CN114955977A - 一种硅基微带环形器的制备工艺及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及IPC B81C1/00领域，尤其涉及一种硅基微带环形器的制备工艺及其应用。具体步骤包括：S1.对硅片进行前处理，得到第一基片；S2.对第一基片进行真空镀膜，得到第二基片；S3.对第二基片进行多次刻蚀，得到第三基片；S4.对第三基片进行二次真空镀膜，得到第四基片；S5.对第四基片进行去胶，层叠，焊接，切割，得到基片成品；S6.在基片嵌入磁性材料，得到硅基微带环形器；所述第一基片为中部含有空腔的圆片结构；所述圆片结构的一面为第一基片的焊接面，另一面为第一基片的保护面。本发明制备的硅基微带环形器具有工作损耗小，耐温宽的优点能够满足小型集成通讯装置的需求。
Description
技术领域
本发明涉及IPC B81C1/00领域，尤其涉及一种硅基微带环形器的制备工艺及其应用。
背景技术
21世纪以来，通信技术领域正在经历着翻天覆地的变革，雷达、无线通讯、微波通信以及无线局域网等通信手段的进步推动着通信系统趋于小型化、集成化、轻量化、高效化发展。环形器是一类集信号的收、发于一体的通讯器件，按照由静偏磁场确定的方向顺序将入射波，传递至下一个端口，使输入信号依次环形运输，能够将不同频率的微波信号进行有效分隔；基于环形器制成的微波铁氧体器件是无线通讯终端产品的重要分支。按照结构不同可以将环形器分为微带式、波导式、带状线和同轴式等，其中微带环形器在市场中占据着极大的份额；微带环形器将铁氧体材料作为传输介质内嵌于基片中进行信号传输，基片对于成型器件的性能存在重要影响。中国专利CN110171802A公开了一种MEMS的深硅刻蚀方法，CN207069031U公开了一种环行器及隔离器，CN103762160B公开了一种深硅刻蚀方法及其装置，现有技术中通常采用陶瓷作为铁氧体磁性材料的基片，但是陶瓷基片的脆性大、后加工性能差，难以与精密化、高效化的环形带发展趋势相契合。在这样的背景下，本发明采用硅材基片对磁性材料进行包载，得到一种能够满足性能和尺寸需求的微带环形器。
发明内容
为了解决上述问题，本发明第一方面提供了一种硅基微带环形器的制备工艺，具体步骤包括：
S1.对硅片进行前处理，得到第一基片；
S2.对第一基片进行真空镀膜，得到第二基片；
S3.对第二基片进行多次刻蚀，得到第三基片；
S4.对第三基片进行二次真空镀膜，得到第四基片；
S5.对第四基片进行去胶，层叠，焊接，切割，得到基片成品；
S6.在基片嵌入磁性材料，得到硅基微带环形器；
所述第一基片为中部含有空腔的圆片结构；所述圆片结构的一面为第一基片的焊接面，另一面为第一基片的保护面。
在一些优选的实施方式中，所述硅片的尺寸为2-6英寸；所述硅片的厚度维0.2-1mm。
在一些优选的实施方式中，所述S1步骤具体为，对硅片进行深硅刻蚀，得到含有空腔结构的硅片，对含有空腔结构的硅片进行RCA清洗，去除硅片杂质，得到第一基片。
进一步优选，所述深硅刻蚀为激光刻蚀，光助电化学刻蚀，低温刻蚀和等离子体刻蚀中的一种。
更进一步优选，所述深硅刻蚀优选为等离子体深硅刻蚀；采用MEMS(微机电系统)对硅片进行深硅刻蚀。具体步骤包括：将硅片放置于高密度等离子刻蚀机中，通入钝化气体进行钝化；然后通入刻蚀气体进行刻蚀；重复钝化、刻蚀操作2-10次。所述高密度等离子刻蚀机的线圈功率为300-1500W，极板功率为10-50W。
在一些优选的实施方式中，所述钝化气体为C4F8，钝化气体的通入速度为60-200mL/min，通入时间为5-20s；所述刻蚀气体为SF6，刻蚀气体的通入速度为60-200mL/min，通入时间为3-10s。
在一些优选的实施方式中，所述RCA清洗的具体步骤为：依次用(1)酸性过氧化氢水溶液，(2)碱性过氧化氢水溶液，(3)氢氟酸水溶液，(4)第二酸性过氧化氢水溶液对深硅刻蚀后的硅片进行清洗；每种试剂清洗后用超纯水对硅片进行漂洗，清洗完成后用超纯水冲洗5-20min，干燥，得到第一基片。
进一步优选，所述酸性过氧化氢水溶液具体为含H2SO4的H2O2水溶液，其中H2SO4，H2O2和水的体积比为3：1：3；步骤(1)中清洗温度为100-135℃，清洗时间为4-20min。
进一步优选，所述碱性过氧化氢水溶液具体为含NH4OH的H2O2水溶液，其中NH4OH，H2O2和水的体积比为1：1-2：5-7；步骤(2)中清洗温度为50-75℃，清洗时间为3-10min。
