CN109950230B - 一种基于同轴硅通孔的可配置三维微波滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于同轴硅通孔的可配置三维微波滤波器，自上而下依次包括接地层、第一互连层、硅通孔电容层以及第二互连层，其中，第一互连层上设置有多个第一连接件，所述第二互连层上设置有多个第二连接件；所述接地层包括地引出端，所述地引出端可选地接地；所述硅通孔电容层包括衬底和穿透所述衬底的多个硅通孔结构；所述多个硅通孔结构通过所述多个第一连接件和所述多个第二连接件依次首尾连接，形成一立体螺旋电感器。该可配置三维滤波器结构紧凑、利用效率高、占用芯片面积低；一体化集成、避免引入额外的损耗；互连线短、寄生参数及片外耦合小。

Description

一种基于同轴硅通孔的可配置三维微波滤波器

技术领域

本发明属于无源电子器件技术领域，具体涉及一种基于同轴硅通孔的可配置三维微波滤波器。

背景技术

微波系统实现能够实现微波信号的限幅、滤波和衰减/放大处理，广泛应用于各种智能武器、电子战、相控阵雷达、毫米波成像、移动通信等军用探测及通讯领域。微波滤波器作为微波系统中的关键选频单元，是用来分离不同频率微波信号的一种器件，其主要作用是抑制不需要的信号，使其不能通过，只让需要的信号通过微波滤波器，其具有多方面的发展需求：微型化，尽可能地减小微波滤波器的尺寸，尽可能方便灵活地与其它微波模块进行对接和集成，促进微波系统整机的微型化和便携性；多功能化，尽可能满足多频段、多种选频方式的应用需求，扩展微波系统的覆盖频段和功能兼容。

然而，现有的微波滤波器尺寸均为厘米量级，集成密度不高；且现有的无源集成滤波器模块需要使用微机械开关或者需要外置可变电容器，功能扩展受限。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于同轴硅通孔的可配置三维微波滤波器。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本发明提供了一种基于同轴硅通孔的可配置三维微波滤波器，其特征在于，自上而下依次包括接地层、第一互连层、硅通孔电容层以及第二互连层，其中，

第一互连层上设置有多个第一连接件，所述第二互连层上设置有多个第二连接件；

所述接地层包括地引出端，所述地引出端可选地接地；

所述硅通孔电容层包括衬底和穿透所述衬底的多个硅通孔结构；

所述多个硅通孔结构通过所述多个第一连接件和所述多个第二连接件依次首尾连接，形成一立体螺旋电感器。

在本发明的一个实施例中，所述第一互连层上还设置有输入件和输出件，所述输入件连接至所述立体螺旋电感器的输入端，所述输出件连接至所述立体螺旋电感器的输出端。

在本发明的一个实施例中，每个所述硅通孔结构沿轴向方向从外向内依次包括隔离介质环、外层金属环、电容介质环和内层金属柱。

在本发明的一个实施例中，所述多个第一连接件平行设置，分别连接相应所述硅通孔结构的外层金属环的上端；所述多个第二连接件平行设置，分别连接相应所述硅通孔结构的外层金属环的下端，以形成所述立体螺旋电感器。

在本发明的一个实施例中，所述硅通孔结构的直径为25-30μm。

在本发明的一个实施例中，所述地引出端包括相互平行的第一电容接地极板和第二电容接地极板，其中，

所述第一电容接地极板包括至少一个第一伸出部，一个所述第一伸出部与一个所述硅通孔结构的内层金属柱接触；

所述第二电容接地极板包括至少一个第二伸出部，一个所述第二伸出部与一个所述硅通孔结构的内层金属柱接触。

在本发明的一个实施例中，多个所述硅通孔结构排列成2*N的硅通孔结构阵列，包括第一列硅通孔结构和第二列硅通孔结构，其中，N≥2。

在本发明的一个实施例中，所述第一电容接地极板包括多个第一伸出部，所述多个第一伸出部分别连接至所述第一列硅通孔结构中的不同硅通孔结构的内层金属柱；所述第二电容接地极板包括多个第二伸出部，所述多个第二伸出部连接至所述第二列硅通孔结构中的不同硅通孔结构的内层金属柱。

