CN108963462A - 一种太赫兹波纹馈源喇叭制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太赫兹波纹馈源喇叭制造方法，将馈源喇叭难以加工的三维环形内腔齿槽微结构转化为易于电铸的二维平面叠片结构，叠片厚度为内腔齿宽或者槽宽。具体为：预先制作馈源喇叭所需的叠片，在叠片的至少一侧设置粘附层，之后将叠片进行堆叠，堆叠时将内径最小的叠片在装配基座最底层，堆叠后为一喇叭状结构，将堆叠成喇叭状的叠片进行真空热压键合成型，形成太赫兹波纹馈源喇叭。本发明解决了传统技术制作高频波纹馈源喇叭内波纹微细结构加工难的问题。

Description

一种太赫兹波纹馈源喇叭制造方法

技术领域

本发明涉及精密与超精密器件加工技术领域，具体涉及一种基于LIGA—精密装配技术的太赫兹波纹馈源喇叭制造方法。

背景技术

太赫兹(THz)是指频率介于0.1THz～10THz的电磁波，属于远红外波段，具有大带宽、高分辨率和穿透性强等技术优势。卫星通过搭载高性能THz探测仪来实现对大气、海洋和空间环境等要素的精准探测，在探测仪天馈系统中，馈源喇叭作为一种高增益聚集天线辐射器，位于天馈系统中反射面天线与接收机之间，是探测系统的一个关键部件，其结构形式、结构参数及加工精度直接影响系统性能的好坏。波纹馈源喇叭辐射出的波束具备方向图圆周对称、旁瓣低、交叉极化低等特点，目前，在高性能探测仪中广泛采用波纹型馈源喇叭作为面天线馈源，用以改善面天线的效率和交叉极化分量。

馈源喇叭尺寸是与波长相比拟的，工作频率升高，波长变短，所设计的喇叭尺寸变小；同时，高频馈源喇叭要求具有更高的尺寸精度及表面粗糙度，以保证馈源信号的低损耗传输。为了获得高频段毫米波、亚毫米波及太赫兹波纹馈源喇叭，人们提出了很多制作工艺方法，大致可概括为三大类：数铣加工法，叠片焊接法、芯模电铸法。

数铣加工法适用于喇叭内腔可用空间较大的低频段波纹喇叭，对于小尺寸喇叭，由于喇叭槽子深，加工时，刀杆长度在垂直和水平方向上的尺寸都很大，直接影响槽子的可成形深度及其尺寸、形状和表面精度，所以，此工艺只限于分米波、厘米波中结构尺寸大的波纹喇叭的制作。此外，在空间探测仪上使用的馈源喇叭，反复承受空间恶劣环境的高低温冲击，而馈源喇叭的壁很薄，数铣机械加工的馈源喇叭又存在内应力和刀痕等缺陷，存在质量隐患。叠片焊接法的主要问题是焊接变形和焊缝致密质量难以控制，由于喇叭内部焊缝质量检查和焊剂的清除十分困难，内部尺寸无法修整。芯模电铸法由于具有高重复精度，在制备毫米波及低频段的亚毫米波时具有独特的优势，但随着馈源喇叭频率上升到更高频段的太赫兹时，芯模电铸法受到限制，最主要的问题在于高质量芯模的制备，芯模的结构是喇叭内尺寸的复制，当频率扩展至太赫兹时，其几何特征已经达到常规毫米级宏观尺度精密机加工的极限，而喇叭的精度通常要求为几个微米，机加工制作芯模几乎成为不可能。此外，还存在电铸时因电场分布不均而造成馈源喇叭结构脆弱及尺寸过小导致装夹困难等问题。

波纹馈源喇叭随着频率升高，其几何特征更小、精度要求更高，亚毫米波、THz频段的馈源喇叭，进入微纳加工范畴，无法直接采用机加工或芯模电铸方式制作。在此背景下，基于MEMS工艺的离散叠层技术成为太赫兹馈源喇叭制作的新思路。与传统的机、电加工方法比，这种技术的优势主要表现在：一方面，MEMS加工精度高，可满足THz功能器件对尺寸精度、位置精度和低粗糙度等多方面的要求；另一方面，采用微加工工艺在一片晶圆上可批量制造系列高一致性功能器件，可大幅降低阵列天线的生产成本，实现批量生产。

