CN103887601A - 折叠槽天线结构及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种折叠槽天线结构及其制作方法，通过在硅衬底上涂覆具有流动性的低介电常数的有机介电材料并固化作为天线的介质基板，在该基板上制作折叠槽天线图形，并在天线图形下方对应的区域刻蚀所述硅衬底形成介质空腔。介质空腔的刻蚀方法为：在制作天线图形前，先用低成本的湿法KOH刻蚀，做完天线后采用DRIE干法刻蚀剩下的硅薄膜。本发明的折叠槽天线克服了硅基集成天线介质基板较薄的缺点，显著增加了天线的带宽并提高了天线的性能，可以使天线带宽增加到15%以上。本发明的制作流程与埋置型芯片封装兼容，所制作出来的天线可以和芯片一起封装，减小了信号线的传输距离，从而减小了损耗。同时，天线与芯片集成在一起，提高了可靠性，减小了体积，符合现代集成电路封装的趋势。
Description
技术领域
本发明涉及一种天线及其制作工艺，特别是涉及一种基于低阻硅的折叠槽天线结构及制作方法。
背景技术
在无线通讯领域，天线是不可缺少且非常重要的一部分。微带天线是20世纪70年代初期研制成功的一种新型天线。和常用的微波天线相比，它有如下一些优点：体积小，重量轻， 低剖面，能与载体共形，制造简单，成本低；电器上的特点是能得到单方向的宽瓣方向图，最大辐射方向在平面的法线方向，易于和微带线路集成，易于实现线极化或圆极化。相同结构的微带天线可以组成微带天线阵，以获得更高的增益和更大的带宽。因此微带天线得到愈来愈广泛的重视。传统的射频贴片天线一般做在PCB（印刷电路板）上，通过同轴电缆与发射电路连接。此种方法虽然具有上述诸多优点，但是基板材料的介电常数，厚度，以及天线的尺寸一致性较差，特别是在比较高的频带，这些误差会对天线参数造成很大影响，往往在制作出来后，需要进一步的调试才能使用，使生产效率降低，增加了成本。另外，传统的贴片天线和集成电路是分开的，连在一起时会受到连接器的限制，产生一些问题：如阻抗匹配，寄生电感，寄生电容等。
由于以上缺点，做在硅片上的天线应运而生，它和集成电路一起，这种天线制作工艺精确，一致性好，得到了广泛的应用。但是，这种天线有一种缺点，即基板较薄，一般只有几十μm甚至不到1μm，使带宽大大降低，一般带宽只有1%左右。提高基板厚度在硅片上实现比较困难，文献报道中常用的办法是在硅上刻蚀槽，在槽中填充固体介电材料使与周围高度一致，然后用胶体的介质层把天线图形做在其上，这种方法使得天线基板材料有至少两种，天线损耗增大，而且天线图形和馈线的基板材料不同，容易产生阻抗不匹配，同时仿真和工艺制作较麻烦；另一种是在槽中填充和其他区域形同的介电材料（一般为液体），然后固化，这种方法在槽的深度较浅的时候还可以使用，但是在大深度时候，经常导致天线表面的平整性不好，对天线造成不良影响。另外还有的办法是做在高阻硅上，以减小损耗。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种折叠槽天线结构及制作方法，用于解决现有技术中硅基集成天线介质基板较薄的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种折叠槽天线的制作方法，至少包括以下步骤：
1）提供一衬底，
2）在所述衬底的上下表面形成SiO2层；并在所述SiO2层表面再沉积SiN层；
3）在所述衬底的下表面刻蚀部分SiO2层和SiN层形成窗口图形；
4）以SiO2层和SiN层为掩膜，自所述窗口图形中湿法刻蚀该衬底，形成空腔；
5）在步骤4）之后获得的结构上涂覆有机介电层并进行固化；
6）在固化后的该有机介电层上形成种子层；
7）在所述种子层上根据预设折叠槽结构的天线图形采用光刻胶图形化该种子层；
8）电镀金属层；
9）去除光刻胶以及光刻胶下的种子层后形成折叠槽结构的天线；
10）自所述Si衬底的下表面采用干法刻蚀掉剩下的衬底直至SiO2层处。
优选地，所述有机介电层的材料为苯并环丁烯BCB或聚酰亚胺PI，且其介电常数小于5。
优选地，所述衬底为低阻硅衬底。
优选地，所述步骤2）中采用热氧化的方法在所述衬底的上下表面形成SiO2层。
优选地，所述步骤4）中自所述窗口图形中湿法刻蚀该衬底直至剩下40-100μm ，优选是50μm时停止刻蚀。
