CN111900522B - 硅基空气填充微同轴结构及硅基空气填充微同轴传输线 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于射频微波技术领域，提供了一种硅基空气填充微同轴结构及硅基空气填充微同轴传输线，该硅基空气填充微同轴结构包括上层硅片、中层硅片和下层硅片；上层硅片设置第一凹槽；中层硅片的芯子硅片与第一凹槽位置对应；中层硅片的多个左支撑梁硅片设置在其第一硅片与芯子硅片之间；中层硅片的多个右支撑梁硅片设置在其芯子硅片与第二硅片之间；第一硅片和第二硅片分别设置贯穿上下表面的第一通孔阵列；下层硅片设置与第一凹槽对应的第二凹槽及与第一通孔阵列对应的第二通孔阵列。通过第一凹槽与第二凹槽形成填充空气的空腔结构，芯子硅片位于空腔结构内，形成传输性能好，易于与半导体工艺集成，适于批量生产的硅基空气填充微同轴结构。
Description
技术领域
本发明属于射频微波技术领域，尤其涉及一种硅基空气填充微同轴结构及硅基空气填充微同轴传输线。
背景技术
近年来，微波集成电路和射频微系统的发展极大地促进了射频器件的多功能化和小型化，也对射频传输线提出了更高频、更小型和更低损的要求。但是，由于现有微波集成电路中多采用基于平面印刷电路板(Printed Circuit Board，PCB)技术的微带线、共面波导和带状线等开腔形式的平面半开放结构，集成度较高时，传输线间信号耦合和辐射损耗较大，且应用频率受限。平面工艺的微波集成电路技术很难进一步实现射频和微波系统的集成化与微型化。
随着微机电系统(Micro Electro Mechanical System，MEMS)技术的发展，通过光刻、溅射等微加工工艺手段精确实现的微同轴传输线成为改善传输线高频性能的重要研究方向。但是现有的微同轴结构都是平面结构，传输性能难以保证，难以形成精确的互连和过渡结构，不易于实现叠层等集成化工艺，在构建三维高频微互连器件及基板，实现器件级及系统级功能上存在难度。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种硅基空气填充微同轴结构及硅基空气填充微同轴传输线，以解决现有技术中的硅基空气填充微同轴传输线的传输性能较差、不易于集成的问题。
本发明实施例的第一方面提供了一种硅基空气填充微同轴结构，包括：上层硅片、中层硅片和下层硅片；
所述上层硅片上设置第一凹槽，所述第一凹槽沿信号传输方向贯穿所述上层硅片；
所述中层硅片从左至右依次包括第一硅片、多个左支撑梁硅片、芯子硅片、多个右支撑梁硅片和第二硅片；所述芯子硅片与所述第一凹槽位置对应；间隔第一预设距离的所述多个左支撑梁硅片一端连接所述第一硅片，另一端连接所述芯子硅片；间隔第二预设距离的所述多个右支撑梁硅片一端连接所述芯子硅片，另一端连接所述第二硅片；所述第一硅片和所述第二硅片上分别设置贯穿上下表面的第一通孔阵列；
所述下层硅片上设置与所述第一凹槽对应的第二凹槽，且设置与所述第一通孔阵列对应的第二通孔阵列；
通过金属层依次键合所述上层硅片、所述中层硅片和所述下层硅片，键合后所述第一凹槽与所述第二凹槽相对设置，形成空腔结构，所述芯子硅片位于所述空腔结构内，所述第一通孔阵列中的每个通孔与所述第二通孔阵列中的每个通孔一一对应，所述空腔结构内填充空气，形成硅基空气填充微同轴结构。
可选的，所述上层硅片的下表面以及所述第一凹槽的槽壁设置第一金属层；
所述芯子硅片的除前后端面的外表面均设置第二金属层；与所述芯子硅片对应的所述第一硅片的右侧面和所述第二硅片的左侧面设置所述第二金属层；所述第一硅片和所述第二硅片的上下表面均设置所述第二金属层；
所述下层硅片的上下表面以及所述第二凹槽的槽壁均设置第三金属层；
通过所述第一金属层、所述第二金属层和所述第三金属层依次将所述上层硅片、所述中层硅片和所述下层硅片按顺序键合连接；
设置所述第二金属层的芯子硅片用于形成传输芯子；