发明内容

本发明的目的在于提供一种太赫兹波纹馈源喇叭制造方法，以解决传统技术制作高频波纹馈源喇叭内波纹微细结构加工难的问题。

本发明的第二目的在于提供一种太赫兹波纹馈源喇叭制造方法，以解决传统技术制作高频波纹馈源喇叭内波纹微细结构加工精度低的问题。

本发明的第三目的在于提供一种太赫兹波纹馈源喇叭制造方法，以解决传统技术制作高频波纹馈源喇叭内表面镀金难度大的问题。

为实现上述目的，本发明提出的一种太赫兹波纹馈源喇叭制造方法，至少包括以下步骤：

a.制作多个内径不同的叠片；

b.在叠片的至少一侧设置粘附层；

c.将叠片进行堆叠，形成一喇叭结构；

d.将堆叠成喇叭状的叠片进行真空热压键合成型，形成太赫兹波纹馈源喇叭。

在一些实施例中，步骤a具体包括：在一晶圆上光刻制作馈源喇叭所需的叠片掩膜，在掩膜中电镀形成叠片晶圆，将带有晶圆的叠片在相应的溶剂中清洗，使叠片从晶圆上分离。

在一些实施例中，所述叠片为铜、镍、银铜合金或其他具备高导电性能的合金。

在一些实施例中，所述叠片为环形结构，所述叠片上设置有至少两个定位孔。

在一些实施例中，所述叠片包括齿叠片和槽叠片。

在一些实施例中，对每个叠片进行编号，以备后续堆叠操作。

在一些实施例中，步骤b具体包括：在叠片表面进行化学镀，获得复合金属薄膜，提供喇叭Au‐Au热压键合及电磁信号传输所需的膜系。

在一些实施例中，在所述金属层上依次镀有Pd层，厚度0.5～1.5μm，以及金层，厚度0.25～2.5μm。

在一些实施例中，步骤c具体包括：堆叠操作在一预制有定位针的装配基座上进行，定位针数量和尺寸与叠片定位孔相匹配，装配时使叠片定位孔圆心与定位针轴心重合。

在一些实施例中，装配时将齿叠片、槽叠片按编号次序依次交替堆叠，装配时内径最小叠片在装配基座最底层。

在一些实施例中，环形结构的内径小于装配基座侧的环形结构的外径。

在一些实施例中，步骤d中采用梯度压力、梯度温度多次键合

通过采用上述技术方案，使其与现有技术相比具有以下有益效果：

(1)本发明提出的一种太赫兹波纹馈源喇叭制造方法，相对于传统的机加工或芯模电铸方法，该方法将馈源喇叭难以加工的三维环形内腔齿槽微结构转化为的易于电铸的二维平面叠片结果，从根本上解决了太赫兹馈源喇叭制造的技术难题。

(2)该方法通过采用多个叠片堆叠的方式制成喇叭结构，其内腔中的齿槽结构可通过制作的叠片厚度控制，即叠片的厚度即为馈源喇叭的齿宽或槽宽，齿宽或槽宽直接由加工工艺决定，光刻掩膜厚度和电铸金属的厚度可调可控，很容易实现太赫兹频段内亚微米级到几百微米级喇叭特征结构的高精度加工。

