CN109962324B - 基于薄膜集成无源器件工艺的小型化紧凑型双工器 - Google Patents

基于薄膜集成无源器件工艺的小型化紧凑型双工器 Download PDF

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Abstract

基于薄膜集成无源器件工艺的小型化紧凑型双工器，本发明属于微波器件领域，具体涉及一种小型化双工器，它为了解决现有平面级联结构的双工器尺寸较大，工作过程中性能不稳定性的问题。本发明紧凑型双工器包括高通滤波器和低通滤波器，高通滤波器耦合到信号端口一和信号端口二，低通滤波器耦合到信号端口一和信号端口三，其中高通滤波器由二号电容并联第一电容电感谐振电路组成，低通滤波器由两个串联电感并联第二电容电感谐振电路组成；该小型化紧凑型双工器通过薄膜集成无源器件工艺制成多层结构。本发明紧凑型双工器的尺寸仅为1.9mm×0.8mm，厚度为0.2mm，而且本发明的制造工艺精度高，器件性能稳定。

Description

基于薄膜集成无源器件工艺的小型化紧凑型双工器
技术领域
本发明属于微波器件领域，具体涉及一种小型化双工器。
背景技术
基于GaAs基板的无源器件加工技术成为下一代无线通信系统发展最有前景的技术之一。传统经济常用的加工方式是印刷电路板技术(PCB)，低温共烧陶瓷(LTCC)技术以及互补金属氧化物半导体(CMOS)技术。PCB技术的线宽和有限的间距分辨率将进一步限制射频器件的小型化和尺寸精度；LTCC技术中陶瓷烧结致密化速度不匹配，会导致基体表面分布不均匀，降低金属丝的粘附力；高度集成的CMOS技术可以在一个模块中实现无源、有源和数字功能，但其主要缺点是基板损耗或金属损耗大，单位面积成本高。为了解决这些缺点，集成了不同无源元件的薄膜集成无源器件(TF-IPD)技术，包括薄膜电阻、螺旋电感和金属-绝缘体-金属(MIM)电容器，具有线宽小、基板控制精度高、集成度高、寄生效应小等特点。一般来说，常见的IPD基板材料包括硅、玻璃和砷化镓。使用IPD制造技术可以很容易地将诸如功率分配器、滤波器、平衡-不平衡变压器和耦合器等无源器件与其他模块集成。这种加工技术的高度设计灵活性，使得无源器件的性能参数变化易于调节。例如螺旋电感的电感可通过调节电感线圈的匝数来改变，薄膜电阻的阻值可以通过改变单位面积的电阻，MIM电容器在不改变金属结构的前提下，通过改变中间介质的介电常数来达到所需的电容值，并且这种加工技术易于集成实现紧凑的小型化结构。上述优点使这种新的集成封装技术在多层三维结构无源元件的垂直设计中，成为一种有前景的解决方案。现在该技术已广泛地应用在微型执行器，嵌入式无源器件，微型传感器等领域。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有平面级联结构的双工器尺寸较大，工作过程中性能不稳定性的问题，而提供一种基于薄膜集成无源器件工艺的小型化紧凑型双工器。
本发明基于薄膜集成无源器件工艺的小型化紧凑型双工器包括高通滤波器和低通滤波器，高通滤波器耦合到信号端口一P1和信号端口二P2，低通滤波器耦合到信号端口一P1和信号端口三P3，其中高通滤波器由二号电容C2并联第一电容电感谐振电路(回路)组成，所述的第一电容电感谐振电路由一号电容C1和一号电感L1串联；其中低通滤波器由两个串联电感并联第二电容电感谐振电路(回路)组成，所述的两个串联电感由二号电感L2和四号电感L4串联，第二电容电感谐振电路由三号电容C3和三号电感L3串联；第一电容电感谐振电路和第二电容电感谐振电路均有一端接地；
该小型化紧凑型双工器通过薄膜集成无源器件工艺制成多层结构。