进一步优选，所述氢氟酸水溶液中氢氟酸的体积分数为5-60％；步骤(3)中清洗温度为15-28℃，清洗时间为3-24min。
进一步优选，所述第二酸性过氧化氢水溶液具体为含HCl的H2O2水溶液，其中HCl，H2O2和水的体积比为1：1-2：6-8；步骤(4)中清洗温度为58-77℃，清洗时间为5-15min。
在一些优选的实施方式中，所述S2步骤具体为，采用溅射方式对第一基片进行真空镀膜，设置焊接面的膜层为Ti，Al，Au的一种，保护面的膜层为Au，Cu，Ni的一种。
进一步优选，所述S2步骤中焊接面的膜层为Ti膜，膜厚为1-10um，所述保护面的膜层为Au膜，膜厚为1-10um。
在一些优选的实施方式中，所述S2步骤具体为，将第一基片置于乙醇中超声清洗3-5min，然后吹扫氮气吹干。放入超高真空磁控溅射设备中，先采用Ti靶对第一基片的焊接面进行溅射成膜，溅射过程中以10-30mL/min的速度持续通入高纯氦气和高纯氩气的混合气体，高纯氦气和高纯氩气的气压比为(3～7)：1，混合气体的气压值为0.1-1Pa；然后采用Au靶对第一基片的保护面进行溅射成膜，溅射过程中以10-30mL/min的速度持续通入高纯氩气，溅射功率为50-300W，高纯氩气的气压值为0.1Pa。
进一步优选，所述Ti靶与第一基片的间距为5-10cm；所述Au靶与第一基片的间距为15-25cm。
在一些优选的实施方式中，所述S3步骤具体为，依次对第二基片进行一次光刻蚀，化学刻蚀和二次光刻蚀；所述化学刻蚀为湿法刻蚀或等离子刻蚀。
进一步优选，所述S3步骤中一次光刻蚀操作为，将光致抗蚀剂涂覆于第二基片的焊接面，经过紫外光照射、显影、坚膜、蚀刻和去膜，得到成品。
进一步优选，所述S3步骤中化学刻蚀为湿法刻蚀；所述湿法刻蚀具体为，在氮气氛下，将一次光刻蚀后的第二基片与刻蚀液接触，反应1-5min，取出后用超纯水冲洗干净，用氮气吹干。
进一步优选，所述刻蚀液为硝酸，氢氟酸，醋酸，磷酸中的至少一种。
更进一步优选，所述刻蚀液为氢氟酸，硝酸，醋酸和水的组合物；氢氟酸，硝酸，醋酸和水的重量比为50：2：0.5：1。
所述S3步骤中化学刻蚀完成后进行二次光刻蚀，操作步骤与一次光刻蚀相同，使图形显现于在第二基片上。
所述光致抗蚀剂购买自西安齐岳生物科技有限公司。
在一些优选的实施方式中，所述S4步骤具体为，采用溅射方式对第三基片进行二次真空镀膜，设置焊接面的膜层为Ti，Al，Au的一种，保护面的膜层为Au，Cu，Ni的一种。
在一些优选的实施方式中，所述S4步骤中二次真空镀膜时，焊接面的膜层为Ti，保护面的膜层为Au。
在一些优选的实施方式中，所述S4步骤具体为，将第三基片置于乙醇中超声清洗3-5min，然后吹扫氮气吹干。放入超高真空磁控溅射设备中，先采用Ti靶对第三基片的焊接面进行溅射成膜，溅射过程中以10-30mL/min的速度持续通入高纯氦气和高纯氩气的混合气体，高纯氦气和高纯氩气的气压比为(3～7)：1，混合气体的气压值为0.1-1Pa；然后采用Au靶对第三基片的保护面进行溅射成膜，溅射过程中以10-30mL/min的速度持续通入高纯氩气，溅射功率为50-300W，高纯氩气的气压值为0.1Pa。
在一些优选的实施方式中，所述S5步骤具体为，去除第四基片表面的光刻胶，然后取两片第四基片于对准器中层叠对准，两块第四基片均以焊接面为接触面，对准后转移至真空焊接机中进行焊接，然后采用砂轮分割器进行切割定型，得到基片正品。
在一些优选的实施方式中，S5步骤中焊接的温度为200-450℃。
所述S6步骤具体为，将第四基片置于丙酮中3-30min去除第四基片表面的光刻胶，然后取两片第四基片于对准器中层叠对准，两块第四基片均以焊接面为接触面，对准后转移至真空焊接机中进行焊接，然后采用砂轮分割器进行切割定型，得到基片正品。
在一些优选的实施方式中，切割定型的基片性质无特别限制，可以根据实际情况进行设定，例如三角形，四边形，正方形，五边形，六边形等。
本发明第二方面提供了一种硅基微带环形器的制备工艺的应用，该制备工艺应用于无线通信技术领域。
有益效果：
本发明制备的硅基微带环形器具有工作损耗小，耐温宽的优点能够满足小型集成通讯装置的需求。通过特定刻蚀工艺以及处理手段，能够保持硅基微带环形器的回波损耗降低至0.5dB左右，且产品的尺寸稳定性强，在高温和低温条件下均能够保持精密尺寸，具有广泛的应用前景。
具体实施方式
实施例1.