(3)该方法中叠片表面复合金属薄膜处理，不仅可消除叠片的微间隙，而且可解决内腔微结构表面难以镀金的问题。

(4)本方法与现有波纹馈源喇叭制造工艺相比，该方法可以实现任意频率太赫兹波纹馈源喇叭批量制造，并能极大地提高馈源喇叭的尺寸精度，有效提高传输信号的可靠性。

(5)本方法在装配时采用三针定位精密装配技术，实现高层数高精度叠片装配，保证喇叭形/性精准制造。

附图说明

图1是本发明一个实施例中的太赫兹波纹馈源喇叭制造方法的流程示意图；

图2是本发明太赫兹波纹馈源喇叭内腔齿槽结构示意图；

图3是本发明叠片的俯视结构示意图；

图4是本发明叠片掩膜俯视结构示意图；

图5a是在硅基晶圆上涂覆光刻胶后的剖视结构图；

图5b是在光刻胶上溅射种子层后的剖视结构图；

图5c是在种子层上涂覆光刻胶并曝光显影后的剖视结构图；

图5d是在曝光显影后电铸铜后的剖视结构图；

图5e是通过溶液洗去光刻胶后的剖视结构图；

图5f是通过溶液洗去种子层和后的剖视结构图；

图6是叠片表面复合金属薄膜剖视结构图。

标号说明：

201-齿，202-槽，301-叠片，302-定位孔，303-喇叭内径，

401-硅基晶圆，402-SU-8胶，501-正性光刻胶，502-钛，503-电铸铜层，

601-镍层，602-钯层603-金层。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本实施例所要制作的馈源喇叭内腔结构如图2所示，其内腔为齿槽结构，齿201的宽为0.025mm，槽202的宽为0.014mm，输入直径D_in0.236mm、输入直径D_in0.954mm，齿数60，本方案是将馈源喇叭三维结构拆分为叠片，叠片结构示意图如图3所示，叠片301包括齿叠片和槽叠片，齿叠片厚度即为齿宽0.014mm，槽叠片厚度即为槽宽0.025mm，各叠片外径均为1cm，叠片内径为对应位置喇叭内径303，叠片的数量为齿、槽数量相加为120。

具体操作包括以下步骤：

步骤a，叠片制备步骤，请参阅图4和图5a-图5f，首先根据各叠片结构，选择4英寸硅基晶圆401作为掩膜衬底，衬底上涂覆2μm左右厚度的正性光刻胶501作为牺牲层，涂覆后的侧面剖视图如图5a所述，在正性光刻胶501的表面溅射1000厚度的钛502作为种子层，溅射后的结构如5b所示，每片晶圆上排布44片叠片，利用软光刻技术制作得到各叠片的掩膜，光刻技术具体包括采用SU-8胶402涂胶、预烘、曝光、后烘、显影。然后在各叠片的掩膜上进行精密电铸铜层503，将光刻掩膜作为电铸阴极放于电铸设备指定位置，调整电铸工艺参数为电流40～60mA，电压0.10～0.13V，精密电铸42小时后得到合适厚度的叠片。电铸完成后使用真空吸盘吸取硅基晶圆401，采用SU-8去胶液去除SU-8光刻胶，再采用稀的氢氟酸溶液去除种子层钛，最后采用正胶去胶液去除正性光刻胶501，最终使叠片301与硅基晶圆401剥离，使用磁性夹盘吸取各叠片，清洗并干燥后放入指定位置。

进一步的，上述中的44个叠片的整体呈环形结构，其中包括多种内径大小不同的多种规格，并按照内径从小到大的顺序标记不同的编号；为防止制作出现不合格叠片影响装配，也可制作若干相同规格的叠片301，相同规格的叠片标记相同的编号。

在叠片301上均匀安排三个定位孔302，孔径为1mm，定位孔302中心距叠片外沿1mm，即设置在靠近外边缘的位置。

步骤b，在叠片301的至少一侧采用化学镀的方法在叠片表面镀有镍层601，在镍层601的表面镀有钯层602，在钯层602的表面镀金层603，具体操作主要包括酸洗、活化、化学镀镍、化学镀钯、化学镀金，其中镍层601的厚度为2μm～3μm，钯层602的厚度为0.5～1.5μm，金层603的厚度约2.1μm。

步骤c，将叠片301进行堆叠，使内腔形成一喇叭结构；该步骤为叠片的精密装配步骤，在预制有三根定位针的装配基座上进行，定位针的大小和位置与叠片上的定位孔302一一匹配对应，每个定位针穿过叠片上的定位孔302，得以将叠片301固定在装配基座上；将复合金属薄膜处理过的叠片按编号顺序依次堆叠，其中内径最小的叠片设置在最下层，然后根据叠片内径依次增大的顺序将叠片依次堆叠，通过定位针和叠片的三个定位孔进行三针定位，保证装配的叠片位置精度。

步骤d，将堆叠成喇叭状的叠片进行真空热压键合成型，形成太赫兹波纹馈源喇叭；叠片键合步骤，利用真空热压工艺，使叠片表面的金膜层键合，从而将各叠片连接成为馈源喇叭整体。