本发明基于薄膜集成无源器件工艺的小型化紧凑型双工器的制备方法按下列步骤实现：
一、对基板表面进行清洗和抛光处理，得到洁净的基板；
二、采用等离子体增强化学气相沉积在洁净的基板上沉积第一SiNx层；
三、在第一SiNx层表面溅射沉积第一种子金属层，然后晶圆被光掩模遮蔽，使用光刻胶按照宽带小型化紧凑型双工器的电路结构形成底部金属的图形，通过电镀工艺形成底部金属层，底部金属层作为MIM电容器的底部金属和螺旋电感器的螺旋线金属，电镀后除去光刻胶以及去除光刻胶后暴露的第一种子金属层；
四、在底部金属层上再沉积第二SiNx层，第二SiNx层作为MIM电容器的介质层，通过反应离子刻蚀去除需要连接空气桥部分的第二SiNx层，在第二SiNx层上形成第二种子金属层；
五、在第二种子金属层上进行光刻工艺，第二种子金属层上电镀沉积顶部金属层，顶部金属层作为螺旋电感器的空气桥、馈电线和MIM电容器的顶部金属，然后除去光刻胶以及去除光刻胶后暴露的第二种子金属层，最后钝化处理，得到基于薄膜集成无源器件工艺的小型化紧凑型双工器。
本发明利用薄膜集成无源器件加工工艺设计了一种小型化三阶椭圆函数双工器。双工器需要耦合来自输入端口的接收信号，并从另一个端口向天线提供较大的发射功率。两个输出端口分别工作在不同的频段，相互隔离，使收发双方同时正常工作。因此，本发明设计的双工器由一个低通滤波器和一个高通滤波器组成，以避免发射机和接收机之间的干扰。现有传统采用PCB工艺方法，虽然也可以实现高隔离度互不干扰的双频段滤波器，但由于四分之一波长短路馈线的引入，典型地增强了设计中线宽分辨率的缺陷，明显地增大了器件的整体尺寸。
本发明利用IPD技术设计加工了三阶椭圆函数紧凑型双工器。总电路尺寸仅为1.9mm×0.8mm，厚度为0.2mm。该双工器由一个低通滤波器和一个高通滤波器组成，工作在0.79GHz和1.74GHz的频率下，可用于GSM和WCDMA应用。该双工器在两个波段的插入损耗为0.5dB和0.2dB、回波损耗为16dB和20dB，和隔离度优于30dB，所提出的IPD双工器实现了射频无源器件系统小型化。
本发明利用薄膜集成无源器件加工工艺，可以方便地实现器件小型化，多层基板可以形成空气桥结构，大大提高了设计灵活性。相比其他加工技术，该薄膜无源器件加工技术具有精度高，器件性能稳定，器件可以实现小型化，便于和其他电路模块集成等优点，采用砷化镓基片，减小了导电基片的寄生电容和电感效应，实现高频下螺旋电感和MIM电容的高质量因数。本发明明显减小了双工器的尺寸，射频双工器的性能得到了很大的改善和优化，TF-IPD平台加工的无源器件具有电路尺寸紧凑、器件性能准确、易于与系统级封装技术集成等优点。
附图说明
图1为本发明基于薄膜集成无源器件工艺的小型化紧凑型双工器的结构图；
图2为基于薄膜集成无源器件工艺的小型化紧凑型双工器的局部结构示意图，其中1代表MIM电容，2代表螺旋电感；
图3为基于薄膜集成无源器件工艺的小型化紧凑型双工器的FIB图；
图4为基于薄膜集成无源器件工艺的小型化紧凑型双工器的等效电路图；
图5为基于薄膜集成无源器件工艺的小型化紧凑型双工器的S参数测试图，其中3代表S11，4代表S21，5代表S31，6代表S23；
图6为基于薄膜集成无源器件工艺的小型化紧凑型双工器的工作性能测试图，其中7代表输入信号，8代表GSM，9代表WCDMA。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式基于薄膜集成无源器件工艺的小型化紧凑型双工器包括高通滤波器和低通滤波器，高通滤波器耦合到信号端口一P1和信号端口二P2，低通滤波器耦合到信号端口一P1和信号端口三P3，其中高通滤波器由二号电容C2并联第一电容电感谐振电路(回路)组成，所述的第一电容电感谐振电路由一号电容C1和一号电感L1串联；其中低通滤波器由两个串联电感并联第二电容电感谐振电路(回路)组成，所述的两个串联电感由二号电感L2和四号电感L4串联，第二电容电感谐振电路由三号电容C3和三号电感L3串联；第一电容电感谐振电路和第二电容电感谐振电路均有一端接地；
