CN113629374B - 基于金属辅助化学刻蚀的毫米波芯片腔体器件制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于金属辅助化学刻蚀的毫米波芯片腔体器件的制备方法，属于纳米器件技术领域。采用SOI晶片，制备操作步骤：（1）采用电感耦合等离子体刻蚀方法，在顶层硅层上制作图案轮廓；并溅射金；（2）双面曝光对准，在底层硅上制作对准标记凹槽；（3）利用电子束光刻技术在底层硅层上光刻出网格栅状图案，并镀金属层；采用金属辅助化学刻蚀方法在网格栅状图案上刻蚀，在底层硅层上形成一个大面积的腔体结构；（4）在大面积的腔体结构内溅射金属层，得到毫米波芯片腔体件。毫米波芯片腔体件的底层硅层上的腔体结构用于毫米波矩形波导、腔体滤波器无源器件的制作，顶层硅层用于有源器件的制作。本发明制作出的腔体内壁光滑、垂直度高。

Description

基于金属辅助化学刻蚀的毫米波芯片腔体器件制备方法
技术领域
本发明属于纳米器件技术领域，涉及半导体制造工艺，具体涉及一种基于金属辅助化学刻蚀的毫米波腔体无源器件制备方法。
背景技术
由于毫米波片上腔体无源器件腔体尺寸、深度都比x频段的更大更深，同时还需要高的腔体的垂直度和粗糙度。用传统方法加工效果不好，所以需要修正其传统加工方式来改变制造质量，从而达到毫米波成形要求。传统的深硅刻蚀技术主要是电感耦合等离子体刻蚀（ICP），但ICP在深硅刻蚀中，可实现的深度受到一些因素的限制，同时ICP刻蚀速率不易控制，随着长径比或深度的增加，刻蚀速率显著降低。ICP刻蚀在超过200μm深度时，刻蚀变得困难且刻蚀轨迹发生弯曲。ICP刻蚀深宽比为30:1，而发明提到的金属辅助化学刻蚀方法深宽比能达到100：1以上。ICP刻蚀的另一个不良副作用是离子对半导体侧壁和底面的损伤，易产生微沟槽，增加表面粗糙度，导致非辐射复合和载流子迁移率的退化。离子进入样品表面后形成对载流子陷阱，会造成晶格缺陷或杂质。对某些依赖于表面导电性和载流子分布的特殊电子器件，反应离子刻蚀形成的离子损伤会改变这些器件的性能。需要通过退火或湿法化学腐蚀等后续工艺来消除损伤。
金属辅助化学刻蚀（MacEtch）是一种湿法硅刻蚀技术，能够制造各向异性的硅结构。金属辅助化学刻蚀是通过导电材料作为催化剂刻蚀半导体，所以侧壁的粗糙度与使用的金属催化剂本身的粗糙度有关，而在刻蚀过程中不会产生较大的粗糙度。其次金属辅助化学刻蚀只在金属催化剂与硅的表面发生反应，不会出现过刻蚀的现象，因此产生的图形与金属催化剂形状一致，这就提供了极高的刻蚀精度，图案可以完全相同地转移。相对于ICP而言，得到的侧壁形貌更好并且无需额外的粗糙度处理步骤，垂直度更高。尽管该技术简单、制造成本低、能够产生高纵横比结构，可用于深硅刻蚀。但MacEtch目前主要用于制备硅纳米线和纳米硅孔状结构，并应用于光伏领域。MacEtch工艺在面积为微米级以及微米级以上大面积的刻蚀中仍然存在问题，刻蚀液无法到达催化剂中心区域，刻蚀产生的气体无法从催化剂下方及时排出，这可能会使催化剂金属层漂浮或弯曲。MacEtch在刻蚀狭长缝隙时，由于刻蚀过程产生的气体，以及金属催化剂受力不平衡问题造成刻蚀轨迹不垂直。
发明内容
为了解决深度200μm以上的毫米波腔体无源器件制造中存的腔体尺寸精度和粗糙度难以控制的问题，本发明提供一种基于金属辅助化学刻蚀的毫米波腔体无源器件的制备方法。
基于金属辅助化学刻蚀的毫米波芯片腔体器件制备方法，采用SOI晶片，所述SOI晶片的顶层硅层的厚度为5～200um、中间氧化硅层的厚度为100nm～5um、底层硅层的厚度为200um以上；所述中间氧化硅层作为支撑层，制造操作步骤如下：
