CN114784473A - 基于硅基光敏薄膜的双重折叠基片集成波导滤波巴伦 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于硅基光敏薄膜工艺的双重折叠基片集成波导滤波巴伦，包括：输入输出结构、耦合结构、三角巴伦谐振腔和矩形多模谐振腔；所述矩形多模谐振腔成对设置，所述三角巴伦谐振腔位于一对矩形多模谐振腔之间，且通过耦合结构分别连接两个矩形多模谐振腔，所述输入输出结构包括一个输入部分和两个输出部分，所述输入部分连接三角巴伦谐振腔，两个所述输出部分分别与两个矩形多模谐振腔连接。本发明为平面型多层结构：输入输出采用平面结构，谐振腔采用折叠基片集成波导结构，实现了小型化，三维集成的优势。
Description
技术领域
本发明涉及双重折叠基片集成波导和晶圆级多层集成封装技术领域，是一种晶圆级三维集成的多层滤波巴伦，包括一种提高基于光敏电介质的晶圆级三维集成多层滤波巴伦成品率的工艺方法，具体地，涉及一种基于硅基光敏薄膜的双重折叠基片集成波导滤波巴伦。
背景技术
随着三维异质集成技术的发展，小型化无源器件的多层设计成为一个重要的研究方向。折叠基片集成波导利用基片集成波导的对称性进一步折叠，在小型化的同时保留了低损耗和低剖面的优势，在毫米波波段可以实现较高的品质因数，降低插入损耗，受到了广泛研究。在小型化过程中，有学者提出了将滤波器与巴伦两个器件作为一个整体进行设计的集成方法，为尺寸的减小亦提供了新思路。
在先专利CN106848510A公开了一种叠层基片集成波导结构的双通带差分滤波器。该滤波器包括介质基板、上表面金属层、中间金属层和下表面金属层，介质基板上有贯穿于介质基板的金属化通孔阵列，金属化通孔阵列、上表面金属层、中部金属层与下表面金属层围成了6个基片集成波导腔体；其中，两个差分通带的中心频率通过调整上层腔体尺寸参数大小来获得；同时，在中间金属层蚀刻了H型的耦合槽线，通过调整槽线尺寸与位置，得到所需的耦合系数，从而得到更好的频率响应。然而该差分通带滤波器基于基片集成波导谐振腔设计，单个谐振腔占用面积仍然较大。为实现小型化，本文采用了双重折叠基片集成波导结构，利用基片集成波导结构的对称性，将谐振腔面积减小为原来的四分之一，并引入微扰结构，利用多模多腔实现了较低插入损耗的频率响应。
对于折叠基片集成波导谐振腔，电介质厚度越大，Q值越高。为了获取较低的插入损耗，通常选取较大厚度的电介质。对于硅基光敏薄膜多层工艺的三维异质集成封装，苯并环丁烯(BCB)凭借其良好的综合性能，作为介质材料得到了越来越多的研究。但BCB作为一款薄光刻胶，大厚度一直为工艺难点，基于BCB的单层工艺厚度仅能达到17μm，为实现基于大厚度BCB光刻胶的多层结构，传统工艺在硅基平面上进行加工制造。大厚度BCB工艺通常依靠多次旋涂来堆积厚度，难度高且失败率大。为保证大厚度下的BCB的平整，需要高转速进行旋涂来达到BCB表面的平整度，但在多次光刻中多次对准，层数越高，随着表面平整性和导热性能的恶化，光刻难度大大增高。另外大厚度下BCB由于应力增大会导致硅片曲翘，硅片与接盘之间真空吸附力薄弱而影响后续工序。大厚度电介质的多层工艺还有很大的优化空间。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于硅基光敏薄膜的双重折叠基片集成波导滤波巴伦。
根据本发明提供的一种基于硅基光敏薄膜工艺的双重折叠基片集成波导滤波巴伦，包括：输入输出结构、耦合结构、三角巴伦谐振腔和矩形多模谐振腔；
所述矩形多模谐振腔成对设置，所述三角巴伦谐振腔位于一对矩形多模谐振腔之间，且通过耦合结构分别连接两个矩形多模谐振腔，所述输入输出结构包括一个输入部分和两个输出部分，所述输入部分连接三角巴伦谐振腔，两个所述输出部分分别与两个矩形多模谐振腔连接。
优选地，所述输入输出结构包括：接地共面波导、带状线结构和共面波导；
所述耦合结构包括：带状线耦合结构(7)；
所述谐振腔包括金属柱(103)、金属化通孔(104)、金属平面结构以及电介质(102)；
所述金属柱(103)包括：围绕成谐振腔的矩形金属柱结构(8)、三角巴伦谐振腔内的圆形金属柱结构(9)和多模谐振腔内的半圆形金属柱结构(10)；
金属平面结构包括：金属层M01、金属层M02和金属层M03；