该小型化紧凑型双工器通过薄膜集成无源器件工艺制成多层结构。
本实施方式将低通滤波器的高频截止频段与高通滤波器的低频截止频段重合，保证两个滤波器分别在互不干扰的情况下，实现双工器的工作性能。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是高通滤波器和低通滤波器中的电感元件为螺旋电感，高通滤波器和低通滤波器中的电容元件为MIM(金属-介质-金属)式电容。
具体实施方式三：本实施方式基于薄膜集成无源器件工艺的小型化紧凑型双工器的制备方法按下列步骤实施：
一、对基板a表面进行清洗和抛光处理，得到洁净的基板；
二、采用等离子体增强化学气相沉积在洁净的基板上沉积第一SiNx层b；
三、在第一SiNx层b表面溅射沉积第一种子金属层c，然后晶圆被光掩模遮蔽，使用光刻胶按照宽带小型化紧凑型双工器的电路结构形成底部金属的图形，通过电镀工艺形成底部金属层d，底部金属层d作为MIM电容器的底部金属和螺旋电感器的螺旋线金属，电镀后除去光刻胶以及去除光刻胶后暴露的第一种子金属层；
四、在底部金属层d上再沉积第二SiNx层e，第二SiNx层e作为MIM电容器的介质层，通过反应离子刻蚀去除需要连接空气桥部分的第二SiNx层，在第二SiNx层e上形成第二种子金属层f；
五、在第二种子金属层f上进行光刻工艺，第二种子金属层f上电镀沉积顶部金属层g，顶部金属层g作为螺旋电感器的空气桥、馈电线和MIM电容器的顶部金属，然后除去光刻胶以及去除光刻胶后暴露的第二种子金属层，最后钝化处理，得到基于薄膜集成无源器件工艺的小型化紧凑型双工器。
本实施方式利用微纳加工技术避免了传统加工工艺由于尺寸精度和线宽导致的局限性以及不稳定的缺点，大大提高了器件的精度并满足了器件小型化的需求。本实施方式采用的高通滤波器和低通滤波器，在保证良好的隔离度的前提下，可以实现低损耗高性能的三阶双工器特性。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三不同的是步骤一中基板的厚度为600μm～700μm。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式三或四不同的是步骤一中基板的材质为玻璃、单晶硅、砷化镓、碳化硅或蓝宝石。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式三至五之一不同的是步骤一中依次使用丙酮、异丙醇、去离子水清洗基板。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式三至六之一不同的是步骤三中底部金属层的厚度为5μm。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式三至七之一不同的是步骤五中所述的钝化处理是在顶部金属层上沉积第三SiNx层h作为钝化层。
实施例一：本实施例基于薄膜集成无源器件工艺的小型化紧凑型双工器包括高通滤波器和低通滤波器，高通滤波器耦合到信号端口一P1和信号端口二P2，低通滤波器耦合到信号端口一P1和信号端口三P3，其中高通滤波器由二号电容C2并联第一电容电感谐振电路(回路)组成，所述的第一电容电感谐振电路由一号电容C1和一号电感L1串联；其中低通滤波器由两个串联电感并联第二电容电感谐振电路(回路)组成，所述的两个串联电感由二号电感L2和四号电感L4串联，第二电容电感谐振电路由三号电容C3和三号电感L3串联；第一电容电感谐振电路和第二电容电感谐振电路均有一端接地；