在本发明的一个实施例中，所述接地层与第一互连层之间设置有第一隔离介质层。

在本发明的一个实施例中，所述第一互连层与硅通孔电容层之间设置有第二隔离介质层，所述硅通孔电容层与所述第二互连层之间设置有第三隔离介质层。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明的可配置三维滤波器采用同轴硅通孔阵列及上下金属层构成三维螺旋电感器，采用同轴硅通孔构成三维电容器，使用所述螺旋电感器和电容器的组合构成三维微波滤波器。

2、该可配置三维滤波器结构紧凑、利用效率高、占用芯片面积低。

3、该可配置三维滤波器一体化集成、避免引入额外的损耗；互连线短、寄生参数及片外耦合小；设计灵活、方便，可采用兼容CMOS工艺加工，工艺成本低、精度高，加工一致性好。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种基于同轴硅通孔的可配置三维滤波器的立体透视图；

图2是图1中的可配置三维滤波器沿A-A线的截面图；

图3是本发明实施例提供的一种接地层的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的一种第一隔离介质层的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的一种第一互连层的结构示意图；

图6是本发明实施例提供的一种第二隔离介质层的结构示意图；

图7是本发明实施例提供的一种硅通孔电容层的结构示意图；

图8是图7中的硅通孔电容层的局部放大图；

图9是本发明实施例提供的一种第三隔离介质层的结构示意图；

图10是本发明实施例提供的一种第二互连层的结构示意图；

图11是本发明实施例提供的另一种基于同轴硅通孔的可配置三维滤波器的立体透视图；

图12是本发明实施例提供的又一种基于同轴硅通孔的可配置三维滤波器的立体透视图；

图13是本发明实施例提供的一种基于同轴硅通孔的可配置三维滤波器的等效电路图；

图14是本发明实施例提供的一种可配置三维滤波器的带宽配置曲线图。

附图标记如下：

1-接地层；11-地引出端；111-第一电容接地极板；1111-第一伸出部；112-第二电容接地极板；1121-第二伸出部；2-第一互连层；21-第一连接件；22-输入件；23-输出件；3-硅通孔电容层；31-衬底；4-第二互连层；41-第二连接件；5-立体螺旋电感器；6-硅通孔结构；61-隔离介质环；62-外层金属环；63-电容介质环；64-内层金属柱；7-第一隔离介质层；8-第二隔离介质层；9-第三隔离介质层。

具体实施方式

为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施方式，对依据本发明提出的基于同轴硅通孔的可配置三维滤波器进行详细说明。

有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合附图的具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明，可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地了解，然而所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明的技术方案加以限制。

应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

实施例一

请参见图1和图2，图1是本发明实施例提供的一种基于同轴硅通孔的可配置三维滤波器的立体透视图，图2是图1中的可配置三维滤波器沿A-A线的截面图。该可配置三维微波滤波器自上而下依次包括接地层1、第一互连层2、硅通孔电容层3以及第二互连层4。硅通孔电容层3包括衬底31和穿透衬底31的多个硅通孔结构6。

第一互连层2上设置有平行设置且贯穿第一互连层2上下表面的多个第一连接件21，所述多个第一连接件21实现相应硅通孔结构6之间的顶端互连；第二互连层4上设置有平行设置且贯穿第二互连层4上下表面的多个第二连接件41，多个第二连接件41相应硅通孔结构6之间的顶端互连。第一连接件21和第二连接件41均由金属铜或铝形成，而第一互连层2和第二互连层4中的其他部分均由高阻硅形成。

具体地，第一连接件21的制备方法如下：在硅通孔电容层3的上表面生长一层介质层，其厚度与即将生长的第一连接件21的厚度相同；在将要生长第一连接件21的地方进行刻蚀处理，形成上下连通的刻槽；使用液态金属涂满介质层的整个表面，随后进行表面抛光，仅留下刻槽中的金属，最终形成第一连接件21，此时金属和介质充满整层空间没有介质。第二连接件41制备在硅通孔电容层3的下表面，其制备过程与第一连接件21相同，这里不再赘述。所述多个硅通孔结构6、所述多个第一连接件21、所述多个第二连接件41依次首尾连接，形成一立体螺旋电感器5。

进一步地，请参见图5，第一互连层2上除了设置有多个第二连接件41，还设置有输入件22和输出件23，输入件22和输出件23分别设置在第一互连层2的相对两侧，并且输入件22连接至立体螺旋电感器5的输入端，用作该可配置三维滤波器的输入端口，输出件23连接至立体螺旋电感器5的输出端，用作该可配置三维滤波器的输出端口。在本实施例中，输入件22和输出件23通过与第一连接件21相同的制备方式进行刻蚀填充。

