CN112234330B - 硅-旋磁铁氧体嵌套结构及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了硅‑旋磁铁氧体嵌套结构，属于微波集成器件微加工领域，包括硅腔体和嵌入至所述硅腔体内的旋磁铁氧体，其特征在于：在所述旋磁铁氧体的侧面和下表面设置有金属薄膜粘附层，并在所述金属薄膜粘附层上设置有氮化硅薄膜层；本发明还公开了上述嵌套结构的制作方法，包括旋磁铁氧体超声清洗、在旋磁铁氧体上表面和侧面溅射一层金属薄膜粘附层；本发明在高温或者温度冲击的过程中，可以保证硅与旋磁铁氧体热膨胀不会失配，保证MEMS硅基腔体环行器/隔离器器件的可靠性，硅与旋磁铁氧体嵌套结构发生热膨胀失配的可能性大大降低，嵌套结构热稳定性提高，满足MEMS硅基腔体环行器/隔离器器件对可靠性的要求。

Description

硅-旋磁铁氧体嵌套结构及其制作方法
技术领域
本发明涉及微波集成器件微加工领域，尤其涉及一种硅-旋磁铁氧体嵌套结构及其制作方法。
背景技术
微波铁氧体环行器/隔离器是各类雷达系统的不可缺少的关键器件，它主要用于解决微波系统级间隔离、阻抗匹配以及天线收发共用等系列问题，能够极大提高雷达系统的战术性能。目前，MEMS硅基腔体环行器具有器件性能佳、尺寸小、可大批量生产的优势，采用MEMS制造工艺将铁氧体嵌套到硅晶圆内，再在硅晶圆上制作微带金属薄膜电路，是制造生产硅-铁氧体异质集成环行器/隔离器的工艺途径之一。
其中，在旋磁铁氧体嵌入到硅腔体中后，由于旋磁铁氧体与硅的线膨胀系数相差26倍（单晶硅为2.6×10-6/K，石榴石旋磁铁氧体为0.1×10-6/K），在嵌套后对器件进行焊接、烘烤、温冲实验等高温处理过程中可能会出现热膨胀失配的后果，导致两层键合硅片分开或者崩裂，也可能导致旋磁铁氧体与硅之间、旋磁铁氧体与金属电路之间缝隙变大，使得器件微波性能受损。目前还没有相应的技术来处理这个问题。
发明内容
本发明的目的之一，就在于提供一种硅-旋磁铁氧体嵌套结构，以改善上述的硅与旋磁铁氧体嵌套后热膨胀失配的问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：一种硅-旋磁铁氧体嵌套结构，包括硅腔体和嵌入所述硅腔体内的旋磁铁氧体，在所述旋磁铁氧体的侧面和下表面设置有金属薄膜粘附层，并在所述金属薄膜粘附层上设置有氮化硅薄膜层。
本申请的发明人通过大量研究发现，氮化硅的热膨胀系数与单晶硅相当（单晶硅2.6×10-6/K ，氮化硅2.53×10-6/K），且氮化硅具有高硬度、耐高温冲击、不传热的特性，因此可以在硅和旋磁铁氧体嵌套结构之间充当缓冲层，在高温或者温度冲击的过程中，保证硅与旋磁铁氧体热膨胀不会失配，保证MEMS硅基腔体环行器/隔离器器件的可靠性；
另外，设置的金属薄膜粘附层可以起到增强氮化硅薄膜与铁氧体之间附着力的作用，保证氮化硅不会脱落。
作为优选的技术方案：所述金属薄膜粘附层的厚度为10-30nm。
优选采用上述适宜的厚度，如果过厚，表面厚度均匀性会变差，同时溅射时间会更长，且是对资源的浪费。
作为优选的技术方案：所述金属薄膜粘附层为单质金属构成。
作为进一步优选的技术方案：所述单质金属包括但不限于铬、钛、钨。
作为优选的技术方案：所述氮化硅薄膜层的厚度为100-500nm。
本发明的目的之二，在于提供上述的硅-旋磁铁氧体嵌套结构的制作方法，采用的技术方案为，包括以下步骤：
(1)将嵌套用的加工好的旋磁铁氧体进行超声清洗；
(2)在旋磁铁氧体上表面和侧面溅射一层金属薄膜粘附层；
