CN110783679B - 一种硅基单通道传输结构、同轴阵列传输结构及加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种硅基单通道传输结构，其特征在于：包括两个轴向平行叠放的两个单层硅基板，两个单层硅基板重叠面的中间具有贯穿单层硅基板轴向并将两个单层硅基板隔开的通信金属层，两个单层硅基板和通信金属层构成的双层硅基板的外侧还包覆有屏蔽金属层。本发明还提供了一种硅基同轴阵列传输结构，包括多个同轴设置并沿单层硅基板的接触面法向和/或垂直法向方向排列的单通道传输结构，相邻单通道传输结构的屏蔽金属层互相连接。本发明还提供了硅基同轴阵列传输结构的加工方法。本发明提供的一种硅基单通道传输结构、同轴阵列传输结构及加工方法的优点在于：传输结构采用TEM模式传输信号，传输速率高、时延串扰低、抗电磁干扰能力强。

Description

一种硅基单通道传输结构、同轴阵列传输结构及加工方法
技术领域
本发明涉及信号传输互联封装结构技术领域，尤其涉及一种硅基单通道传输结构、同轴阵列传输结构及加工方法。
背景技术
随着先进封装技术的发展，系统级封装技术具有的微型化和高集成度使其在消费电子、汽车电子、工业电子、军用电子等各个领域均有着广泛的应用前景。单晶硅材料及其相应的半导体加工工艺技术具有制造精度高、批量化、成本低、易于集成等众多优势，使得单晶硅已成为系统级封装技术中最有发展前景的基板材料之一。因此，研究单晶硅基板上的电信号传输结构对未来三维硅基微系统技术的发展有着重要的意义。
传统的基板互连采用微带线、带状线或共面波导等结构，均基于准TEM模式(transverse electromagnetic mode，横电磁波模式)实现电学信号的互通，适合低速率(1Gbit以下)的数据传输或者相对低频段(20GHz以下)的射频信号传输。从射频信号的传输来看，其开放式的场结构在高频/高速条件下显现出高损耗的缺陷，并且损耗随着频率的上升而急剧增加，限制了信号传输的频率和距离。从数字信号的传输看，当数据传输速率超过1Gbit以上时，传统的开放式结构还将引起严重的信号串扰、时延、畸变、码间干扰等信号完整性及电磁干扰问题。因此，传统的电学信号传输结构已经无法满足新一代微型化电子系统对数字信号以及射频信号的传输需求，迫切需要发展电磁屏蔽性更好、传输速率更高、并能适用于未来硅基微系统的新型电互连技术。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种电磁屏蔽性更好、传输速率更高的全封闭式硅基传输结构及其加工方法，以解决传统互连结构采用开放式的微带线、带状线、共面波导结构面临速率低、损耗高、抗干扰能力弱、不能与硅基微系统集成等问题。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：
一种硅基单通道传输结构，包括两个轴向平行叠放的两个单层硅基板，两个单层硅基板重叠面的中间具有贯穿单层硅基板轴向并将两个单层硅基板隔开的通信金属层，两个单层硅基板和通信金属层构成的双层硅基板的外侧还包覆有屏蔽金属层。
优选地，所述单层硅基板的电阻率小于1000Ωcm时，每个单层硅基板的外侧还包覆有绝缘层，通信金属层连接两个单层硅基板外侧的绝缘层。
优选地，所述单层硅基板为厚度为0.01-1mm的P型硅或N型硅。