（1）采用电感耦合等离子体刻蚀方法，在顶层硅层上制作图案轮廓；采用金属溅射方法在图案轮廓的缝隙内溅射金，形成镀金轮廓；
（2）采用电感耦合等离子体刻蚀方法双面曝光对准，在底层硅层上制作对准标记凹槽；
（3）利用电子束光刻技术在底层硅层上光刻出网格栅状图案，在网格栅状图案上镀金属层；采用金属辅助化学刻蚀方法，按网格栅状图案去除底层硅层上对应的材料和部分氧化硅层，并移除刻蚀区域的纳米柱，在底层硅层上形成一个大面积的腔体结构；
（4）采用金属溅射方法在大面积的腔体内溅射金属层，得到毫米波芯片腔体件；
所述毫米波芯片腔体件的底层硅层上的大面积的腔体结构用于毫米波矩形波导、腔体滤波器无源器件的制作，毫米波芯片腔体器件的顶层硅层用于有源器件的制作。
基于金属辅助化学刻蚀的毫米波芯片腔体器件制备具体操作步骤如下：
（1）制备顶层硅图案
（1.1）曝光、显影
在SOI晶片的顶层硅层的整个表面旋涂液性AZ5214光刻胶；在带有十字丝对准标记的第一掩膜版上制作出腔体图案轮廓，采用光刻机设备将第一掩膜版上的图形转移到光刻胶涂层上，遮挡住需要保留的光刻胶部分，曝光、显影需要去除的光刻胶部分；得到顶层硅层上具有的腔体图案轮廓的SOI晶片；
（1.2）ICP刻蚀顶层硅层上的腔体图案轮廓、溅射金属
采用电感耦合等离子体刻蚀（ICP）方法对显影暴露出来的顶层硅层上的腔体图案轮廓进行刻蚀，直至刻蚀完成腔体图案轮廓，并刻蚀掉对应腔体图案轮廓部分中间氧化硅层；用去胶液在环境温度50℃条件下，去除之前保留下的光刻胶；采用金属溅射的方法，在腔体轮廓缝隙中溅射金，形成镀金轮廓；得到顶层硅层上具有镀金轮廓的SOI晶片；
（2）对SOI晶片双面曝光对准、底层硅层上制作对准标记凹槽
（2.1）对SOI晶片双面曝光对准、显影
（2.1.1）在底层硅层（3）的整个表面上旋涂液性AZ5214光刻胶，并匀胶；采用数字显微镜，将SOI晶片具有镀金轮廓的顶层硅层一面向下放在数字显微镜的承片台上，调平，对焦；拍摄SOI晶片的顶层硅层上镀金轮廓的十字图样标记实时图像，并与显微镜头上方的第二掩模版上的标记静态图像同时叠加显示在显示屏上；
（2.1.2）通过转动或在X、Y和Z方向平移承片台调整SOI晶片的位置，直到所述十字图样和已存储的第二掩模版上的十字图样重合对准，接下来以接近或接触方式进行底层硅层表面的曝光，显影在底层硅层上，得到底层硅层上具有四个十字对准标记图案的SOI晶片；
（2.2）ICP刻蚀底层硅形成对准标记凹槽
采用电感耦合等离子体刻蚀（ICP）机，在底层硅层上刻蚀出深度为微米级的待制作腔体图案的四个十字标记凹槽；用去胶液在环境温度为50℃条件下去除光刻胶，直到完全去掉光刻胶；
电感耦合等离子体刻蚀（ICP）的工作真空度为10-3－10-4 Pa；
（3）制备底层硅层上的腔体结构
（3.1）设置网格电子束曝光、显影
在底层硅层上旋涂PMMA光刻胶，在四个十字标记凹槽限定的区域，用电子束曝光网格栅状图案，显影出网格栅状图案层；
（3.2）沉积钛金金属层
使用电子束蒸发设备，在网格栅状图案层上镀钛金层9；用去胶液NMP（N-甲基吡咯烷酮）在环境温度70℃条件下完全去除其它部分的PMMA光刻胶；
（3.3）金属辅助化学刻蚀
将底层硅层向上，在底层硅层上放入刻蚀液，常温下进行刻蚀，将镀金网格栅状图案内的底层硅全部刻蚀；当刻蚀到中间氧化硅层时，连接支撑底层硅的与网格栅状图案对应的中间氧化硅层被刻蚀去除，形成的纳米柱缺少支撑漂浮着，随刻蚀液被移除；在底层硅层上形成一个大面积的深腔结构；