所述金属层M02上设置有槽线(12)，所述槽线(12)与圆形金属柱结构(9)以及半圆形金属柱结构(10)共同构成微扰结构；所述圆形金属柱结构(9)和半圆形金属柱结构(10)使高次模远离通带，减少阻带寄生谐振的干扰，所述槽线(12)使TE330的谐振频率向TE130靠拢，构成双模谐振。
优选地，所述金属化通孔(104)与金属柱(103)的位置对应，且直径一致。
优选地，所述接地共面波导从金属层M02同一平面处馈入折叠基片集成波导，过渡形成带状线结构，在金属层M02中引入缝隙形成共面波导。
优选地，所述带状线结构与金属层M02位于同一平面。
根据本发明提供的一种基于硅基光敏薄膜工艺的双重折叠基片集成波导滤波巴伦的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：制作金属层M01和金属柱(103)；
步骤S2：槽内填充电介质(102)BCB；
步骤S3：制作第二层金属平面结构；
步骤S4：制作含有通孔的多层BCB电介质(102)；
步骤S5：制作第三层金属层，得到基于硅基光敏薄膜的双重折叠基片集成波导滤波巴伦。
优选地，所述步骤S1包括：
步骤S1.1：在硅衬底(101)中以光刻胶作为掩膜，基于BOSCH工艺刻蚀槽和硅柱；
步骤S1.2：在硅衬底(101)表面、槽的内壁和硅柱表面制备一层均匀金属层。
优选地，所述步骤S1.1中的硅柱随槽刻蚀同时形成，硅柱底部为槽底，槽的深度等同于硅柱高度。
优选地，所述步骤S2包括：
步骤S2.1：采用大厚度转速的多次旋涂光刻BCB直至高出硅基平面；
步骤S2.2：采用物理磨平使BCB表面平整；
步骤S2.3：化学气体选择性刻蚀BCB使电介质(102)与硅基平齐；
优选地，所述金属柱(103)位于硅基平面下方的槽内，所述金属化通孔(104)位于硅基平面上方。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明为平面型多层结构：输入输出采用平面结构，谐振腔采用折叠基片集成波导结构，实现了小型化，三维集成的优势。
2、本发明基于硅基光敏薄膜多层工艺半埋置器件，采用大厚度电介质，实现了较低的插入损耗，且硅平面上仅保留一半厚度的不限于BCB的光敏电介质，极大的减少了硅基表面曲翘程度，提高了制作成功率。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的基于硅基光敏薄膜的双重折叠基片集成波导滤波巴伦的结构示意图；
图2为本发明的基于硅基光敏薄膜的双重折叠基片集成波导滤波巴伦的分解示意图；
图3为本发明的基于硅基光敏薄膜的双重折叠基片集成波导滤波巴伦的侧面结构示意图；
图4为本发明的基于硅基光敏薄膜的双重折叠基片集成波导滤波巴伦的加工流程示意图；
图5为本发明的基于硅基光敏薄膜的双重折叠基片集成波导滤波巴伦的频率响应曲线图。
附图标记说明：
一端口输入接地共面波导1折叠基片集成波导谐振腔缝隙11
二端口输出接地共面波导2槽线12
三端口输出接地共面波导3一端口输入带状线13
一端口输入共面波导4二端口输出带状线14
二端口输出共面波导5三端口输出带状线15
三端口输出共面波导6带状线缝隙16
带状线耦合结构7硅衬底101
矩形金属柱结构8电介质102
圆形金属柱结构9金属柱103
半圆形金属柱结构10金属化通孔104
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明公开了一种基于硅基光敏薄膜工艺的双重折叠基片集成波导滤波巴伦，参照图1和图2，包括：输入输出结构、耦合结构、折叠基片集成波导的三角巴伦谐振腔和矩形多模谐振腔。
所述矩形多模谐振腔成对设置，所述三角巴伦谐振腔位于一对矩形多模谐振腔之间，且通过耦合结构分别连接两个矩形多模谐振腔，所述输入输出结构包括一个输入部分和两个输出部分，所述输入部分连接三角巴伦谐振腔，两个所述输出部分分别与两个矩形多模谐振腔连接。三角巴伦谐振腔由三角折叠基片集成波导构成，利用特定谐振模式TE220实现相位反转，矩形多模谐振腔由矩形折叠基片集成波导构成，利用模式TE130和TE330实现双模谐振。