第一互连层2和第二互连层4的厚度可以为2-4μm。本实施例中优选的是3um，是考虑工艺成本、使用可靠性和金属互连线的高频信号传输特性等的最优选择。

请参见图3，图3是本发明实施例提供的一种接地层的结构示意图。接地层1包括地引出端11，地引出端11可选地接地，作为该可配置三维滤波器的地端。进一步地，本实施例的地引出端11包括相互平行的第一电容接地极板111和第二电容接地极板112，其中，第一电容接地极板111连接至立体螺旋电感器5中的一个硅通孔结构6，第二电容接地极板112连接立体螺旋电感器5中的另一个硅通孔结构6。

值得注意的是，通过将第一电容接地极板111和第二电容接地极板112连接至不同的硅通孔结构6，可以增大或减小所接入的电容值。

此外，在本实施例中，请参见图1和图4，其中，图4是本发明实施例提供的一种第一隔离介质层的结构示意图。接地层1与第一互连层2之间设置有第一隔离介质层7。第一隔离介质层7的材料为二氧化硅或氮化硅或氮氧化层，其作用为实现接地层1与第一互连层2之间的电学隔离。第一隔离介质层7上开设有多个通孔，所述多个通孔的位置对应所述多个硅通孔结构6的位置，用于使所述硅通孔结构6穿过。

进一步地，请参见图7和图8，图7是本发明实施例提供的一种硅通孔电容层的结构示意图，图8是图7中的硅通孔电容层的局部放大图。每个硅通孔结构6沿轴向方向从外向内依次包括隔离介质环61、外层金属环62、电容介质环63和内层金属柱64，其中，隔离介质环61的厚度可以为0.1-0.4um、外层金属环62的厚度可以为1-2um、电容介质环63的厚度可以为0.1-0.4um、内层金属柱64的厚度可以为15-30um。每个硅通孔结构6通过隔离介质环61、外层金属环62、电容介质环63和内层金属柱64的四层结构，形成一个硅通孔电容器。

具体地，隔离介质环61的材料为二氧化硅或氮化硅或氮氧化层，其作用为实现外层金属环61与衬底31之间的电学隔离；外层金属环62的材料为铜或铝，其作用为所述同轴硅通孔电容器3的外极板；电容介质环63的材料为二氧化铪或其它高介电常数材料，其作用为形成所述同轴硅通孔电容器3的绝缘介质；内层金属柱64的材料为铜或铝，其作用为所述同轴硅通孔电容器3的内极板。进一步地，多个硅通孔结构6平行设置，形成2*N的硅通孔阵列，其中N≥2，相邻硅通孔结构6之间的间距为25-30μm，硅通孔结构6的直径为25-30μm，两列硅通孔结构6之间的间距为50～250um。在本实施例中，多个硅通孔结构6形成2*5的硅通孔阵列，相邻硅通孔结构6之间的间距为26.2μm，硅通孔结构6的直径为26.2μm，两列硅通孔结构6之间的间距为150um。

进一步地，请参见图5和图10，多个第一连接件21平行设置，分别连接相应硅通孔结构6的外层金属环62的上端；多个第二连接件41平行设置，分别连接相应硅通孔结构6的外层金属环62的下端，以形成立体螺旋电感器5。

以图1中的2*5的硅通孔阵列为例，该三维滤波器共包括四个第一连接件21和五个第二连接件41，如图所示，第一列硅通孔阵列中第一个硅通孔结构的外层金属环下端通过一个第二连接件连接至第二列硅通孔阵列中第一个硅通孔结构的外层金属环下端，第二列硅通孔阵列中的所述第一个硅通孔结构的外层金属环上端通过一个第一连接件连接至第一列中第二个硅通孔结构的外层金属环上端，第一列中所述第二个硅通孔结构的外层金属环下端通过一个第二连接件连接至第二列中第二个硅通孔结构的外层金属环下端，随后第二列中第二个硅通孔结构的外层金属环上端通过一个第一连接件连接至第一列中第三个硅通孔结构的外层金属环上端，以此类推，已将两列中的所有的硅通孔结构依次连接，形成一个螺旋结构。

进一步地，地引出端11包括相互平行的第一电容接地极板111和第二电容接地极板112，其中，第一电容接地极板111包括至少一个第一伸出部1111，一个第一伸出部1111与一个硅通孔结构6的内层金属柱64接触；第二电容接地极板112包括至少一个第二伸出部1121，一个第二伸出部1121与一个硅通孔结构6的内层金属柱64接触。

