的厚度为200nm；
如图2所示，在PBG结构中引入了线缺陷和点缺陷，线缺陷形成PBG波导9、10，位于波导腔4的腔体内左右两侧，多个点缺陷形成中间三个谐振腔结构3；
滤波器可外接WR1.9(483μm×241μm)或WR2.2(560μm×280μm)标准金属波导。滤波器中谐振腔结构3的大小通过缺陷结构的设计和硅柱5尺寸的改变来控制，调节谐振腔结构3的参数可以控制滤波器的中心频率；滤波器中晶格常数a＝120μm，硅柱5直径d＝48μm，PBG波导9、10端口的宽度w＝483μm，PBG波导9、10端口的高度为241μm；三个谐振腔结构3的半径均为R＝357μm，三个谐振腔结构3的径向间距均为a1；
滤波器采用上层硅圆片1和下层硅圆片2为材料进行加工；上层硅圆片1和下层硅圆片2的基片厚度为400μm。
结合图1和图3，滤波器在硅圆片上的具体加工流程如下：
(A)选取一个双面抛光<110>SOI下层硅圆片2，双面热生长氧化层，光刻形成刻蚀的THz波段EMXT腔体滤波器图形窗口。
(B)ICP干法深槽刻蚀，形成侧壁垂直的硅槽，未刻蚀的部分为THz波段EMXT腔体滤波器PBG结构中的硅柱。利用湿法腐蚀抛光刻蚀腔体，减少腔体的表面粗糙度。
(C)利用溅射和电镀工艺完成下层硅圆片2的硅槽侧面、底部以及硅柱的金属化，准备键合。
(D)选取另一个双面抛光<110>SOI上层硅圆片1溅射金层，使硅圆片表面金属化。
(E)对上层硅圆片1和下层硅圆片2进行精确对位后，利用金-金热压键合技术，将两个硅圆片键合在一起，并通过划片得到每一个独立的滤波器如图3所示。
由图1可以看出，在器件的加工中，采用了多种方式保证工艺实现的可行性：为消除上、下两个硅圆片金-金热压键合时对位误差的影响，采用了一片腐蚀，另一片不腐蚀的组合，同时可减小四壁的粗糙度从而减小插损；金溅射工艺可以实现硅片表面的金属化；金-金热压键合形成封闭的波导和腔体结构；在上层硅片刻蚀出定位槽7，以配合器件的安装；同样在上层硅片刻蚀出盲文标示8对硅圆片上的器件作区分，主体部分6的参数如表1所示：
表1 为0.5THz窄带滤波器中主体部分6的参数
| 金属柱材料 | 硅柱溅射金 |
| 金属柱直径d | 48μm |
| 晶格常数a | 120μm |
| 腔体半径R | 357μm |
| PBG波导的宽度w | 483μm |
| 整体结构高度h | 241μm |
在实际加工工中，无法保证器件尺寸完全符合设计的理想尺寸，需要在考虑硅材料特性、表面粗糙度和溅射金厚度的基础上，对关键参数做定量分析。基于PBG结构的0.5THz EMXT腔体滤波器在不同谐振腔体半径R时的S21参数幅值变化如图4所示，在不同晶格周期a时的S21参数幅值变化如图5所示，可以看到参数的变化导致滤波器的中心频率的偏移。
由图6可以看出，该滤波器工作的频带范围是450GHz-550GHz，设计的3dB带宽为0.482THz-0.516THz，通带带宽为7％，一倍带宽外带外抑制小于-20dB，带内插入损耗小于2dB。滤波器的S11和S21参数曲线如图6所示。
滤波器在0.484THz、0.499THz和0.509THz频点上的插入损耗如表2所示，由表2可以看出，在0.484THz、0.499THz和0.509THz频点上的插入损耗均小于2dB。
表2 为滤波器在0.484THz、0.499THz和0.509THz频点上的插入损耗
| 频率(GHz) | 0.484THz | 0.499THz | 0.509THz |
| 插入损耗(dB) | -1.44 | -1.04 | -1.57 |
以上提到的加工工艺的表面粗糙度问题在此详细分析。单晶硅作为MEMS加工的材料，在工艺中引入的粗糙度分为三类：一、对硅圆片表面溅射金后的表面粗糙度；二、采用ICP对硅衬底材料深刻蚀后槽底的表面粗糙度；三、采用ICP对硅衬底材料深刻蚀后侧壁的表面粗糙度。
测试粗糙度所使用的仪器为WYKO-NY1100型光学轮廓仪，该测试仪器视场2.4×1.8mm，精度为埃米级别。加工样条12×7mm，厚度为800μm，在测试仪器的视场中分时选取滤波器的部分区域进行测试。测试得到滤波器刻蚀的槽底粗糙度Ra＝16.35nm，划片截面粗糙度Ra＝311.05nm。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡是在本发明权利要求范围内所作的均等变化与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。
Claims (3)
1.基于MEMS工艺THz波段EMXT腔体滤波器，其特征在于：包括上层硅圆片、下层硅圆片和主体部分；硅圆片的基片厚度为400nm，上层硅圆片有定位槽和盲文标示；主体部分由PBG结构组成圆形腔三腔级联滤波器，在PBG结构中引入了线缺陷和点缺陷，线缺陷形成PBG波导，点缺陷形成正三角排布的三个圆形谐振腔；PBG结构由直径为48μm硅柱组成，硅圆片和硅柱的表面溅射有金层，溅金厚度为200nm；
2.根据权利要求1所述的基于MEMS工艺THz波段EMXT腔体滤波器，其特征在于：在谐振腔半径R取值347um、357um和367um时，或者晶格周期a取值100um、120um和140um时，可分别在中心频点为490GHz、500GHz及510GHz处得到良好的S21曲线；
3.根据权利要求1所述的基于MEMS工艺THz波段EMXT腔体滤波器，其特征在于：滤波器采用体硅MEMS工艺中的电感耦合等离子体(ICP)刻蚀技术、表面加工工艺中的金溅射工艺和金-金热压键合技术相结合的工艺路线。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C53 | Correction of patent for invention or patent application | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Liu Yong Inventor after: Si Liming Inventor after: Zhou Kai Inventor after: Cui Mengmeng Inventor after: Zheng Chao Inventor after: Lu Hongda Inventor after: Zhu Siheng Inventor before: Liu Yong Inventor before: Si Liming Inventor before: Zhou Kai Inventor before: Zheng Chao Inventor before: Lu Hongda Inventor before: Zhu Siheng |
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| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: INVENTOR; FROM: LIU YONG SI LIMING ZHOU KAI ZHENG CHAO LU HONGDA ZHU SIHENG TO: LIU YONG SI LIMING ZHOU KAI CUI MENGMENG ZHENG CHAO LU HONGDA ZHU SIHENG |
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20150902 Termination date: 20151227 |
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| EXPY | Termination of patent right or utility model |