优选地，所述步骤6）中的种子层包括通过溅射制备的Cr溅射层及Au溅射层，所述第二电镀层为Au电镀层，其中，所述Cr溅射层的厚度为10~30nm，Au溅射层的厚度为50~150nm。
优选地，所述步骤8）中金属层的材料为Au，厚度为1-5μm，厚度优选为3μm。
本发明还提供一种折叠槽天线结构，该天线结构包括设有空腔的衬底；位于该衬底上下表面的SiO2层以及位于该SiO2层上的SiN层；位于所述衬底上方SiN层上的有机介电层；位于所述有机介电层上图形化的种子层；以及位于所述图形化的种子层上的图形化金属层。
优选地，所述有机介电层的厚度为10~30μm。
优选地，所述SiO2层厚度为1-2μm，SiN层的厚度为0.05-0.2μm。
优选地，所述图形化的种子层和图形化金属层的形状为“凸”字型。
如上所述，本发明的折叠槽天线及其制作工艺，具有以下有益效果：通过在硅衬底上涂覆具有流动性的低介电常数的有机介电材料并固化作为天线的介质基板，在该基板上制作折叠槽天线图形，并在天线图形下方对应的区域刻蚀所述硅衬底形成介质空腔。介质空腔的刻蚀方法为：在制作天线图形前，先用低成本的湿法KOH刻蚀，等到剩下越50μm的时候停止刻蚀，做完天线后采用DRIE干法刻蚀剩下的硅薄膜。本发明的折叠槽天线克服了硅基集成天线介质基板较薄的缺点，与传统硅基集成天线相比，显著增加了天线的带宽并提高了天线的性能，可以使天线带宽增加到15%以上。本发明的制作工艺流程与埋置型芯片封装兼容，所制作出来的天线可以和芯片一起封装，与传统的外接天线方法相比，减小了信号线的传输距离，从而减小了损耗。同时，天线与芯片集成在一起，提高了可靠性，减小了体积，符合现代集成电路封装的趋势。
附图说明
图1a-1k显示为本发明集成在低阻硅上的折叠槽天线的制作流程图。
图2显示为图1g的俯视图。
图3显示为本发明集成在低阻硅上的折叠槽天线俯视图。其中图1a-1k为沿AA’ 线的截面图。
元件标号说明
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1a-1k所示。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
请参阅图1a至1k所示，本发明提供一种折叠槽天线的制作方法，至少包括以下步骤：
步骤a). 请参阅图1a所示，提供一衬底101，对此衬底无要求，可以为低阻硅，也可以为高阻硅，本实例中采用低成本的低阻硅。
步骤b). 请参阅图1b所示，在所述衬底101的上下表面均形成1-2μm的SiO2层102和0.05-0.2μm 的SiN层103。在本实施例中，采用热氧化法对所述Si衬底101进行氧化以获得所述SiO2层102，所述SiO2层102的厚度为2μm。采用LPCVD的方法制作SiN层103，所述SiO2层103的厚度优选为0.1μm。
步骤c). 请参阅图1c所示，在所述衬底101的下表面形成一个窗口图形109，用以刻蚀Si衬底。在本实施例中，窗口是用光刻胶为掩膜，采用RIE的方法刻蚀形成。
步骤d). 请参阅图1d所示，自所述窗口用低成本的湿法刻蚀Si衬底，待剩下40-100μm时，停止刻蚀。在本实施例中，采用40%的KOH刻蚀液，条件为50℃，衬底剩下的厚度优选为50μm。
步骤e). 请参阅图1e所示，在所述的Si衬底101上表面涂覆低介电常数的有机介电层104，厚度为10-30μm，并进行硬固化。在本实施例中，有机介电层的材料为BCB或聚酰亚胺PI，且其介电常数小于5，厚度优选为25μm。
步骤f). 请参阅图1f所示，在所述的有机介电层104上形成一层种子层106，种子层金属为Cr/Au，Cr溅射层的厚度为10~30nm，Au溅射层的厚度为50~150nm，本实例中为30/100nm。
步骤g). 请参阅图1g所示，在所述的种子层106上涂覆光刻胶107，光刻显影，使露出天线图形。本实施例中，天线图形为“凸”字型。请参阅图2所示，其为图1g的俯视图，光刻胶图形107为“凸”字型。
步骤h). 请参阅图1h所示，在图形化后的种子层106上进行电镀金属层105，金属的厚度为1-5μm。在本实例中，金属为Au，厚度为3μm。
步骤i). 请参阅图1i所示，去除所述的光刻胶107。
步骤j). 请参阅图1j所示，去除所述的种子层106露出有机介电层104，图形化金属层105制作完成。在本实例中，使用干法刻蚀去除所述的种子层106。
