CN107895830B - 基于tsv的有机介质腔矩形波导滤波器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于TSV的有机介质腔矩形波导滤波器，包括顶面金属层及底面金属层，顶面金属层及底面金属层沿纵向两侧分别连接有TSV侧壁金属层，构成一个纵向的立方体密封箱体，每侧的TSV侧壁金属层内表面沿纵向间隔安装有六个TSV虹膜，总共十二块TSV虹膜横向相对分成六组；在顶面金属层与两侧的半导体衬底、底面金属层与两侧的半导体衬底的交界处分别设置有SiO2材料的填充块。本发明还公开了该种基于TSV的有机介质腔矩形波导滤波器的制造方法。本发明的结构明显缩小了滤波器的面积，实现了滤波器的集成，同时也极大地提高了滤波器的频率，减小了电磁的损耗和泄露。

Description

基于TSV的有机介质腔矩形波导滤波器及其制造方法
技术领域
本发明属于电子器件技术领域，涉及一种基于TSV的有机介质腔矩形波导滤波器，本发明还涉及该种基于TSV的有机介质腔矩形波导滤波器的制造方法。
背景技术
随着对数据传输的需求和5G网络信号的不断发展，人们开始了对亚毫米波及频率为300GHz-3000GHz波的研究。亚毫米波的频率已经达到了太赫兹(以下称为THz波)，THz波具有瞬时性、宽带性、穿透性、低能性等特点，其在通信、天文观测、医学研究等众多军用和民用领域展现出了独特的优势，具有极大的发展前景。在研究THz波时，滤波器作为不可或缺的器件。由于THz波极高的频率使该频率下的滤波器必须很小，这对于滤波器的设计提出了新的挑战。
传统滤波器(如金属波导滤波器)虽然尺寸减小到微米量级，但是由于这种滤波器结构继承了金属波导的原有结构，并不能与主流集成电路的平面工艺兼容，不利于滤波器的系统集成。而基于基片集成波导(SIW)技术制作的SIW滤波器存在一定的电磁泄漏和尺寸问题，也无法满足THz波的要求。
由于硅通孔(TSV)技术已经逐渐发展成熟，能够完成微米量级高精度深槽刻蚀和金属填充等，并且可以采用再布线层(RDL)与其他平面工艺器件级联，为解决以上问题提供了新思路，因此，采用基于TSV技术来制作应用于THz领域的矩形波导滤波器，成为解决以上的问题的一个方向。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于TSV的有机介质腔矩形波导滤波器，解决了现有THz领域中，金属波导滤波器存在工艺不兼容，不利于滤波器的系统集成；而SIW滤波器存在一定的电磁泄漏和尺寸的问题。
本发明的另一目的是提供该种基于TSV的有机介质腔矩形波导滤波器的制造方法。
本发明所采用的技术方案是，一种基于TSV的有机介质腔矩形波导滤波器，包括顶面金属层及底面金属层，顶面金属层及底面金属层沿纵向两侧分别连接有TSV侧壁金属层，构成一个纵向的立方体密封箱体，每侧的TSV侧壁金属层内表面沿纵向间隔安装有六个TSV虹膜，总共十二块TSV虹膜横向相对分成六组；在顶面金属层与两侧的半导体衬底、底面金属层与两侧的半导体衬底的交界处分别设置有SiO2材料的填充块。
本发明所采用的另一技术方案是，一种基于TSV的有机介质腔矩形波导滤波器的制造方法，按照以下步骤实施：
步骤1：半导体衬底为高阻硅衬底，在半导体衬底上通过反应离子方式刻蚀盲孔；
步骤2：在盲孔内表面通过物理气相淀积法制备TSV组件，TSV组件包括两侧的TSV侧壁金属层和十二块TSV虹膜；
步骤3：在盲孔中未被TSV组件占的空间内填充满有机介质；
步骤4：在半导体衬底的最上面覆盖一层顶面金属层，顶面金属层的尺寸长宽与盲孔的一致，在半导体衬底底部空余的地方采用SiO2材料的填充块；