(3)在所述金属薄膜粘附层上沉积一层氮化硅薄膜层；
(4)将沉积完成后的旋磁铁氧体和待嵌套的硅腔体进行烘烤处理；
(5)完成硅腔体与旋磁铁氧体的嵌套。
作为优选的技术方案：所述步骤(1)中的超声清洗溶液分别为丙酮、酒精、去离子水。
作为优选的技术方案：所述步骤(2)的溅射方法为磁控溅射。
作为优选的技术方案：所述步骤(3)的沉积方法包括为电子束蒸发、磁控溅射、CVD或PECVD。
作为优选的技术方案：所述步骤(4)中烘烤温度为200-500℃，烘烤时间为0.5-1.5小时，置于箱式炉中烘烤。
通过上述处理方法，硅与旋磁铁氧体嵌套结构在高温焊接、温冲试验中保持结构稳定，满足MEMS硅基腔体环行器/隔离器器件对可靠性的要求。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明通过设置层氮化硅薄膜层，可以在硅和旋磁铁氧体嵌套结构之间充当缓冲层，在高温或者温度冲击的过程中，保证硅与旋磁铁氧体热膨胀不会失配，保证MEMS硅基腔体环行器/隔离器器件的可靠性，硅与旋磁铁氧体嵌套结构发生热膨胀失配的可能性大大降低，嵌套结构热稳定性提高，满足MEMS硅基腔体环行器/隔离器器件对可靠性的要求。
附图说明
图1为现有技术的硅-旋磁铁氧体嵌套结构示意图；
图2为本发明的硅-旋磁铁氧体嵌套结构示意图。
图中：1、上硅片；2、下硅片；3、旋磁铁氧体；4、铁镍底板；5、金属薄膜粘附层；6、氮化硅薄膜层。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
实施例1
参见图2，一种硅-旋磁铁氧体嵌套结构，包括硅腔体，所述硅腔体包括上硅片1和下硅片2，还包括旋磁铁氧体3，所述旋磁铁氧体3嵌入所述硅腔体内，底部为铁镍底板4，在所述旋磁铁氧体3的侧面和下表面设置有金属薄膜粘附层5，本实施例的金属薄膜粘附层5由金属铬组成，并在所述金属薄膜粘附层5上设置有氮化硅薄膜层6；而现有技术的硅-旋磁铁氧体嵌套结构如图1所示。
上述结构的制作方法为：
（1）依次使用纯水、丙酮、无水乙醇和作为清洗溶液对将嵌套用的旋磁铁氧体3进行超声处理，时间均为10分钟，功率为80W，超声频率为11KHz，超声清洗完成后用纯水进行冲洗5分钟；
（2）采用磁控溅射在旋磁铁氧体3上表面和侧面溅射一层铬金属薄膜粘附层5，溅射温度200℃，溅射功率120W，铬金属薄膜粘附层5的厚度为10nm；
（3）采用电子束蒸发在铬金属薄膜粘附层5上沉积一层氮化硅薄膜层6，衬底温度250℃，灯丝电流10A，高压5KV，功率300W，氮化硅薄膜层的厚度为100nm；
（4）将沉积完成后的旋磁铁氧体3和待嵌套的硅腔体置于箱式炉中烘烤处理，烘烤温度350℃，烘烤时间0.5小时；
（5）完成硅腔体与旋磁铁氧体的嵌套。
通过上述处理方法，硅与旋磁铁氧体嵌套结构在高温焊接、温冲试验中保持结构稳定，满足MEMS硅基腔体环行器/隔离器器件对可靠性的要求。
实施例2
参见图2，一种硅-旋磁铁氧体嵌套结构，包括硅腔体，所述硅腔体包括上硅片1和下硅片2，还包括旋磁铁氧体3，所述旋磁铁氧体3嵌入所述硅腔体内，底部为铁镍底板4，在所述旋磁铁氧体3的侧面和下表面设置有金属薄膜粘附层5，本实施例的金属薄膜粘附层5由金属钛组成，并在所述金属薄膜粘附层5上设置有氮化硅薄膜层6；
上述结构的制作方法为：
（1）依次使用纯水、丙酮、无水乙醇和作为清洗溶液对将嵌套用的旋磁铁氧体片进行超声处理，时间均为10分钟，功率为100W，超声频率为11KHz，超声清洗完成后用纯水进行冲洗5分钟；