优选地，所述屏蔽金属层包括互相连接的外金属层和过渡金属层，所述外金属层包覆单层硅基板除重叠面之外的其余表面，所述过渡金属层处于两个单层硅基板重叠面的两侧并沿轴向贯穿单层硅基板。
优选地，所述单层硅基板的轴向截面为正梯形，重叠面为正梯形底边对应的表面，双层硅基板的轴向截面大致呈六边形。
本发明还提供了一种硅基同轴阵列传输结构，包括多个同轴设置并沿单层硅基板的接触面法向和/或垂直法向方向排列的单通道传输结构，相邻单通道传输结构的屏蔽金属层互相连接。
本发明还提供了所述硅基同轴阵列传输结构的加工方法，包括以下步骤：
S1：取单晶硅晶圆，在其一面上沉积金属薄膜，利用光刻图形化和金属薄膜刻蚀工艺对金属薄膜进行图形化处理，使金属薄膜沉积在晶圆上合适的位置；
S2：取两个S1处理后的晶圆，利用键合工艺将两片晶圆之间的金属薄膜键合得到通信金属层和过渡金属层，键合后得到双层单晶硅晶圆结构；
S3：利用光刻图形化工艺在两个晶圆的外表面上形成刻蚀掩膜，然后利用体硅湿法腐蚀工艺对该晶圆进行各向异性腐蚀，在两个晶圆上分别形成多个V型凹槽；
S4：利用金属薄膜沉积工艺在单晶硅晶圆的表面和V型凹槽侧壁沉积金属薄膜，形成外金属层，得到单行多列硅基同轴阵列结构；
S5：将多片S4处理后的单行多列硅基同轴阵列结构沿晶圆法向阵列并利用金属间键合工艺将外金属层键合在一起，对晶圆进行切割划片，形成多行多列硅基同轴阵列结构。
优选地，所述单晶硅晶圆的厚度为0.01-1mm。
优选地，所述单晶硅晶圆的电阻率小于1000Ωcm时，所述方法还包括
S1.1：在S1中对晶圆一个面上沉积金属薄膜之前在该表面上沉积绝缘层的步骤,；
S4.1：在S4沉积外金属层之前对晶圆外表面和V型凹槽侧壁沉积绝缘层的步骤；
S4.2：在S4沉积外金属层之前利用薄膜刻蚀工艺将V型凹槽底部即过渡金属层表面的绝缘层去除的步骤。
本发明提供的一种硅基单通道传输结构、同轴阵列传输结构及加工方法的优点在于：传输结构采用TEM模式传输射频和数字信号，与传统的准TEM模式传输信号相比，具有传输速率高、时延串扰低、抗电磁干扰能力强的优点；能够扩展多维通道，适用于多通道并行高速传输；以单晶硅作为基础材料，利用高精度、批量化、低成本的晶圆级工艺制备而得，因此相比传统的陶瓷基板具有成本低、精度高、易于批量生产等优势；单晶硅材料是微电子领域所采用的通用半导体材料，与集成电路半导体工艺有一定兼容性，因此更加易于与半导体集成电路进行片上集成，为未来硅基微系统技术中的高速数据传输提供技术途径。
附图说明
图1为本发明的实施例提供的硅基单通道传输结构的示意图；
图2为本发明的实施例所提供的硅基同轴阵列传输结构的示意图；
图3为本发明的实施例所提供的硅基同轴阵列传输结构的生产过程示意图；
图4为本发明的硅基单通道传输结构的典型插入损耗曲线；
图5为本发明的硅基单通道传输结构的典型回波损耗曲线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，本实施例提供了一种硅基单通道传输结构，包括两个轴向平行叠放并具有间隙的单层硅基板1，两个单层硅基板1的重叠面11的中间具有贯穿单层硅基板1的轴向并将两个单层硅基板1隔开的通信金属层2；两个单层硅基板1和通信金属层2共同构成的双层硅基板(图未示)的外侧还包覆有屏蔽金属层3；通过屏蔽金属层3和两个单层硅基板1的屏蔽作用，在使用时通过通信金属层2传递信号并让屏蔽金属层3接地，电磁屏蔽线更好，传输速率更高。