所述刻蚀液由浓度30%的过氧化氢（H2O2）、浓度49%的氢氟酸（HF）和去离子水按照1:3:1～1:6:8的比例混合均匀制成；
（4）溅射金属
在底层硅层上的大面积的腔体结构内溅射金属层，得到毫米波芯片腔体件。
进一步的具体技术方案如下：
步骤（1.1）中，所述光刻机设备为i线接触式光刻机设备。
步骤（1.2）中，所述ICP刻蚀设备为电感耦合等离子刻蚀机，刻蚀室极限真空度：≤6×10-5 Pa；射频电源频率为13.56MHZ； 最低工艺气压2 mTorr；工艺气体气路4路，对于硅的刻蚀而言，一般以SF6作为刻蚀气体。
步骤（2.1）中，所述数字显微镜为双光路结构的卧式分离视场数字显微镜，由两个高分辨率显微镜CCD（电荷耦合元件）数字摄像头，两路CCD光学成像系统分别摄取掩模上的左右对准标记并由计算机储存起来。CCD图像倍率：180x–1200x，分辨率小于0.5µm，正面套刻精度小于±0.5µm，背面套刻精度小于±0.5µm。
步骤（2.2）中，电感耦合等离子体刻蚀（ICP）的工作的真空度为10-3－10-4 Pa。
步骤（3.1）中，所述网格栅状图案的线条宽度为50～500nm，单个网格面积为1×1μm～5×5μm的正方形。
步骤（3.2）中，在网格栅状图案层8上先镀钛层，钛层为粘附层使硅片和金层更好贴合；再镀金。
步骤（3.2）中，所述镀金网格栅状图案9的材料为金薄膜或铂薄膜或银薄膜或石墨烯薄膜等导电材料。
本发明的有益技术效果体现在以下方面：
1.本发明的创新点在于金属辅助化学刻蚀大面积腔体以及狭长缝隙刻蚀。采用金属网格图案来刻蚀大面积腔体，由于网状金属催化剂结构的稳定性，使催化剂偏离其向下蚀刻方向所需的弯曲扭矩与所施加的力以及与枢轴点的半径成正比，刻蚀速度均匀。同时网状结构将大面积的刻蚀，分解为小面积网格线条刻蚀，向下刻蚀效果更好。将催化剂图案刻蚀到SiO2层，用HF去除SiO2层，形成大面积腔体。对网格图形化进行不同定义可以实现不同形状刻蚀，解决了金属辅助化学刻蚀大面积腔体以及狭长缝隙刻蚀不均匀，不垂直刻蚀的问题。本发明采用金属辅助化学刻蚀的方法刻蚀大面积腔体，相较于传统工艺刻蚀出的腔体，金属辅助化学刻蚀是通过导电材料作为催化剂刻蚀半导体，所以侧壁的粗糙度与使用的金属催化剂本身的粗糙度有关，而在刻蚀过程中不会产生较大的粗糙度。金属辅助化学刻蚀粗糙度能达到10nm以下。其次金属辅助化学刻蚀只在金属催化剂与硅的表面发生反应，不会出现过刻蚀的现象，因此产生的图形与金属催化剂形状一致，这就提供了极高的刻蚀精度，图案可以完全相同地转移。其精度取决于光刻精度，最高可达 5nm。而目前使用的ICP技术制造出的矩形波导制造公差大多可控制在2um以内，本发明采用SOI晶片，采用网格栅状金属图案解决了MacEtch中一直无法克服的大面积刻蚀问题。将改良后的金属辅助化学刻蚀应用于微波腔体器件的制造，解决了传统加工工艺复杂，腔体尺寸精度和粗糙度难以控制的问题。同时提出来一种在SOI硅衬底上集成无源器件及有源器件的工艺，提高了器件集成度。
2.本发明的另一个创新点在于有效利用了硅片背面来加工腔体无源器件。采用SOI晶圆作为衬底，由于SOI的介质隔离，制作在厚膜SOI结构上的器件正、背界面的耗尽层之间不互相影响。本发明将底层硅应用金属辅助化学刻蚀进行深硅刻蚀用于腔体无源器件的制造，同时有效利用SOI顶层硅部分用于有源或无源平面器件的制造，将有源器件与无源器件集成在一个芯片上。