步骤5：在半导体衬底的底部减薄至所需厚度之后，进行化学机械抛光，直到半导体衬底与盲孔下表面平整后为止；
步骤6：在半导体衬底的最下面覆盖一层底面金属层，底面金属层的尺寸长宽与盲孔的一致，半导体衬底底部空余的地方采用SiO2材料的填充块。
本发明的有益效果是，采用TSV作为其侧壁金属层和谐振虹膜大大减小该滤波器的面积，使其摆脱传统因器件尺寸过大必须将其设计于PCB板上的情况，明显缩小了滤波器的面积，实现了滤波器的集成，同时也极大地提高了滤波器的频率，减小了电磁的损耗和泄露。
附图说明
图1是本发明的矩形波导滤波器的三维视图；
图2是本发明的矩形波导滤波器的纵截面图；
图3是本发明的矩形波导滤波器的横截面图；
图4是本发明方法中的步骤1纵截面图；
图5是本发明方法中的步骤1(开盲孔后)纵截面图；
图6是本发明方法中的步骤2纵截面图；
图7是本发明方法中的步骤3纵截面图；
图8是本发明方法中的步骤4纵截面图；
图9是本发明方法中的步骤5纵截面图。
图中，1.半导体衬底，2.TSV侧壁金属层，3.TSV虹膜，4.有机介质，5.顶面金属层，6.底面金属层，7.填充块，8.盲孔。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
参照图1和图2，本发明的结构是，包括顶面金属层5及底面金属层6，顶面金属层5及底面金属层6沿纵向两侧分别连接有TSV侧壁金属层2，构成一个纵向的立方体密封箱体，每侧的TSV侧壁金属层2内表面沿纵向间隔安装有六个TSV虹膜3，总共十二块TSV虹膜3横向相对分成六组；整个矩形波导滤波器镶嵌在高电阻率(电阻率为1000欧厘米)的半导体衬底1；在顶面金属层5与两侧的半导体衬底1、底面金属层6与两侧的半导体衬底1的交界处分别设置有SiO2材料的填充块7。
顶面金属层5和底面金属层6均采用RDL材料，顶面金属层5和底面金属层6与传统的滤波器一样作为滤波器的一部分用于传输电磁波。
TSV侧壁金属层2和TSV虹膜3均采用沟槽型TSV结构，两侧的TSV侧壁金属层2和十二块TSV虹膜3一起称为TSV组件；
参照图3，十二块TSV虹膜3与两个TSV侧壁金属层2的空间布局将谐振器内部分为五个腔体，所有腔体中均填充有机介质4，每个腔体的纵向间距不均等(即纵向相邻的TSV虹膜L1、L2、L3、L4、L5不相等)，同时六组TSV虹膜3的内端距离不均等(即横向相对的a1、a2、a3、a4、a5、a6不相等)，由于谐振器的存在使得电磁波在传输的过程中增加不断反射的频率和次数从而得到更大的截至频率，这样一来，极大的减少传输的高频电磁波的损耗，使低频电磁波更快的衰减，从而起到高效的高频滤波效果。
参照图2、图3，本发明矩形波导滤波器实施例的尺寸和布局如下：
两个TSV侧壁金属层2的厚度是5μm，高度是100μm；
十二块TSV虹膜3因为两个一组沿纵向左右对称分布，以右侧六个TSV虹膜3为例说明，按照图3中从上到下顺序分别称为第一至第六，
第一个TSV虹膜3的厚度是5μm，高度是100μm，长度45μm；
第二个TSV虹膜3的厚度是5μm，高度是100μm，长度55μm；
第三个TSV虹膜3的厚度是5μm，高度是100μm，长度65μm；
第四个TSV虹膜3的厚度是5μm，高度是100μm，长度65μm；
第五个TSV虹膜3的厚度是5μm，高度是100μm，长度55μm；
第六个TSV虹膜3的厚度是5μm，高度是100μm，长度45μm；
从上到下相邻TSV虹膜3的间距L1、L2、L3、L4、L5依次为125μm、145μm、146μm、145μm、125μm；从上到下左右两侧相对的TSV虹膜3的间距a1、a2、a3、a4、a5、a6依次为115μm、85μm、75μm、75μm、85μm、115μm。