设置所述第一金属层的所述上层硅片、设置所述第二金属层的所述第一硅片和所述第二硅片、以及设置所述第三金属层的所述下层硅片用于形成接地结构；
所述传输芯子和所述接地结构形成所述硅基空气填充微同轴结构。
可选的，所述第一通孔阵列中所有通孔内和所述第二通孔阵列中所有通孔内均设置第四金属层。
可选的，所述第一金属层、所述第二金属层、所述第三金属层和所述第四金属层采用的金属均为同一种金属。
可选的，所述第一金属层、所述第二金属层、所述第三金属层和所述第四金属层采用的金属均为金。
可选的，当所述第一预设距离与所述第二预设距离相同时，所述多个左支撑梁硅片中的每个支撑梁硅片与所述多个右支撑梁硅片中的每个支撑梁硅片的位置一一对应或不对应；
当所述第一预设距离与所述第二预设距离不相同时，所述多个左支撑梁硅片中的每个支撑梁硅片与所述多个右支撑梁硅片中的每个支撑梁硅片的位置不对应。
可选的，所述第一凹槽的长度与所述上层硅片的长度相同；所述第二凹槽的长度分别与所述第一凹槽的长度和所述下层硅片的长度相同；
根据所述芯子硅片传输的信号的频率设置所述第一凹槽和所述第二凹槽的宽度和深度。
可选的，所述第一凹槽为矩形凹槽；所述第二凹槽为矩形凹槽。
可选的，所述第二凹槽与所述第一凹槽大小相同且位置对应。
本发明实施例的第二方面提供了一种硅基空气填充微同轴传输线，包括如上任一项所述的硅基空气填充微同轴结构。
本发明实施例与现有技术相比存在的有益效果是：本发明的硅基空气填充微同轴结构，通过上层硅片上设置第一凹槽，且第一凹槽沿信号传输方向贯穿上层硅片；中层硅片从左至右依次包括第一硅片、多个左支撑梁硅片、芯子硅片、多个右支撑梁硅片和第二硅片；芯子硅片与第一凹槽位置对应；间隔第一预设距离的多个左支撑梁硅片一端连接第一硅片，另一端连接芯子硅片；间隔第二预设距离的多个右支撑梁硅片一端连接芯子硅片，另一端连接第二硅片；第一硅片和第二硅片上分别设置贯穿上下表面的第一通孔阵列；下层硅片上设置与第一凹槽对应的第二凹槽，且设置与第一通孔阵列对应的第二通孔阵列。通过金属层依次键合上层硅片、中层硅片和下层硅片，键合后第一凹槽与第二凹槽组成的空腔结构与芯子硅片形成密闭性好的硅基空气填充微同轴结构，利用硅基空气填充微同轴结构传输信号，并利用硅基空气填充微同轴结构上的第一通孔阵列和第二通孔阵列连接中层硅片的上下表面并接地，形成传输性能好，一致性高，可以实现叠层等集成化工艺，易于与半导体工艺集成，适于批量生产的硅基空气填充微同轴结构。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的硅基空气填充微同轴结构的三维结构示意图；
图2是本发明实施例提供的上层硅片的三维结构示意图；
图3(1)是本发明实施例提供的中层硅片的三维结构示意图；
图3(2)是本发明又一实施例提供的中层硅片的俯视图；
图3(3)是本发明再一实施例提供的中层硅片的俯视图；
图4(1)是本发明实施例提供的下层硅片的主视图；
图4(2)是本发明实施例提供的下层硅片的俯视图；
图5是本发明实施例提供的硅基空气填充微同轴传输线的示意图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
参见图1，对本发明实施例提供的硅基空气填充微同轴结构进行说明：所述硅基空气填充微同轴结构10，包括：上层硅片100、中层硅片200和下层硅片300；
参见图2，上层硅片100上设置第一凹槽101，第一凹槽101沿信号传输方向贯穿上层硅片100。
可选的，第一凹槽101的长度与上层硅片100的长度相同，也就是说第一凹槽101贯穿上层硅片100的前后端面。
可选的，可以根据中层硅片200中的芯子硅片传输的信号的频率范围、阻抗等指标设置第一凹槽101的宽度和深度。
可选的，上层硅片100可以为一矩形硅片，第一凹槽101可以为一矩形凹槽。
其中，第一凹槽101也可以为弧形、半圆形或者不规则形状的凹槽，可以根据需要的传输性能设置第一凹槽101的具体形状。