步骤k). 请参阅图1k所示，去除步骤d）中剩下的Si衬底101，折叠槽天线结构制作完成。在本实例中，使用干法刻蚀去除剩下的Si衬底101。
请参阅图3所示天线结构的俯视图。图1a-1k为图3 AA线方向的截面图。
综上所述，本发明的一种集成在低阻硅上的折叠槽天线及其制作工艺，通过在硅衬底上涂覆具有流动性的低介电常数的有机介电材料并固化作为天线的介质基板，在该基板上制作折叠槽天线图形，并在天线图形下方对应的区域刻蚀所述硅衬底形成介质空腔。介质空腔的刻蚀方法为：在制作天线图形前，先用低成本的湿法KOH刻蚀，等到剩下越50μm的时候停止刻蚀，做完天线后采用DRIE干法刻蚀剩下的硅薄膜。本发明的折叠槽天线克服了硅基集成天线介质基板较薄的缺点，与传统硅基集成天线相比，显著增加了天线的带宽并提高了天线的性能，可以使天线带宽增加到15%以上。本发明的制作工艺流程与埋置型芯片封装兼容，所制作出来的天线可以和芯片一起封装，与传统的外接天线方法相比，减小了信号线的传输距离，从而减小了损耗。同时，天线与芯片集成在一起，提高了可靠性，减小了体积，符合现代集成电路封装的趋势。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (11)
1.一种折叠槽天线的制作方法，其特征在于，至少包括以下步骤：
1）提供一衬底（101），
2）在所述衬底（101）的上下表面形成SiO2层（102）；并在所述SiO2层表面再沉积SiN层（103）；
3）在所述衬底的下表面刻蚀部分SiO2层和SiN层形成窗口图形（109）；
4）以SiO2层和SiN层为掩膜，自所述窗口图形中湿法刻蚀该衬底，形成空腔（108）；
5）在步骤4）之后获得的结构上涂覆有机介电层（104）并进行固化；
6）在固化后的该有机介电层上形成种子层（106）；
7）在所述种子层上根据预设折叠槽结构的天线图形采用光刻胶图形化该种子层；
8）电镀金属层（105）；
9）去除光刻胶以及光刻胶下的种子层后形成折叠槽结构的天线；
10）自所述Si衬底的下表面采用干法刻蚀掉剩下的衬底直至SiO2层（102）处。
2.根据权利要求1所述的折叠槽天线的制作方法，其特征在于：所述有机介电层的材料为苯并环丁烯BCB或聚酰亚胺PI，且其介电常数小于5。
3.根据权利要求1所述的折叠槽天线的制作方法，其特征在于：所述衬底为低阻硅衬底。
4.根据权利要求1所述的折叠槽天线的制作方法，其特征在于：所述步骤2）中采用热氧化的方法在所述衬底的上下表面形成SiO2层。
5.根据权利要求1所述的折叠槽天线的制作方法，其特征在于：所述步骤4）中自所述窗口图形中湿法刻蚀该衬底直至剩下40-100μm ，优选是50μm时停止刻蚀。
6.根据权利要求1所述的折叠槽天线的制作方法，其特征在于：所述步骤6）中的种子层包括通过溅射制备的Cr溅射层及Au溅射层，所述第二电镀层为Au电镀层，其中，所述Cr溅射层的厚度为10~30nm，Au溅射层的厚度为50~150nm。
7.根据权利要求1所述的折叠槽天线的制作方法，其特征在于：所述步骤8）中金属层的材料为Au，厚度为1-5μm，厚度优选为3μm。
8.一种折叠槽天线结构，其特征在于：该天线结构包括
设有空腔（108）的衬底（101）；
位于该衬底上下表面的SiO2层（102）以及位于该SiO2层（102）上的SiN层（103）；
位于所述衬底上方SiN层（103）上的有机介电层（104）；
位于所述有机介电层（104）上图形化的种子层（106）；
以及位于所述图形化的种子层（106）上的图形化金属层（105）。
9.根据权利要求8所述的一种折叠槽天线结构，其特征在于：所述有机介电层（104）的厚度为10~30μm。
10.根据权利要求8所述的一种折叠槽天线结构，其特征在于：所述SiO2层（102）厚度为1-2μm，SiN层（103）的厚度为0.05-0.2μm。
11.根据权利要求8所述的一种折叠槽天线结构，其特征在于：所述图形化的种子层（106）和图形化金属层（105）的形状为“凸”字型。
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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 | ||
| 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: 20151028 |