在单层硅基板的绝缘性能不能满足需求时，还可以在每个单层硅基板的外侧包覆绝缘层12，然后在绝缘层12之外设置所述通信金属层3和屏蔽金属层3；本实施例中当单层硅基板的电阻率小于1000Ωcm时，增加所述绝缘层12；所述单层硅基板选用厚度为0.01-1mm之间的P型硅或N型硅。
本实施例以单晶硅晶圆为材料制作硅基传输结构，基于本实施例选用的工艺方法，处理后得到的屏蔽金属层3包括互相连接的外金属层31和过渡金属层32，所述外金属层31包覆单层硅基板1除重叠面11之外的其余表面，所述过渡金属层32处于两个单层硅基板1重叠面11的两侧并沿轴向贯穿单层硅基板1。所述单层硅基板1的轴向截面大致为正梯形，所述重叠面11位正梯形底边对应的表面，由于两个单层硅基板1被通信金属层2隔开，所述双层硅基板的轴向截面大致呈六边形。
基于上述单通道传输结构，本实施例还提供了能够同时传输多种信号的同轴阵列传输结构，参考图2，根据通道数量可以设置多个相互同轴且沿单层硅基板1接触面11的法向和/或垂直法向方向排列的硅基单通道传输结构，相邻硅基单通道传输结构的屏蔽金属层3互相连接，从而使每个通道均具有全封闭的屏蔽金属层3，且所有通道共享屏蔽金属层3，只需要一个接地信号即可实现整个阵列传输结构的信号屏蔽，且通道之间的串扰很小，有利于保证信号传输过程中的信号完整性。
参考图3，本实施例提供了所述硅基同轴阵列传输结构的加工方法，包括以下步骤：
S1：取单晶硅晶圆，在其一面上利用金属薄膜沉积工艺沉积金属薄膜，利用光刻图形化和金属薄膜刻蚀工艺对金属薄膜进行图形化处理，使金属薄膜沉积在晶圆上合适的位置；
所述单晶硅晶圆的厚度为0.01-1mm，所述金属薄膜的沉积位置与通信金属层2和过渡金属层32的位置相对应。
S2：取两个S1处理后的晶圆，利用键合工艺将两片晶圆之间的金属薄膜键合得到通信金属层和过渡金属层，键合后得到双层单晶硅晶圆结构；
S3：利用光刻图形化工艺在两个晶圆的外表面上形成刻蚀掩膜，然后利用体硅湿法腐蚀工艺对该晶圆进行各向异性腐蚀，在两个晶圆上分别形成多个V型凹槽；
S4：利用金属薄膜沉积工艺在单晶硅晶圆的表面和V型凹槽侧壁沉积金属薄膜，形成外金属层，得到单行多列硅基同轴阵列结构；在只需要单通道传输结构时，可以通过调整S3中的刻蚀掩膜位置改变V型凹槽的数量；通过各向异性腐蚀后单晶硅晶圆自然形成所述单层硅基板1的形状；
S5：将多片S4处理后的单行多列硅基同轴阵列结构沿晶圆法向阵列并利用金属间键合工艺将外金属层键合在一起，对晶圆进行切割划片，形成多行多列硅基同轴阵列结构。
其中切割划片工艺为本领域现有技术手段，此处不再赘述；本领域技术人员能够根据需要调整具体工艺参数和加工位置得到M行×N列的阵列结构以进行多通道的信号传输。
如果所述单晶硅晶圆的电阻率小于1000Ωcm时，还需要增加绝缘层12，所述加工方法还包括
S1.1：在S1中对晶圆一个面上沉积金属薄膜之前在该表面上沉积绝缘层的步骤,；
S4.1：在S4沉积外金属层之前对晶圆外表面和V型凹槽侧壁沉积绝缘层的步骤；
S4.2：在S4沉积外金属层之前利用薄膜刻蚀工艺将V型凹槽底部即过渡金属层表面的绝缘层去除的步骤。