可选的，参见图2，可以在上层硅片100的下表面以及第一凹槽101的槽壁设置第一金属层102，第一金属层102采用的金属可以为金。
其中上层硅片100的下表面为第一凹槽101所在的表面，上层硅片100的下表面包括第一凹槽101的槽底。
其中，在上层硅片100的下表面设置第一金属层102，后续与中层硅片200和下层硅片300键合组成硅基空气填充微同轴结构后，可以将传输的信号束缚在第一凹槽与第二凹槽组成的空腔结构内，提高硅基空气填充微同轴结构的传输性能。
参见图3(1)，中层硅片200从左至右依次包括第一硅片201、多个左支撑梁硅片202、芯子硅片203、多个右支撑梁硅片204和第二硅片205。
其中，芯子硅片203与第一凹槽101位置对应。
其中，芯子硅片203的宽度小于第一凹槽101，也就是说芯子硅片203位于上层硅片100的第一凹槽与中层硅片200的第一硅片201、第二硅片205构成的空腔结构内，其中空腔结构内填充空气。芯子硅片203具体的宽度由芯子硅片203传输的信号的频率等指标确定。
可选的，芯子硅片203的除前后端面的外表面均设置第二金属层(参见图3(1)中芯子硅片203表面的阴影部分)，设置第二金属层的芯子硅片用于形成传输芯子。
可选的，与芯子硅片203对应的第一硅片201的右侧面和第二硅片205的左侧面也可以设置第二金属层；第一硅片201和第二硅片205的上下表面均可以设置第二金属层。
可选的，第二金属层采用的金属可以为金。
其中，间隔第一预设距离的多个左支撑梁硅片202一端连接第一硅片201，另一端连接芯子硅片203；间隔第二预设距离的多个右支撑梁硅片204一端连接芯子硅片203，另一端连接第二硅片205。
其中，多个左支撑梁硅片202和多个右支撑梁硅片204的外表面均不设置金属层，第一预设距离或第二预设距离仅代表多个左支撑梁硅片202或多个右支撑梁硅片204间隔设置，并不对多个左支撑梁硅片202之间的距离或者多个右支撑梁硅片204之间的距离构成限定，第一预设距离和第二预设距离可以为任意值。制作中层硅片200时，可以利用MEMS工艺进行硅的深刻蚀，将完整的硅片刻蚀为由第一硅片201、多个左支撑梁硅片202、芯子硅片203、多个右支撑梁硅片204和第二硅片205组成的中层硅片200的结构，多个左支撑梁硅片202和多个右支撑梁硅片204用于支撑中间的芯子硅片203，保证芯子硅片203的长度和牢固性。
可选的，参见图3(1)，当多个左支撑梁硅片202之间的第一预设距离与多个右支撑梁硅片204之间的第二预设距离相同时，多个左支撑梁硅片202中的每个支撑梁硅片与多个右支撑梁硅片204中的每个支撑梁硅片的位置一一对应。
作为本发明的又一实施例，参见图3(2)，当多个左支撑梁硅片202之间的第一预设距离与多个右支撑梁硅片204之间的第二预设距离相同时，多个左支撑梁硅片202中的每个支撑梁硅片与多个右支撑梁硅片204中的每个支撑梁硅片的位置也可以不对应。或者：
作为本发明的再一实施例，参见图3(3)，当多个左支撑梁硅片202之间的第一预设距离与多个右支撑梁硅片204之间的第二预设距离不同时，多个左支撑梁硅片202中的每个支撑梁硅片与多个右支撑梁硅片204中的每个支撑梁硅片的位置也可以不对应。
多个左支撑梁硅片202之间的第一预设距离和多个右支撑梁硅片204之间的第二预设距离以能够支撑中间的芯子硅片203，保证芯子硅片203的长度和牢固性为准，并不限定第一预设距离和第二预设距离的具体长度。
参见图3(1)至图3(3)，第一硅片201和第二硅片205上分别设置贯穿上下表面的第一通孔阵列206。
可选的，第一通孔阵列206中所有通孔内均设置第四金属层，第四金属层采用的金属可以为金。
其中，第一硅片201的上下表面设置第二金属层，第二硅片205的上下表面也设置第二金属层，第一通孔阵列206中的所有通孔内均设置第四金属层，可以通过第一通孔阵列206将第一硅片201的上下表面的第二金属层连接，以及通过第一通孔阵列206将第二硅片205的上下表面的第二金属层连接，进而可以将整个硅基空气填充微同轴结构10的地连接。