3.本发明采用双面曝光对准技术及电感耦合等离子体刻蚀（ICP）方法，在网格栅状图案层上溅射钛金层之后，氢氟酸（HF）刻蚀部分中间氧化硅层（SiO2层）时，边缘刻蚀被金属阻断，得到一个平整的大面积腔体底面。本发明采用金属网格图案来刻蚀大面积腔体，由于网状金属催化剂结构的稳定性，使催化剂偏离其向下蚀刻方向所需的弯曲扭矩与所施加的力以及与枢轴点的半径成正比，刻蚀速度均匀。同时网状结构将大面积的刻蚀，分解为小面积网格线条刻蚀，向下刻蚀效果更好。
附图说明
图1为实施例1的矩形腔体滤波器的立体示意图。
图2为本发明使用的SOI晶片立体结构图。
图3为实施例1腔体滤波器结构制备的工艺步骤（1.2）ICP刻蚀顶层硅层上的图案轮廓立体示意图。
图4为实施例1腔体滤波器结构制备的工艺步骤（1.2）溅射金属立体示意图。
图5为实施例1腔体滤波器结构制备的工艺步骤（2.2）立体示意图。
图6为实施例1腔体滤波器结构制备的工艺步骤（3.1）立体示意图。
图7为实施例1腔体滤波器结构制备的工艺步骤（3.2）立体示意图。
图8为实施例1腔体滤波器结构制备的工艺步骤（3.3）和（3.4）立体示意图。
图9为实施例1腔体滤波器结构制备的工艺步骤（4）立体示意图。
图10为本发明使用的SOI晶片A-A＇剖面的结构图。
图11为实施例1腔体结构A-A＇剖面的工艺步骤（1.2）ICP刻蚀顶层硅层上的图案轮廓示意图。
图12为实施例1腔体结构A-A＇剖面的工艺步骤（1.2）溅射金属示意图。
图13为实施例1腔体结构A-A＇剖面的工艺步骤（3.1）示意图。
图14为实施例1腔体结构A-A＇剖面的工艺步骤（3.2）示意图。
图15为实施例1腔体结构A-A＇剖面的工艺步骤（3.3）和（3.4）示意图。
图16为实施例1腔体结构A-A＇剖面的工艺步骤（4）取另一片硅晶片，在一面上溅射金属示意图。
图17为实施例1腔体结构A-A＇剖面的工艺步骤（4）将底层硅层制备的腔体溅射金属示意图。
图18为实施例1腔体结构A-A＇剖面的工艺步骤（4）晶圆键合示意图。
图19为实施例1中腔体滤波器HFSS仿真模型示意图以及腔体滤波器的具体尺寸图。
图20为腔体滤波器HFSS仿真结果图。
图21为实例2中矩形波导插入损耗仿真结果图。
上图1-图18中序号：顶层硅层1、中间氧化硅层2、底层硅层3、腔体轮廓缝隙4、镀金轮廓5、十字标记凹槽6、PMMA光刻胶层7、网格栅状图案8、镀金网格栅状图案9、深腔结构10、腔体金层11、新硅片12、硅片金层13、键合金层14、仿真模型结构15。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地描述。
实施例1
一种基于金属辅助化学刻蚀的毫米波腔体滤波器制备操作步骤如下：
参见图1，本实施例制备的毫米波腔体滤波器的示意图，以剖面A-A＇说明毫米波腔体滤波器的制备过程。
（1）制备顶层硅图
参见图2和图10，取一片四寸P型100绝缘体上硅（SOI），用激光划片机切割成一块面积为1cm×1cm的矩形SOI晶片作为硅衬底片。SOI晶片是三层结构，其中顶层硅层1的厚度为25μm、中间氧化硅层2的厚度1μm、底层硅层3的厚度550μm。先后用丙酮、甲醇、异丙醇溶液进行清洗，然后使用氮气枪吹干。再用氢氟酸溶液进行清洗硅表面氧化层，并吹干。
（1.1）曝光、显影