（2）采用磁控溅射在旋磁铁氧体上表面和侧面溅射一层钛金属薄膜粘附层5，溅射温度300℃，溅射功率180W，钛金属薄膜粘附层5的厚度为30nm；
（3）采用磁控溅射在钛金属薄膜粘附层5上溅射一层氮化硅薄膜层6，溅射温度280℃，功率200W，氮化硅薄膜层6的厚度为500nm；
（4）将沉积完成后的旋磁铁氧体3和待嵌套的硅腔体置于箱式炉中烘烤处理，烘烤温度300℃，烘烤时间1小时；
（5）完成硅腔体与旋磁铁氧体的嵌套。
通过上述处理方法，硅与旋磁铁氧体嵌套结构在高温焊接、温冲试验中保持结构稳定，满足MEMS硅基腔体环行器/隔离器器件对可靠性的要求。
对比例
不采用上述的缓冲膜层（即氮化硅薄膜层6）的嵌套结构，在300℃高温焊接时30%左右器件的硅会发生崩裂；
采用上述实施例1和实施例2的具有缓冲膜层（即氮化硅薄膜层6）的嵌套结构，在300℃高温焊接时仅5%左右器件的硅会发生崩裂（相同型号的器件下）；
另外，采用上述实施例1和实施例2的缓冲膜层的嵌套结构，在温冲试验中通过率为95%左右，而不采用上述缓冲膜层的，温冲试验中通过率在85%左右；
此外，不同的粘附层金属、不同的厚度、不同的制作工艺参数，只要在上述参数描述范围内，所得嵌套结构性能差别不明显。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内内。

Claims (9)

1.一种硅-旋磁铁氧体嵌套结构的制作方法，其特征在于，所述硅-旋磁铁氧体嵌套结构包括硅腔体和嵌入所述硅腔体内的旋磁铁氧体，在所述旋磁铁氧体与硅腔体之间设置有金属薄膜粘附层，并在所述金属薄膜粘附层与硅腔体之间设置有氮化硅薄膜层；所述制作方法包括以下步骤：
(1)将嵌套用的加工好的旋磁铁氧体进行超声清洗；超声清洗时，依次使用纯水、丙酮和无水乙醇作为清洗溶液；
(2)在旋磁铁氧体上表面和侧面溅射一层金属薄膜粘附层；
(3)在所述金属薄膜粘附层上沉积一层氮化硅薄膜层；
(4)将沉积完成后的旋磁铁氧体和待嵌套的硅腔体进行烘烤处理；
(5)完成硅腔体与旋磁铁氧体的嵌套。
2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于：所述步骤(2)的溅射方法为磁控溅射。
3.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于：所述步骤(3)的沉积方法包括为电子束蒸发、磁控溅射、CVD或PECVD。
4.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于：所述步骤(4)中烘烤温度为200-500℃，烘烤时间为0.5-1.5小时，置于箱式炉中烘烤。
5.一种硅-旋磁铁氧体嵌套结构，包括硅腔体和嵌入所述硅腔体内的旋磁铁氧体，其特征在于：在所述旋磁铁氧体与硅腔体之间设置有金属薄膜粘附层，并在所述金属薄膜粘附层与硅腔体之间设置有氮化硅薄膜层。
6.根据权利要求5所述的硅-旋磁铁氧体嵌套结构，其特征在于：所述金属薄膜粘附层的厚度为10-30nm。
7.根据权利要求5所述的硅-旋磁铁氧体嵌套结构，其特征在于：所述金属薄膜粘附层为单质金属构成。
8.根据权利要求7所述的硅-旋磁铁氧体嵌套结构，其特征在于：所述单质金属为铬、钛、钨中的一种。
9.根据权利要求5所述的硅-旋磁铁氧体嵌套结构，其特征在于：所述氮化硅薄膜层的厚度为100-500nm。
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