参见图4(1)至图4(2)，下层硅片300上设置与第一凹槽101对应的第二凹槽301，且设置与第一通孔阵列206对应的第二通孔阵列302。
可选的，可以在下层硅片300的上下表面以及第二凹槽301的槽壁均设置第三金属层，第三金属层采用的金属可以为金。
其中，下层硅片300的上表面为第二凹槽301所在的表面，下层硅片300的上表面包括第二凹槽301的槽底，下层硅片300的下表面设置第三金属层，下层硅片300的下表面的第三金属层接地。
可选的，与第一通孔阵列206对应的第二通孔阵列302中所有通孔内均设置第四金属层，第四金属层采用的金属可以为金。
其中，下层硅片300的上下表面均设置第三金属层，设置有第四金属层的第二通孔阵列302将下层硅片300上表面的第三金属层与下表面的第三金属层连接，进而将下层硅片300上表面的第三金属层与下表面的地连接。
设置有第四金属层的第二通孔阵列302与设置有第四金属层的第一通孔阵列206的位置一一对应，通过第二通孔阵列302和第一通孔阵列206将整个硅基空气填充微同轴结构10的地连接。
可选的，可以采用电镀的方式设置第一金属层、第二金属层、第三金属层和第四金属层。
当第一金属层、第二金属层、第三金属层和第四金属层采用的金属都为金时，可以采用金金键合工艺，通过第一金属层、第二金属层和第三金属层依次将上层硅片100、中层硅片200和下层硅片300键合连接，键合后第一凹槽101与第二凹槽301相对设置，形成空腔结构，空腔结构内填充空气，芯子硅片203位于空腔结构内，设置第二金属层的芯子硅片形成传输芯子，设置第一金属层的上层硅片、设置第二金属层的第一硅片和第二硅片、以及设置第三金属层的下层硅片形成接地结构，第一通孔阵列206中的每个通孔与第二通孔阵列302中的每个通孔一一对应，通过设置第四金属层的第一通孔阵列和第二通孔阵列将接地结构连接，形成基于MEMS工艺的硅基空气填充微同轴结构10。
可选的，下层硅片300中第二凹槽301的长度分别与第一凹槽101的长度和下层硅片的长度相同。
可选的，可以根据中层硅片200中的芯子硅片203传输的信号的频率范围、阻抗等指标设置第二凹槽301的宽度和深度。
可选的，下层硅片300可以为与上层硅片100大小相同的矩形硅片，第二凹槽301可以为矩形凹槽。
其中，第二凹槽301也可以为弧形、半圆形或者不规则形状的凹槽，具体可以根据需要的传输性能以及第一凹槽101的形状设计第二凹槽301的具体形状。
可选的，第二凹槽301可以与第一凹槽101大小相同且位置对应。
上述硅基空气填充微同轴结构，通过上层硅片上设置第一凹槽，且第一凹槽沿信号传输方向贯穿上层硅片；中层硅片包括第一硅片、多个左支撑梁硅片、芯子硅片、多个右支撑梁硅片和第二硅片；芯子硅片与第一凹槽位置对应；间隔第一预设距离的多个左支撑梁硅片一端连接第一硅片，另一端连接芯子硅片；间隔第二预设距离的多个右支撑梁硅片一端连接芯子硅片，另一端连接第二硅片；第一硅片和第二硅片上分别设置贯穿上下表面的第一通孔阵列；下层硅片上设置与第一凹槽对应的第二凹槽，且设置与第一通孔阵列对应的第二通孔阵列。通过金属层依次键合上层硅片、中层硅片和下层硅片，键合后第一凹槽与第二凹槽组成的空腔结构与芯子硅片形成硅基空气填充微同轴结构，工作时，下层硅片的下表面接地，进而使硅基空气填充微同轴结构上的第一通孔阵列和第二通孔阵列与地连接，使硅基空气填充微同轴结构的外围接地，信号在中层硅片的芯子硅片上传输，芯子硅片的周围是地，利用本发明的硅基空气填充微同轴结构传输信号，传输性能好，一致性高，可以实现叠层等集成化工艺，易于与半导体工艺集成，适于批量生产。
参见图5，作为本发明的又一实施例，本发明还包括一种硅基空气填充微同轴传输线，包括上面所述任一项实施例的硅基空气填充微同轴结构，并且与上述任一实施例所述的硅基空气填充微同轴结构具有相同的有益效果。