该小型化紧凑型双工器通过薄膜集成无源器件工艺制成多层结构。
本实施例的等效电路图如图4所示。其中Z0＝50Ω，C1＝5.31pF，C2＝2.15pF，C3＝2.48pF，L1＝7.31nH，L2＝0.66nH，L3＝3.0nH，L4＝6.51nH。
本实施例双工器的结构图如图1-3所示，本实施例选择的双工器目标频点为0.79GHz和1.74GHz，分别是GSM和WCDMA的工作频带。根据ADS软件中的仿真结果，观察设计的负载阻抗为50Ω的低通滤波器和高通滤波器的插入损耗和回波损耗，设计三阶椭圆函数低通滤波器和高通滤波器。为了实现两个工作频段之间高隔离的双工器，需要设计不同传输零点和传输极点的滤波器。只有当高通滤波器或低通滤波器的传输极点落入低通滤波器或高通滤波器的传输零点时，双工器才能实现最大的隔离，防止相互干扰。选择纹波阻带频率为1.69和2.0的低通滤波器和高通滤波器。
本实施例螺旋电感的电感由几个变量决定，包括匝数、空间宽度、螺旋电感的内径和外径，对于螺旋电感的感值计算，既取决于自感又取决于互感。本发明提出的双工器是由高通滤波器和低通滤波器组合而成：其中高通滤波器由一个电容并联一个电容电感谐振回路组成，而低通滤波器是由两个串联电感并联一个电容电感谐振回路组成，等效电路如图4所示。在原来的基础上进行了改进，在低通滤波器配置中设置额外的电感是为了进一步防止高频信号进入高通滤波器电路，确保两个端口之间的隔离度更高，使得两个端口互相不影响其工作性能。
实施例二：本实施例基于薄膜集成无源器件工艺的小型化紧凑型双工器的制备方法按下列步骤实施：
一、选用650μm GaAs基底材料作为基板，对基板表面用丙酮、异丙醇、去离子水进行清洗，抛光处理后得到洁净的基板；
二、采用等离子体增强化学气相沉积在洁净的基板上沉积第一SiNx层(其相对介电常数为12.85，损耗角正切为0.002，厚度为0.2μm)；
三、在第一SiNx层表面溅射沉积第一种子金属层Ti/Au(20/80nm)，然后晶圆被光掩模遮蔽，使用光刻胶按照宽带小型化紧凑型双工器的电路结构形成底部金属的图形，通过电镀工艺形成底部金属层(4.5/0.5μm厚的Cu/Au金属层)，底部金属层作为MIM电容器的底部金属和螺旋电感器，电镀后用丙酮除去光刻胶以及采用干法刻蚀方式去除光刻胶后暴露的第一种子金属层(开放的第一种子金属层)；
四、采用PECVD在底部金属层上再沉积第二SiNx层(厚度为0.2μm)，第二SiNx层作为MIM电容器的介质层，通过反应离子刻蚀去除需要连接空气桥部分的第二SiNx层，在第二SiNx层e上形成第二种子金属层f；
五、在第二种子金属层f上进行光刻工艺，第二种子金属层上沉积顶部金属层(4.5/0.5μm Cu/Au)，顶部金属层作为螺旋电感器的空气桥、馈电线和MIM电容器的顶部金属，然后除去光刻胶以及采用干法刻蚀方式去除光刻胶后暴露的第二种子金属层，第三SiNx层(厚度是0.2μm)沉积在整个器件表面，作用是将金属表面转化为不易氧化的状态，保护金属层不受腐蚀，得到基于薄膜集成无源器件工艺的小型化紧凑型双工器。
本实施例提供了一种利用薄膜集成无源器件技术加工的三阶椭圆函数双工器，其结构紧凑，尺寸为1.9mm×0.8mm×0.2mm的小型化双工器，可用于GSM和WCDMA波段。