步骤e，堆叠后的叠片内部腔体成喇叭状，且内部为齿槽交替结构，可根据具体需要，将叠片外层多余的边缘结构裁切掉，形成完整的太赫兹波纹馈源喇叭。

本方案将馈源喇叭难以加工的三维环形内腔齿槽微结构转化为易于电铸的二维平面叠片结构，叠片厚度为内腔齿宽或者槽宽。使用LIGA工艺(精密装配技术)制作得到各叠片，叠片厚度即馈源喇叭的齿宽或槽宽，直接由LIGA工艺决定，电铸掩膜厚度可调可控，很容易实现亚微米级到几百微米级喇叭特征结构的高精度加工；再对叠片表面进行成膜处理，制作出可供Au‐Au金键合的复合金属薄膜，叠片复合金属薄膜处理不仅可消除叠片的微间隙，而且可解决喇叭内腔微结构表面难以镀金的问题；接着采用三针定位精密装配技术，实现高层数高精度的叠片堆栈；最后利用Au‐Au真空热压键合技术，完成叠片间的键合，制作出太赫兹波纹馈源喇叭。本发明解决了太赫兹波纹馈源喇叭难以加工及加工精度低的问题，将馈源喇叭难以加工的三维环形内腔齿槽微结构转化为易于电铸的二维平面叠片结构，运用LIGA技术电铸叠片，可实现对喇叭内腔齿槽结构的高精度加工，三针定位精密装配技术实现高层数高精度叠片装配，保证喇叭形/性精准制造。

以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。

Claims (12)

1.一种太赫兹波纹馈源喇叭制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.制作多个内径不同的叠片；

b.在叠片的至少一侧设置粘附层；

c.将叠片进行堆叠，形成一喇叭结构；

d.将堆叠成喇叭状的叠片进行真空热压键合成型，形成太赫兹波纹馈源喇叭。

2.根据权利要求1所述的一种太赫兹波纹馈源喇叭制造方法，其特征在于，步骤a具体包括：在一晶圆上光刻制作馈源喇叭所需的叠片掩膜，在掩膜中电镀形成叠片晶圆，将带有晶圆的叠片在相应的溶剂中清洗，使叠片从晶圆上分离。

3.根据权利要求1或2所述的一种太赫兹波纹馈源喇叭制造方法，其特征在于，所述叠片为铜、镍、银铜合金或其他具备高导电性能的合金。

4.根据权利要求1所述的一种太赫兹波纹馈源喇叭制造方法，其特征在于，所述叠片为环形结构，所述叠片上设置有至少两个定位孔。

5.根据权利要求1所述的一种太赫兹波纹馈源喇叭制造方法，其特征在于，所述叠片包括齿叠片和槽叠片。

6.根据权利要求5所述的一种太赫兹波纹馈源喇叭制造方法，其特征在于，对每个叠片进行编号，以备后续堆叠操作。

7.根据权利要求1所述的一种太赫兹波纹馈源喇叭制造方法，其特征在于，步骤b具体包括：在叠片表面进行化学镀，获得复合金属薄膜，提供喇叭Au‐Au热压键合及电磁信号传输所需的膜系。

8.根据权利要求7所述的一种太赫兹波纹馈源喇叭制造方法，其特征在于，在所述金属层上依次镀有Pd层，厚度0.5～1.5μm，以及金层，厚度0.25～2.5μm。

9.根据权利要求1所述的一种太赫兹波纹馈源喇叭制造方法，其特征在于，步骤c具体包括：堆叠操作在一预制有定位针的装配基座上进行，定位针数量和尺寸与叠片定位孔相匹配，装配时使叠片定位孔圆心与定位针轴心重合。

10.根据权利要求9所述的一种太赫兹波纹馈源喇叭制造方法，其特征在于，装配时将齿叠片、槽叠片按编号次序依次交替堆叠，装配时内径最小叠片在装配基座最底层。

11.根据权利要求10所述的一种太赫兹波纹馈源喇叭制造方法，其特征在于，环形结构的内径小于装配基座侧的环形结构的外径。

12.根据权利要求1所述的一种太赫兹波纹馈源喇叭制造方法，其特征在于，步骤d中采用梯度压力、梯度温度多次键合。