谐振腔由金属柱103、金属化通孔104、金属平面结构以及电介质102组成，金属柱103包括：沿直线等间距排列围绕成谐振腔的矩形金属柱结构8、三角巴伦谐振腔内的圆形金属柱结构9和多模谐振腔内的半圆形金属柱结构10。金属化通孔104与金属柱103的位置对应，且直径一致。谐振腔还包括折叠基片集成波导谐振腔缝隙11。
如图3所示，所述金属平面结构包括：金属层M01、金属层M02和金属层M03，所述金属层M02含有微扰的图形。
所述输入输出结构包括：接地共面波导、带状线结构和共面波导，所述接地共面波导从金属层M02同一平面处馈入折叠基片集成波导，过渡为带状线结构，在带状线两侧的位置引入带状线缝隙16形成共面波导结构。
所述接地共面波导包括：一端口输入接地共面波导1，二端口输出接地共面波导2和三端口输出接地共面波导3；
所述带状线结构包括：一端口输入带状线13，二端口输出带状线14和三端口输出带状线15；
所述共面波导包括：一端口输入共面波导4，二端口输出共面波导5和三端口输出共面波导6。
所述耦合结构包括：带状线耦合结构7，带状线耦合结构7与金属层M02位于同一平面。
所述金属层M02上设置有槽线12，所述槽线12与圆形金属柱结构9以及半圆形金属柱结构10共同构成微扰结构，微扰结构对谐振腔内部的电场微扰使谐振模式的电场和谐振频率发生改变。所述圆形金属柱结构9和半圆形金属柱结构10使高次模远离通带，减少阻带寄生谐振的干扰，所述槽线12使TE330的谐振频率向TE130靠拢，构成双模谐振。
在本实施方式中，在硅基中蚀刻一个槽，将滤波巴伦的下半结构埋置在硅基中，所述金属柱103位于硅基平面下放的槽内，所述金属化通孔104位于硅基平面上方。
信号从一端口输入接地共面波导1进入，经过微扰的三角巴伦谐振腔结构产生差分信号，通过带状线耦合结构7电场耦合至个对称的矩形谐振腔，形成双模谐振，达到滤波作用，然后由二端口输出接地共面波导2、三端口输出接地共面波导3输出幅度相等，相位相反的滤波信号，实现了滤波巴伦的设计。
如图4所示，根据本发明提供的一种基于硅基光敏薄膜的双重折叠基片集成波导滤波巴伦的制备方法包括如下步骤：
步骤S1：制作金属层M01和金属柱103；
步骤S2：槽内填充电介质BCB；
步骤S3：制作第二层金属平面结构；
步骤S4：制作含有通孔的多层BCB电介质；
步骤S5：制作第三层金属层，得到基于硅基光敏薄膜的双重折叠基片集成波导滤波巴伦。
所述步骤S1包括：
步骤S1.1：在硅衬底101中以光刻胶作为掩膜，基于BOSCH工艺刻蚀槽和硅柱；
步骤S1.2：在硅衬底101表面、槽的内壁和硅柱表面制备一层均匀金属层。
步骤S1.1中的硅柱可随槽刻蚀同时形成，并且精度不随高度影响，硅柱底部为槽底，槽的深度等同于硅柱高度。
所述步骤S2包括：
步骤S2.1：采用大厚度转速的多次旋涂光刻BCB直至高出硅基平面；
步骤S2.2：采用物理磨平使BCB表面平整；
步骤S2.3：化学气体选择性刻蚀BCB使电介质与硅基平齐。该方法在保证光敏电介质表面平整性的前提下，减少了大厚度BCB的制备次数。
具体的，如图4所示，本发明介绍一种基于硅基光敏薄膜的双重折叠基片集成波导滤波巴伦制备方法，包括如下步骤：
1)选取厚度为1000μm的四寸高阻硅作为衬底101，双面剖光，如图4(a)所示；
2)旋涂正性光刻胶4903作为掩膜，进行光刻显影，裸露出需要刻蚀的部分并保护硅柱的形状，如图4(b)所示；
3)采用干法刻蚀BOSCH工艺只沿着深度方向刻蚀，产生接近垂直的槽和硅柱。去除表面掩膜，形成硅柱和槽，如图4(c)所示；
4)用多靶磁控溅射一层种子层，随后均匀电镀3μm的铜，形成金属柱103，如图4(d)所示；
5)低转速多次旋涂并光刻光敏电介质102(BCB)，填充至槽内BCB整体高于表面，如图4(e)所示；
6)采用物理磨平和化学气体刻蚀使BCB表面平整并与硅平面等高，如图4(f)所示；
7)用高转速旋涂一层薄BCB并进行光刻显影，裸漏出金属柱103表面，如图4(g)所示；
8)溅射第二层种子层，采用正性光刻胶4903制作金属层图案，经电镀与离子束刻蚀工艺形成图形化铜层M02，得到图4(h)所示图形；
9)旋涂102(BCB)并进行光刻显影制作BCB通孔，重复三至四次以达到目标厚度，如图4(i)所示；
10)经过溅射、光刻、电镀与离子束刻蚀工艺流程，完成第三层金属层M03和金属化通孔104的制作，如图4(j)所示。