本发明基于TSV矩形波导滤波器的制造方法，按照以下步骤实施：
步骤1：半导体衬底1见图4，半导体衬底1为高阻硅衬底，其高度为200μm，宽长为0.712×0.310㎜2；在半导体衬底1上通过反应离子的方式刻蚀盲孔8，盲孔8的高度为100μm，宽长为0.712×0.210㎜2，见图5；
步骤2：在盲孔8内表面通过物理气相淀积法制备TSV组件，见图6；
步骤3：在盲孔8中未被TSV组件占的空间内填充满有机介质4(材料选用SU-8或BCB绝缘体材料)，该有机介质4在后续的工艺中对以上的TSV组件起到保护以及对整个结构起到支撑作用，见图7。
步骤4：在半导体衬底1的最上面覆盖一层顶面金属层5，顶面金属层5的尺寸长宽与盲孔8的一致，均为210μm×710μm，在半导体衬底1底部空余的地方采用SiO2材料的填充块7；该作用是让顶面金属层5与TSV组件连通，该顶面金属层5用于与其他器件级联，见图8。
步骤5：在半导体衬底1的底部减薄至所需厚度之后，进行化学机械抛光，直到半导体衬底1与盲孔8下表面平整后为止，见图9；
步骤6：在半导体衬底1的最下面覆盖一层底面金属层6，底面金属层6的尺寸长宽与盲孔8的一致为210μm×710μm，半导体衬底1底部空余的地方采用SiO2材料的填充块7；该作用是让底面金属层6与TSV组件连通，该底面金属层6用于与其他器件级联，见图2。

Claims (1)

1.一种基于TSV的有机介质腔矩形波导滤波器的制造方法，依赖于一种基于TSV的有机介质腔矩形波导滤波器，结构是，包括顶面金属层(5)及底面金属层(6)，顶面金属层(5)及底面金属层(6)沿纵向两侧分别连接有TSV侧壁金属层(2)，构成一个纵向的立方体密封箱体，每侧的TSV侧壁金属层(2)内表面沿纵向间隔安装有六个TSV虹膜(3)，总共十二块TSV虹膜(3)横向相对分成六组；在顶面金属层(5)与两侧的半导体衬底(1)、底面金属层(6)与两侧的半导体衬底(1)的交界处分别设置有SiO2材料的填充块(7)；
所述的顶面金属层(5)和底面金属层(6)均采用RDL材料；
所述的TSV侧壁金属层(2)和TSV虹膜(3)均采用沟槽型TSV结构，两侧的TSV侧壁金属层(2)和十二块TSV虹膜(3)一起称为TSV组件；
所述的十二块TSV虹膜(3)与两个TSV侧壁金属层(2)的空间布局将谐振器内部分为五个腔体，所有腔体中均填充有机介质(4)，每个腔体的纵向间距不均等，同时六组TSV虹膜(3)的内端距离不均等，
利用上述的基于TSV的有机介质腔矩形波导滤波器，其特征在于，本方法按照以下步骤实施：
步骤1：半导体衬底(1)为高阻硅衬底，在半导体衬底(1)上通过反应离子方式刻蚀盲孔(8)；
步骤2：在盲孔(8)内表面通过物理气相淀积法制备TSV组件，TSV组件包括两侧的TSV侧壁金属层(2)和十二块TSV虹膜(3)；
步骤3：在盲孔(8)中未被TSV组件占的空间内填充满有机介质(4)，有机介质(4)选用SU-8或BCB绝缘体材料；
步骤4：在半导体衬底(1)的最上面覆盖一层顶面金属层(5)，顶面金属层(5)的尺寸长宽与盲孔(8)的一致，在半导体衬底(1)底部空余的地方采用SiO2材料的填充块(7)；
步骤5：在半导体衬底(1)的底部减薄至所需厚度之后，进行化学机械抛光，直到半导体衬底(1)与盲孔(8)下表面平整后为止；
步骤6：在半导体衬底(1)的最下面覆盖一层底面金属层(6)，底面金属层(6)的尺寸长宽与盲孔(8)的一致，半导体衬底(1)底部空余的地方采用SiO2材料的填充块(7)。
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