使用六甲基硅胺烷（HMDS）对顶层硅层1进行成膜处理，它起到了粘附促进剂的作用。立即在顶层硅层1上采用旋转涂胶的方法涂上液相光刻胶AZ5214。具体操作是：将硅衬底片固定在一个真空载片台上，将一定数量的液体光刻胶滴在硅衬底片1上，然后顶层硅层1旋转得到一层均匀的光刻胶涂层。再要经过软烘，以去除光刻胶中的溶剂，提高粘附性。接着，使用i线接触式光刻机设备，i线是指波长为365nm的谱线，这种光刻机的分辨率能达到微米级。在带有十字丝对准标记的第一掩膜版上制作出滤波器的腔体图案轮廓，将掩膜版上的腔体图案轮廓转移到有光刻胶涂层的顶层硅层1上，遮挡住需要保留的光刻胶部分，曝光、显影需要去除的光刻胶部分，得到顶层硅层1上具有滤波器的腔体图案轮廓的SOI晶片。
（1.2）ICP刻蚀顶层硅层上的图案轮廓、溅射金属
参见图3和图11，使用ICP刻蚀设备，工作的真空度为高真空度10-4 Pa，在顶层硅层1上按腔体图案轮廓刻蚀出腔体轮廓缝隙4，，并刻蚀掉对应腔体图案轮廓部分中间氧化硅层。在环境温度50℃条件下，用去胶液完全去除光刻胶。参见图4和图12，采用金属溅射的方法在腔体轮廓缝隙4内溅射金形成镀金轮廓5；得到顶层硅层1上具有镀金轮廓5的SOI晶片。
镀金轮廓5阻断后续工艺HF去除SiO2层时向腔体四周边缘扩散造成过刻蚀。
所述ICP刻蚀设备为电感耦合等离子刻蚀机，刻蚀室极限真空度：≤6×10-5 Pa；射频电源频率为13.56MHZ； 最低工艺气压2 mTorr；工艺气体气路4路，对于硅的刻蚀而言，一般以SF6作为刻蚀气体。
（2）对SOI晶片双面曝光对准、底层硅层上制作对准标记凹槽
（2.1）对SOI晶片双面曝光对准、显影
（2.1.1）在底层硅层（3）的整个表面上旋涂液性AZ5214光刻胶，并匀胶；将刻有四个十字丝对准标记的第二掩模版固定在设备的夹具上，下方一对数字显微镜拍摄掩模版上的十字标记图像，存贮并同时定位在显示屏上；然后将顶层硅层1上具有镀金轮廓5的SOI晶片放置在承片台中，包含对准标记的图样面朝下，且位于第二掩模版的下方，并且调平；对显微镜进行调焦，拍摄顶层硅层1上具有镀金轮廓5的SOI晶片的十字图样标记实时图像，并与显微镜头上方的第二掩模版上的标记静态图像同时叠加显示在显示屏上。
所述数字显微镜为双光路结构的卧式分离视场数字显微镜，由两个高分辨率显微镜CCD（电荷耦合元件）数字摄像头，两路CCD光学成像系统分别摄取掩模上的左右对准标记并由计算机储存起来。CCD图像倍率：180x–1200x，分辨率小于0.5µm，正面套刻精度小于±0.5µm，背面套刻精度小于±0.5µm。
（2.1.2）转动或在X、Y、Z方向平移承片台，调整SOI晶片位置，直到SOI晶片上的十字图样和已存储的第二掩模版的十字图样重合对准，接下来以接近或接触方式进行SOI晶片上底层硅层3表面的曝光，显影在底层硅层3上得到四个十字对准标记图案，见图5。
（2.2）ICP刻蚀底层硅层形成对准标记凹槽
参见图5，使用电感耦合等离子体刻蚀（ICP）刻蚀设备，工作真空度为高真空度10-4 Pa，对在底层硅层3上进行ICP刻蚀，刻蚀出深度为微米级的四个十字标记凹槽6。并用去胶液在环境温度50℃条件下完全去掉光刻胶。在底层硅层3上得到深度为微米级的待制作腔体图案的四个十字图样标记凹槽，确定电子束曝光区域。
（3）制备底层硅层上的腔体结构
（3.1）设置网格电子束曝光、显影
参见图13，金属辅助化学刻蚀需要纳米级的图案，才能得到好的刻蚀效果。传统的光学光刻机一般只能达到微米级，所以底层硅层3上应用电子束曝光来制作100nm线宽的图案。PMMA(polymethyl methacrylate)是一种非常适合许多成像和非成像微电子应用程序的聚合物材料。用于电子束工艺曝光，工作的真空度为高真空度5×10-5Pa以下，在底层硅层3上旋涂PMMA光刻胶层7；在四个十字标记凹槽6限定的区域内，用电子束曝光网格栅状图案，显影出网格栅状图案8，见图6。网格栅状图案8的线条宽度为100nm，单个网格面积为1×1μm的正方形，单个网格组成大的网格栅状图案。