图4和图5示出了通过有限元电磁仿真软件HFSS模拟得到的硅基单通道传输结构的典型插入损耗曲线(S21参数)和典型回波损耗曲线(S11参数)，由图4可知当射频信号频率在0-40GHz范围内其插入损耗低于0.25dB，图5的曲线说明当射频信号频率在0-40GHz范围内其回波损耗至少大于37dB，由此说明，本实施例提供的硅基传输结构具有低插入损耗的同时具备高的回波损耗，在高达40GHz的射频频率下表现出了良好的传输性能。

Claims (8)

1.一种硅基单通道传输结构，其特征在于：包括两个轴向平行叠放的两个单层硅基板，两个单层硅基板重叠面的中间具有贯穿单层硅基板轴向并将两个单层硅基板隔开的通信金属层，两个单层硅基板和通信金属层构成的双层硅基板的外侧还包覆有屏蔽金属层；
所述屏蔽金属层包括互相连接的外金属层和过渡金属层，所述外金属层包覆单层硅基板除重叠面之外的其余表面，所述过渡金属层处于两个单层硅基板重叠面的两侧并沿轴向贯穿单层硅基板。
2.根据权利要求1所述的一种硅基单通道传输结构，其特征在于：所述单层硅基板的电阻率小于1000Ωcm时，每个单层硅基板的外侧还包覆有绝缘层，通信金属层连接两个单层硅基板外侧的绝缘层。
3.根据权利要求1所述的一种硅基单通道传输结构，其特征在于：所述单层硅基板为厚度为0.01-1mm的P型硅或N型硅。
4.根据权利要求1所述的一种硅基单通道传输结构，其特征在于：所述单层硅基板的轴向截面为正梯形，重叠面为正梯形底边对应的表面，双层硅基板的轴向截面大致呈六边形。
5.一种硅基同轴阵列传输结构，其特征在于：包括多个同轴设置并沿单层硅基板的接触面法向和/或垂直法向方向排列的单通道传输结构，所述单通道传输结构为权利要求1-4任一项所述的硅基单通道传输结构，相邻单通道传输结构的屏蔽金属层互相连接。
6.一种如权利要求5所述的硅基同轴阵列传输结构的加工方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：取单晶硅晶圆，在其一面上沉积金属薄膜，利用光刻图形化和金属薄膜刻蚀工艺对金属薄膜进行图形化处理，使金属薄膜沉积在晶圆上合适的位置；
S2：取两个S1处理后的晶圆，利用键合工艺将两片晶圆之间的金属薄膜键合得到通信金属层和过渡金属层，键合后得到双层单晶硅晶圆结构；
S3：利用光刻图形化工艺在两个晶圆的外表面上形成刻蚀掩膜，然后利用体硅湿法腐蚀工艺对该晶圆进行各向异性腐蚀，在两个晶圆上分别形成多个V型凹槽；
S4：利用金属薄膜沉积工艺在单晶硅晶圆的表面和V型凹槽侧壁沉积金属薄膜，形成外金属层，得到单行多列硅基同轴阵列结构；
S5：将多片S4处理后的单行多列硅基同轴阵列结构沿晶圆法向阵列并利用金属间键合工艺将外金属层键合在一起，对晶圆进行切割划片，形成多行多列硅基同轴阵列结构。
7.根据权利要求6所述的一种硅基同轴阵列传输结构的加工方法，其特征在于：所述单晶硅晶圆的厚度为0.01-1mm。
8.根据权利要求6所述的一种硅基同轴阵列传输结构的加工方法，其特征在于：所述单晶硅晶圆的电阻率小于1000Ωcm时，所述方法还包括
S1.1：在S1中对晶圆一个面上沉积金属薄膜之前在该表面上沉积绝缘层的步骤,；
S4.1：在S4沉积外金属层之前对晶圆外表面和V型凹槽侧壁沉积绝缘层的步骤；
S4.2：在S4沉积外金属层之前利用薄膜刻蚀工艺将V型凹槽底部即过渡金属层表面的绝缘层去除的步骤。
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