采用安捷伦8753E矢量网络分析仪对本实施例的IPD加工的三阶椭圆函数双工器进行了测试。图5和图6所示的仿真和测量结果表明，基于TF-IPD制作技术设计的三阶椭圆函数双工器结构可以实现两个工作频段的高带外抑制，在GSM和WCDMA波段的插入损耗分别为0.5dB和0.2dB，回波损耗大于16dB。同时，两个输出端口之间的隔离度大于30dB，可以保证两个端口独立工作互不干扰，仿真和测量的S参数结果之间的差异是由于加工和引线键合产生的，在误差范围内可以忽略，在0.1GHz到6GHz范围内具有良好的工作性能。

Claims (7)

1.基于薄膜集成无源器件工艺的小型化紧凑型双工器，其特征在于该基于薄膜集成无源器件工艺的小型化紧凑型双工器包括高通滤波器和低通滤波器，高通滤波器耦合到信号端口一P1和信号端口二P2，低通滤波器耦合到信号端口一P1和信号端口三P3，其中高通滤波器由二号电容C2并联第一电容电感谐振电路组成，所述的第一电容电感谐振电路由一号电容C1和一号电感L1串联；其中低通滤波器由两个串联电感并联第二电容电感谐振电路组成，所述的两个串联电感由二号电感L2和四号电感L4串联，第二电容电感谐振电路由三号电容C3和三号电感L3串联；第一电容电感谐振电路和第二电容电感谐振电路均有一端接地，信号端口一P1、信号端口二P2信号端口三P3的负载阻抗均为Z0，Z0＝50Ω，C1＝5.31pF，C2＝2.15pF，C3＝2.48pF，L1＝7.31nH，L2＝0.66nH，L3＝3.0nH，L4＝6.51nH；
该小型化紧凑型双工器通过薄膜集成无源器件工艺制成多层结构，该小型化紧凑型双工器的制备方法如下：
一、对基板表面进行清洗和抛光处理，得到洁净的基板；
二、采用等离子体增强化学气相沉积在洁净的基板上沉积第一SiNx层；
三、在第一SiNx层表面溅射沉积第一种子金属层，然后晶圆被光掩模遮蔽，使用光刻胶按照宽带小型化紧凑型双工器的电路结构形成底部金属的图形，通过电镀工艺形成底部金属层，底部金属层作为MIM电容器的底部金属和螺旋电感器的螺旋线金属，电镀后除去光刻胶以及去除光刻胶后暴露的第一种子金属层；
四、在底部金属层上再沉积第二SiNx层，第二SiNx层作为MIM电容器的介质层，通过反应离子刻蚀去除需要连接空气桥部分的第二SiNx层，在第二SiNx层上形成第二种子金属层；
五、在第二种子金属层上进行光刻工艺，第二种子金属层上电镀沉积顶部金属层，顶部金属层作为螺旋电感器的空气桥、馈电线和MIM电容器的顶部金属，然后除去光刻胶以及去除光刻胶后暴露的第二种子金属层，最后钝化处理，得到基于薄膜集成无源器件工艺的小型化紧凑型双工器。
2.根据权利要求1所述的基于薄膜集成无源器件工艺的小型化紧凑型双工器，其特征在于高通滤波器和低通滤波器中的电感元件为螺旋电感，高通滤波器和低通滤波器中的电容元件为MIM式电容。
3.根据权利要求1所述的基于薄膜集成无源器件工艺的小型化紧凑型双工器，其特征在于步骤一中基板的厚度为600μm～700μm。
4.根据权利要求1所述的基于薄膜集成无源器件工艺的小型化紧凑型双工器，其特征在于步骤一中基板的材质为玻璃、单晶硅、砷化镓、碳化硅或蓝宝石。
5.根据权利要求1所述的基于薄膜集成无源器件工艺的小型化紧凑型双工器，其特征在于步骤一中依次使用丙酮、异丙醇、去离子水清洗基板。
6.根据权利要求1所述的基于薄膜集成无源器件工艺的小型化紧凑型双工器，其特征在于步骤三中底部金属层的厚度为5μm。
7.根据权利要求1所述的基于薄膜集成无源器件工艺的小型化紧凑型双工器，其特征在于步骤五中所述的钝化处理是在顶部金属层上沉积第三SiNx层作为钝化层。
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