（3.2）沉积钛金金属层
参见图14，使用电子束蒸发设备，工作真空度为高真空度10-3－10-4 Pa，在网格栅状图案层8上先镀钛（Ti）层，钛（Ti）层厚度为5nm，钛（Ti）为粘附层使硅片和金层更好贴合；再镀金层，金层厚度30nm，得到镀金网格栅状图案9，见图7。用去胶液NMP（N-甲基吡咯烷酮）在环境温度为70℃条件下完全去掉光刻胶。
（3.3）金属辅助化学刻蚀
参见图15，将底层硅层3面向上，在镀金网格栅状图案9上加入刻蚀液，常温下进行刻蚀，将镀金网格栅状图案9内的底层硅层全部刻蚀；当刻蚀到中间氧化硅层2时，连接支撑底层硅层的与网格栅状图案对应的中间氧化硅层被刻蚀去除，形成的纳米柱缺少支撑漂浮着，随刻蚀液被移除；在底层硅层3上形成一个大面积的深腔结构10，见图8。刻蚀液由5ml浓度30%的过氧化氢（H2O2）、20ml浓度49%的氢氟酸（HF）和8ml去离子水混合均匀制成。采用镀金金属网格栅状图案来刻蚀大面积腔体，由于镀金网格栅状图案9结构的稳定性，使镀金网格栅状图案9偏离其向下蚀刻方向所需的弯曲扭矩与所施加的镀金网格栅状图案的重力、网格栅状图案枢轴点的半径成正比，刻蚀速度均匀。同时网状结构将大面积的刻蚀，分解为小面积网格线条刻蚀，向下刻蚀效果更好。
（3.4）HF溶液去除SiO2层
参见图15，当向下刻蚀到中间氧化硅层2时，刻蚀液中的氢氟酸（HF）可以去除SiO2材料。刻蚀液中包含HF溶液，暴露在外面的SiO2层被去除，金属辅助化学刻蚀形成的四棱柱缺少支撑层漂浮着，随着刻蚀液被移除。步骤1.3中，参见图12，从顶层硅层1到底层硅层3的镀金轮廓5有效的阻止了氢氟酸（HF）向腔体底部SiO2层四周边缘扩散造成过刻蚀。得到了底面角度垂直平整的大面积的深腔结构10。
（4）溅射金属、电镀、晶圆键合
参见图17，在底层硅层3上的大面积的深腔结构10内溅射金，形成腔体金层11，得到毫米波芯片腔体件。
参见图16，取另一块清洗过的硅晶片12，在一面上溅射金，形成硅片金层13，并通过电镀使硅片金层13增厚到3μm。
参见图18，最后，通过晶圆键合将硅晶片12上的硅片金层13和底层硅层3上的腔体金层11结合形成键合金层14，得到毫米波腔体滤波器。
参见图19，毫米波腔体滤波器模型横截面尺寸，其中d1=3.69mm、d2=2.08mm、d3=2.08mm、d4=3.69mm、L1=7.05mm、L2=7.478mm、L3=7.05mm。目前使用的ICP技术制造出的毫米波矩形波导制造公差大多可控制在2um以内，本发明提出的使用金属辅助化学刻蚀方法制作滤波器公差可控制在纳米级别，降低的制造公差可以使滤波器中心频带在毫米波频段减少偏移。
本实施例1毫米波腔体滤波器的中心频率在23.9GHz，通带带宽400MHz，带内S11优于12dB，插损低于0.5dB，阻带衰减超过20dB的带通滤波器。
参见图20，毫米波腔体滤波器的仿真结果，金属基片厚度h为0.508mm。仿真模型模拟实际制作工艺情况的硅片内部溅射金属的结构，在硅内侧壁设置有限导体边界，材料设置为金，厚度为3μm。粗糙度为10nm，使用Huray模型，小球半径设置为 10nm，Sr设置为 8π/
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，硅结构周围为空气腔。制作精度为理想情况，垂直度为90度。