图5为本实施方式制备的基于硅基光敏薄膜的双重折叠基片集成波导滤波巴伦的仿真与测量频率响应曲线，依据仿真该巴伦工作于90.8-94.5GHz，插入损耗最低为3+0.9dB，实物测量工作频段向高频偏移1.1GHz，插入损耗最低为3+1.8dB，整体幅度不平衡度小于1dB，频点91GHz处传输零点带外抑制可达到-40dB。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (10)
1.一种基于硅基光敏薄膜工艺的双重折叠基片集成波导滤波巴伦，其特征在于，包括：输入输出结构、耦合结构、三角巴伦谐振腔和矩形多模谐振腔；
所述矩形多模谐振腔成对设置，所述三角巴伦谐振腔位于一对矩形多模谐振腔之间，且通过耦合结构分别连接两个矩形多模谐振腔，所述输入输出结构包括一个输入部分和两个输出部分，所述输入部分连接三角巴伦谐振腔，两个所述输出部分分别与两个矩形多模谐振腔连接。
2.根据权利要求1所述的基于硅基光敏薄膜工艺的双重折叠基片集成波导滤波巴伦，其特征在于：
所述输入输出结构包括：接地共面波导、带状线结构和共面波导；
所述耦合结构包括：带状线耦合结构(7)；
所述谐振腔包括金属柱(103)、金属化通孔(104)、金属平面结构以及电介质(102)；
所述金属柱(103)包括：围绕成谐振腔的矩形金属柱结构(8)、三角巴伦谐振腔内的圆形金属柱结构(9)和多模谐振腔内的半圆形金属柱结构(10)；
金属平面结构包括：金属层M01、金属层M02和金属层M03；
所述金属层M02上设置有槽线(12)，所述槽线(12)与圆形金属柱结构(9)以及半圆形金属柱结构(10)共同构成微扰结构；所述圆形金属柱结构(9)和半圆形金属柱结构(10)使高次模远离通带，减少阻带寄生谐振的干扰，所述槽线(12)使TE330的谐振频率向TE130靠拢，构成双模谐振。
3.根据权利要求1所述的基于硅基光敏薄膜工艺的双重折叠基片集成波导滤波巴伦，其特征在于：所述金属化通孔(104)与金属柱(103)的位置对应，且直径一致。
4.根据权利要求2所述的基于硅基光敏薄膜工艺的双重折叠基片集成波导滤波巴伦，其特征在于：所述接地共面波导从金属层M02同一平面处馈入折叠基片集成波导，过渡形成带状线结构，在金属层M02中引入缝隙形成共面波导。
5.根据权利要求4所述的基于硅基光敏薄膜工艺的双重折叠基片集成波导滤波巴伦，其特征在于：所述带状线结构与金属层M02位于同一平面。
6.一种基于硅基光敏薄膜工艺的双重折叠基片集成波导滤波巴伦的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：制作金属层M01和金属柱(103)；
步骤S2：槽内填充电介质(102)BCB；
步骤S3：制作第二层金属平面结构；
步骤S4：制作含有通孔的多层BCB电介质(102)；
步骤S5：制作第三层金属层，得到基于硅基光敏薄膜的双重折叠基片集成波导滤波巴伦。
7.根据权利要求6所述的基于硅基光敏薄膜工艺的双重折叠基片集成波导滤波巴伦的制备方法，其特征在于，所述步骤S1包括：
步骤S1.1：在硅衬底(101)中以光刻胶作为掩膜，基于BOSCH工艺刻蚀槽和硅柱；
步骤S1.2：在硅衬底(101)表面、槽的内壁和硅柱表面制备一层均匀金属层。
8.根据权利要求6所述的基于硅基光敏薄膜工艺的双重折叠基片集成波导滤波巴伦的制备方法，其特征在于：所述步骤S1.1中的硅柱随槽刻蚀同时形成，硅柱底部为槽底，槽的深度等同于硅柱高度。
9.根据权利要求6所述的基于硅基光敏薄膜工艺的双重折叠基片集成波导滤波巴伦的制备方法，其特征在于，所述步骤S2包括：
步骤S2.1：采用大厚度转速的多次旋涂光刻BCB直至高出硅基平面；
步骤S2.2：采用物理磨平使BCB表面平整；
步骤S2.3：化学气体选择性刻蚀BCB使电介质(102)与硅基平齐。
10.根据权利要求6所述的基于硅基光敏薄膜工艺的双重折叠基片集成波导滤波巴伦的制备方法，其特征在于：所述金属柱(103)位于硅基平面下方的槽内，所述金属化通孔(104)位于硅基平面上方。
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