本发明的同轴传输线，可以实现直线或折线的硅基空气填充微同轴传输线，即将多个上述任一实施例描述的硅基空气填充微同轴结构10连接成直线或折线的硅基空气填充微同轴传输线，如图5所示的形状。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种硅基空气填充微同轴结构，其特征在于，包括：上层硅片、中层硅片和下层硅片；
所述上层硅片上设置第一凹槽，所述第一凹槽沿信号传输方向贯穿所述上层硅片；
所述中层硅片从左至右依次包括第一硅片、多个左支撑梁硅片、芯子硅片、多个右支撑梁硅片和第二硅片；所述芯子硅片与所述第一凹槽位置对应；间隔第一预设距离的所述多个左支撑梁硅片一端连接所述第一硅片，另一端连接所述芯子硅片；间隔第二预设距离的所述多个右支撑梁硅片一端连接所述芯子硅片，另一端连接所述第二硅片；所述第一硅片和所述第二硅片上分别设置贯穿上下表面的第一通孔阵列；
所述芯子硅片的除前后端面的外表面均设置第二金属层；设置所述第二金属层的芯子硅片用于形成传输芯子；
所述下层硅片上设置与所述第一凹槽对应的第二凹槽，且设置与所述第一通孔阵列对应的第二通孔阵列；
通过金属层依次键合所述上层硅片、所述中层硅片和所述下层硅片，键合后所述第一凹槽与所述第二凹槽相对设置，形成空腔结构，所述芯子硅片位于所述空腔结构内，所述第一通孔阵列中的每个通孔与所述第二通孔阵列中的每个通孔一一对应，所述空腔结构内填充空气，形成硅基空气填充微同轴结构。
2.如权利要求1所述的硅基空气填充微同轴结构，其特征在于，
所述上层硅片的下表面以及所述第一凹槽的槽壁设置第一金属层；
与所述芯子硅片对应的所述第一硅片的右侧面和所述第二硅片的左侧面设置所述第二金属层；所述第一硅片和所述第二硅片的上下表面均设置所述第二金属层；
所述下层硅片的上下表面以及所述第二凹槽的槽壁均设置第三金属层；
通过所述第一金属层、所述第二金属层和所述第三金属层依次将所述上层硅片、所述中层硅片和所述下层硅片按顺序键合连接；
设置所述第一金属层的所述上层硅片、设置所述第二金属层的所述第一硅片和所述第二硅片、以及设置所述第三金属层的所述下层硅片用于形成接地结构；
所述传输芯子和所述接地结构形成所述硅基空气填充微同轴结构。
3.如权利要求2所述的硅基空气填充微同轴结构，其特征在于，
所述第一通孔阵列中所有通孔内和所述第二通孔阵列中所有通孔内均设置第四金属层。
4.如权利要求3所述的硅基空气填充微同轴结构，其特征在于，所述第一金属层、所述第二金属层、所述第三金属层和所述第四金属层采用的金属均为同一种金属。
5.如权利要求4所述的硅基空气填充微同轴结构，其特征在于，所述第一金属层、所述第二金属层、所述第三金属层和所述第四金属层采用的金属均为金。
6.如权利要求1所述的硅基空气填充微同轴结构，其特征在于，当所述第一预设距离与所述第二预设距离相同时，所述多个左支撑梁硅片中的每个支撑梁硅片与所述多个右支撑梁硅片中的每个支撑梁硅片的位置一一对应或不对应；
当所述第一预设距离与所述第二预设距离不相同时，所述多个左支撑梁硅片中的每个支撑梁硅片与所述多个右支撑梁硅片中的每个支撑梁硅片的位置不对应。
7.如权利要求1所述的硅基空气填充微同轴结构，其特征在于，
所述第一凹槽的长度与所述上层硅片的长度相同；所述第二凹槽的长度分别与所述第一凹槽的长度和所述下层硅片的长度相同；
根据所述芯子硅片传输的信号的频率设置所述第一凹槽和所述第二凹槽的宽度和深度。
8.如权利要求1所述的硅基空气填充微同轴结构，其特征在于，所述第一凹槽为矩形凹槽；所述第二凹槽为矩形凹槽。
9.如权利要求1所述的硅基空气填充微同轴结构，其特征在于，所述第二凹槽与所述第一凹槽大小相同且位置对应。
10.一种硅基空气填充微同轴传输线，其特征在于，包括如权利要求1至9任一项所述的硅基空气填充微同轴结构。
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