制备完成底层硅层3上的腔体滤波器后，顶层硅层1上用于制作有源器件，如PN结二极管、微波双极晶体管（BJT）、场效应晶体管（FET）等，最后形成单片微波集成电路。
实施例2
基于金属辅助化学刻蚀制作的毫米波矩形波导。
矩形波导采用长度为20mm的WR-42（10.668x4.318mm）的标准矩形波导，工作频率在17.6-26.7GHZ。采用实施例1中的矩形腔体制造方法，在硅片上刻蚀矩形波导腔体。通过有限元仿真分析对矩形波导进行仿真，仿真结果如图21所示。模型中采用类似于实际情况的硅片内部溅射金属的设置，硅内侧壁设置为有限导体边界，使用Huray模型，小球半径设置为10nm，Sr设置为8π/
Figure 966301DEST_PATH_IMAGE001
，采用金作为材料，厚度为3um，硅周围为空气盒子。波导在17.6-26.7GHz频段的插入损耗为0.05dB/mm，而硅微机械加工中使用ICP方法在硅晶圆上制作出的矩形波导侧壁粗糙度高达200～300nm，波导的平均插入损耗高达0.6～1dB/mm，在经过氧化步骤减小粗糙度后，仍有100nm左右的侧壁粗糙度，平均插入损耗约为0.25dB/mm。

Claims (7)

1.一种基于金属辅助化学刻蚀的毫米波芯片腔体器件的制备方法，采用SOI晶片，所述SOI晶片的顶层硅层的厚度为5～200um、中间氧化硅层的厚度为100nm～5um、底层硅层的厚度为200um以上；所述中间氧化硅层作为支撑层，其特征在于制造操作步骤如下：
（1）采用电感耦合等离子体刻蚀方法，在顶层硅层上制作图案轮廓；采用金属溅射方法在图案轮廓的缝隙内溅射金，形成镀金轮廓；
具体操作如下：使用ICP刻蚀设备，工作的真空度为高真空度10-4 Pa，在顶层硅层上按腔体图案轮廓刻蚀出腔体轮廓缝隙，并刻蚀掉对应腔体图案轮廓部分中间氧化硅层；在环境温度50℃条件下，用去胶液完全去除光刻胶；采用金属溅射的方法在腔体轮廓缝隙内溅射金形成镀金轮廓，得到顶层硅层上具有镀金轮廓的SOI晶片；镀金轮廓阻断后续工艺HF去除SiO2层时向腔体四周边缘扩散造成过刻蚀；
（2）采用电感耦合等离子体刻蚀方法双面曝光对准，在底层硅层上制作对准标记凹槽；
（3）利用电子束光刻技术在底层硅层上光刻出网格栅状图案，在网格栅状图案上镀金属层；采用金属辅助化学刻蚀方法，按网格栅状图案去除底层硅层上对应的材料和部分氧化硅层，并移除刻蚀区域的纳米柱，在底层硅层上形成一个大面积的腔体结构；
（4）采用金属溅射方法在大面积的腔体内溅射金属层，得到毫米波芯片腔体件；
所述毫米波芯片腔体件的底层硅层上的大面积的腔体结构用于毫米波矩形波导、腔体滤波器无源器件的制作，毫米波芯片腔体器件的顶层硅层用于有源器件的制作。
2.根据权利要求1所述的一种基于金属辅助化学刻蚀的毫米波芯片腔体器件的制备方法，其特征在于：
（1）制备顶层硅图案
（1.1）曝光、显影
在SOI晶片的顶层硅层的整个表面旋涂液性AZ5214光刻胶；在带有十字丝对准标记的第一掩膜版上制作出腔体图案轮廓，采用i线接触式光刻机设备将第一掩膜版上的图形转移到光刻胶涂层上，遮挡住需要保留的光刻胶部分，曝光、显影需要去除的光刻胶部分；得到顶层硅层上具有的腔体图案轮廓的SOI晶片；
（1.2）ICP刻蚀顶层硅层上的腔体图案轮廓、溅射金属