值得注意的是，可以调节第一伸出部1111和第二伸出部1121的数目和连接位置来增大或减小所接入的电容值。如图1所述，第一电容接地极板111包括一个第一伸出部1111，该第一伸出部1111与第一列的第一个硅通孔结构6的内层金属柱64接触；第二电容接地极板112包括一个第二伸出部1121，该第二伸出部1121与第二列中的最后一个硅通孔结构6的内层金属柱64接触，此时，在该滤波器中共接入了由第一个硅通孔结构6和第二列中的最后一个硅通孔结构6形成的两个硅通孔电容器。

进一步地，请参见图6，图6是本发明实施例提供的一种第二隔离介质层的结构示意图。第一互连层2与硅通孔电容层3之间设置有第二隔离介质层8，第二隔离介质层8的材料为二氧化硅或氮化硅或氮氧化层，其作用为第一互连层2与硅通孔电容层3之间的电学隔离。第二隔离介质层8上开设有多个通孔，所述多个通孔的位置对应所述多个硅通孔结构6的位置，用于使所述硅通孔结构6穿过。

类似地，请参见图8，图8是本发明实施例提供的一种第二隔离介质层的结构示意图。硅通孔电容层3与第二互连层4之间设置有第三隔离介质层9，第三隔离介质层9的材料为二氧化硅或氮化硅或氮氧化层，其作用为第一互连层2与硅通孔电容层3之间的电学隔离。第二隔离介质层8上开设有多个通孔，所述多个通孔的位置对应所述多个硅通孔结构6的位置，用于使所述硅通孔结构6穿过。

请参见图13，图13是本发明实施例提供的一种基于同轴硅通孔的可配置三维滤波器的等效电路图。具体地，当电流从该可配置三维滤波器的输入件22处流入，从输入件23处流出时，电流在输入件22与第一伸出部1111之间形成第一电感(等效为L1)，在第一伸出部1111与第二伸出部1121之间的硅通孔结构6中形成立体螺旋第二电感(等效为L2)，在第二伸出部1121与输出件23之间形成第三电感(等效为L3)；同时，如上所述，在本实施例中共接入了两个硅通孔电容器，分别等效于图13中的C1和C2，从而使得该三维滤波器形成电感器和电容器的三维集成滤波器，结构紧凑、利用效率高、占用芯片面积低。

该可配置三维滤波器采用同轴硅通孔阵列及上下金属层构成三维螺旋电感器，采用同轴硅通孔构成三维电容器，使用所述螺旋电感器和电容器的组合构成三维微波滤波器。

实施例二

在上述实施例的基础上，本实施例给出了地引出端11的其他结构和连接方式，请参见图11，图11是本发明实施例提供的另一种基于同轴硅通孔的可配置三维滤波器的立体透视图。在本实施例中，第一电容接地极板111包括一个第一伸出部1111，该第一伸出部1111与第一列的第二个硅通孔结构6的内层金属柱64接触；第二电容接地极板112包括一个第二伸出部1121，该第二伸出部1121与第二列中的倒数第二个硅通孔结构6的内层金属柱64接触，此时，在该滤波器中共接入了由第一个硅通孔结构6和第二列中的最后一个硅通孔结构6形成的两个硅通孔电容器。

请参见图12，图12是本发明实施例提供的又一种基于同轴硅通孔的可配置三维滤波器的立体透视图。在该实施例中，第一电容接地极板111包括两个第一伸出部1111，所述两个第一伸出部1111分别与第一列的第一个和最后一个硅通孔结构6的内层金属柱64接触；第二电容接地极板112包括两个第二伸出部1121，该第二伸出部1121与第二列中的第一个和倒数第一个硅通孔结构6的内层金属柱64接触，此时，在该滤波器中共接入了四个硅通孔电容器。

由此，本实施例的可配置三维滤波器顶部第一金属层构成同轴硅通孔电容器中心极板的接地线，根据滤波器的结构和配置，每个电容器都可以选择是否引出接地线；当引出连接线时，该电容器的中心极板(即内层金属柱)接地，外极板接在信号通路上；没有引出连接线时，该电容器的中心极板悬空，外极板接在信号通路上，该电容器只起互连作用，从而可以配置该三维滤波器的电容量。