采用电感耦合等离子刻蚀机，工作的真空度为高真空度10-4 Pa，对显影暴露出来的顶层硅层上的腔体图案轮廓进行刻蚀，直至刻蚀完成腔体图案轮廓，并刻蚀掉对应腔体图案轮廓部分中间氧化硅层；用去胶液在环境温度50℃条件下，去除之前保留下的光刻胶；采用金属溅射的方法，在腔体轮廓缝隙中溅射金，形成镀金轮廓；得到顶层硅层上具有镀金轮廓的SOI晶片；镀金轮廓阻断后续工艺HF去除SiO2层时向腔体四周边缘扩散造成过刻蚀；
（2）对SOI晶片双面曝光对准、底层硅层上制作对准标记凹槽
（2.1）对SOI晶片双面曝光对准、显影
（2.1.1）在底层硅层的整个表面上旋涂液性AZ5214光刻胶，并匀胶；采用数字显微镜，将SOI晶片具有镀金轮廓的顶层硅层一面向下放在数字显微镜的承片台上，调平，对焦；拍摄SOI晶片的顶层硅层上镀金轮廓的十字图样标记实时图像，并与显微镜头上方的第二掩模版上的标记静态图像同时叠加显示在显示屏上；
（2.1.2）通过转动或在X、Y和Z方向平移承片台调整SOI晶片的位置，直到所述十字图样和已存储的第二掩模版上的十字图样重合对准，接下来以接近或接触方式进行底层硅层表面的曝光，显影在底层硅层上，得到底层硅层上具有四个十字对准标记图案的SOI晶片；
（2.2）ICP刻蚀底层硅形成对准标记凹槽
采用电感耦合等离子体刻蚀机，在底层硅层上刻蚀出深度为微米级的待制作腔体图案的四个十字标记凹槽；用去胶液在环境温度为50℃条件下去除光刻胶，直到完全去掉光刻胶；
电感耦合等离子体刻蚀的工作真空度为10-3－10-4 Pa；
（3）制备底层硅层上的腔体结构
（3.1）设置网格电子束曝光、显影
在底层硅层上旋涂PMMA光刻胶，在四个十字标记凹槽限定的区域，用电子束曝光网格栅状图案，显影出网格栅状图案层；
（3.2）沉积钛金金属层
使用电子束蒸发设备，在网格栅状图案层上镀钛金层；用去胶液NMP（N-甲基吡咯烷酮）在环境温度70℃条件下完全去除其它部分的PMMA光刻胶；
（3.3）金属辅助化学刻蚀
将底层硅层向上，在底层硅层上放入刻蚀液，常温下进行刻蚀，将镀金网格栅状图案内的底层硅全部刻蚀；当刻蚀到中间氧化硅层时，连接支撑底层硅的与网格栅状图案对应的中间氧化硅层被刻蚀去除，形成的纳米柱缺少支撑漂浮着，随刻蚀液被移除；在底层硅层上形成一个大面积的深腔结构；
所述刻蚀液由浓度30%的过氧化氢、浓度49%的氢氟酸和去离子水按照1:3:1～1:6:8的比例混合均匀制成；
（4）溅射金属
在底层硅层上的大面积的腔体结构内溅射金属层，得到毫米波芯片腔体件。
3.根据权利要求2所述的一种基于金属辅助化学刻蚀的毫米波芯片腔体器件的制备方法，其特征在于：步骤（2.1）中，所述数字显微镜为双光路结构的卧式分离视场数字显微镜。
4.根据权利要求2所述的一种基于金属辅助化学刻蚀的毫米波芯片腔体器件的制备方法，其特征在于：步骤（2.2）中，电感耦合等离子体刻蚀的工作的真空度为10-3－10-4 Pa。
5.根据权利要求2所述的一种基于金属辅助化学刻蚀的毫米波芯片腔体器件的制备方法，其特征在于：步骤（3.1）中，所述网格栅状图案的线条宽度为50～500nm，单个网格面积为1×1μm～5×5μm的正方形。
6.根据权利要求2所述的一种基于金属辅助化学刻蚀的毫米波芯片腔体器件的制备方法，其特征在于：步骤（3.2）中，在网格栅状图案层上先镀钛层，钛层为粘附层使硅片和金层更好贴合；再镀金。
7.根据权利要求2所述的一种基于金属辅助化学刻蚀的毫米波芯片腔体器件的制备方法，其特征在于：步骤（3.2）中，所述镀金网格栅状图案的材料为金薄膜或铂薄膜或银薄膜或石墨烯薄膜。
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