请参见图14，图14是本发明实施例提供的一种可配置三维滤波器的带宽配置曲线图。如图所示，通过改变硅通孔结构的内层金属层与接地层的连接关系，即可增加或减小所接入的电容值。该实例中，在初始条件下(对应图中实线)，该同轴硅通孔阵列中头尾各有两个同轴硅通孔电容器的中心极板有接地引线时(参见图13)，即该滤波器共接入4个硅通孔电容，该滤波器的-3dB带宽设于5GHz处；当头尾各减小一个接地端(参见图1)，即该滤波器共接入2个硅通孔电容，滤波器的-3dB带宽将相应增加0.5GHz(对应图中-ΔC虚线)；当头尾各增加一个接地端，即该滤波器共接入6个硅通孔电容，滤波器的-3dB带宽将相应减小0.5GHz(对应图中+ΔC虚线)；由上可知，通过增加或减小所接入的电容值，即可实现带宽的配置。

该可配置三维滤波器一体化集成、避免引入额外的损耗；互连线短、寄生参数及片外耦合小；设计灵活、方便，可采用兼容CMOS工艺加工，工艺成本低、精度高，加工一致性好。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于同轴硅通孔的可配置三维微波滤波器，其特征在于，自上而下依次包括接地层(1)、第一互连层(2)、硅通孔电容层(3)以及第二互连层(4)，其中，

第一互连层(2)上设置有多个第一连接件(21)，所述第二互连层(4)上设置有多个第二连接件(41)；

所述接地层(1)包括地引出端(11)，所述地引出端(11)作为所述可配置三维微波滤波器的地端；

所述硅通孔电容层(3)包括衬底(31)和穿透所述衬底(31)的多个硅通孔结构(6)；

所述多个硅通孔结构(6)通过所述多个第一连接件(21)和所述多个第二连接件(41)依次首尾连接，形成一立体螺旋电感器(5)；

每个所述硅通孔结构(6)沿轴向方向从外向内依次包括隔离介质环(61)、外层金属环(62)、电容介质环(63)和内层金属柱(64)；

所述地引出端(11)包括相互平行的第一电容接地极板(111)和第二电容接地极板(112)，其中，

所述第一电容接地极板(111)包括至少一个第一伸出部(1111)，一个所述第一伸出部(1111)与一个所述硅通孔结构(6)的内层金属柱(64)接触；

所述第二电容接地极板(112)包括至少一个第二伸出部(1112)，一个所述第二伸出部(1112)与一个所述硅通孔结构(6)的内层金属柱(64)接触。

2.根据权利要求1所述的可配置三维微波滤波器，其特征在于，所述第一互连层(2)上还设置有输入件(22)和输出件(23)，所述输入件(22)连接至所述立体螺旋电感器(5)的输入端，所述输出件(23)连接至所述立体螺旋电感器(5)的输出端。

3.根据权利要求1所述的可配置三维微波滤波器，其特征在于，所述多个第一连接件(21)平行设置，分别连接相应所述硅通孔结构(6)的外层金属环(62)的上端；所述多个第二连接件(41)平行设置，分别连接相应所述硅通孔结构(6)的外层金属环(62)的下端，以形成所述立体螺旋电感器(5)。

4.根据权利要求1所述的可配置三维微波滤波器，其特征在于，所述硅通孔结构(6)的直径为25-30μm。

5.根据权利要求1所述的可配置三维微波滤波器，其特征在于，多个所述硅通孔结构(6)排列成2*N的硅通孔结构阵列，包括第一列硅通孔结构和第二列硅通孔结构，其中，N≥2。

6.根据权利要求5所述的可配置三维微波滤波器，其特征在于，所述第一电容接地极板(111)包括多个第一伸出部(1111)，所述多个第一伸出部(1111)分别连接至所述第一列硅通孔结构中的不同硅通孔结构(6)的内层金属柱(64)；所述第二电容接地极板(112)包括多个第二伸出部(1121)，所述多个第二伸出部(1121)连接至所述第二列硅通孔结构中的不同硅通孔结构(6)的内层金属柱(64)。

7.根据权利要求1所述的可配置三维微波滤波器，其特征在于，所述接地层(1)与第一互连层(2)之间设置有第一隔离介质层(7)。

8.根据权利要求1所述的可配置三维微波滤波器，其特征在于，所述第一互连层(2)与硅通孔电容层(3)之间设置有第二隔离介质层(8)，所述硅通孔电容层(3)与所述第二互连层(4)之间设置有第三隔离介质层(9)。

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