本实施例提供了一种硅基微带环形器的制备工艺，具体步骤包括：
S1.对硅片进行前处理，得到第一基片；
S2.对第一基片进行真空镀膜，得到第二基片；
S3.对第二基片进行多次刻蚀，得到第三基片；
S4.对第三基片进行二次真空镀膜，得到第四基片；
S5.对第四基片进行去胶，层叠，焊接，切割，得到基片成品；
S6.在基片嵌入磁性材料，得到硅基微带环形器；
所述第一基片为中部含有空腔的圆片结构；所述圆片结构的一面为第一基片的焊接面，另一面为第一基片的保护面。
所述S1步骤具体为，对硅片进行深硅刻蚀，得到含有空腔结构的硅片，对含有空腔结构的硅片进行RCA清洗，去除硅片杂质，得到第一基片。
所述深硅刻蚀为等离子体深硅刻蚀；采用MEMS(微机电系统)对硅片进行深硅刻蚀。具体步骤包括：将硅片放置于高密度等离子刻蚀机中，通入钝化气体进行钝化；然后通入刻蚀气体进行刻蚀；重复钝化、刻蚀操作5次。所述高密度等离子刻蚀机的线圈功率为1200W，极板功率为20W。
所述钝化气体为C4F8，钝化气体的通入速度为100mL/min，通入时间为10s；所述刻蚀气体为SF6，刻蚀气体的通入速度为80mL/min，通入时间为8s。
所述RCA清洗的具体步骤为：依次用(1)酸性过氧化氢水溶液，(2)碱性过氧化氢水溶液，(3)氢氟酸水溶液，(4)第二酸性过氧化氢水溶液对深硅刻蚀后的硅片进行清洗；每种试剂清洗后用超纯水对硅片进行漂洗，清洗完成后用超纯水冲洗5-20min，干燥，得到第一基片。
所述酸性过氧化氢水溶液具体为含H2SO4的H2O2水溶液，其中H2SO4，H2O2和水的体积比为3：1：3；步骤(1)中清洗温度为124℃，清洗时间为15min。
所述碱性过氧化氢水溶液具体为含NH4OH的H2O2水溶液，其中NH4OH，H2O2和水的体积比为1：1：6；步骤(2)中清洗温度为65℃，清洗时间为5min。
所述氢氟酸水溶液中氢氟酸的体积分数为50％；步骤(3)中清洗温度为24℃，清洗时间为6min。
所述第二酸性过氧化氢水溶液具体为含HCl的H2O2水溶液，其中HCl，H2O2和水的体积比为1：2：7；步骤(4)中清洗温度为66℃，清洗时间为10min。
所述S2步骤具体为，采用溅射方式对第一基片进行真空镀膜，所述焊接面的膜层为Ti膜，膜厚为5um，所述保护面的膜层为Au膜，膜厚为5um。
所述S2步骤具体为，将第一基片置于乙醇中超声清洗5min，然后吹扫氮气吹干。放入超高真空磁控溅射设备中，先采用Ti靶对第一基片的焊接面进行溅射成膜，溅射过程中以20mL/min的速度持续通入高纯氦气和高纯氩气的混合气体，高纯氦气和高纯氩气的气压比为5：1，混合气体的气压值为1Pa；然后采用Au靶对第一基片的保护面进行溅射成膜，溅射过程中以20mL/min的速度持续通入高纯氩气，溅射功率为200W，高纯氩气的气压值为0.1Pa。
所述S2步骤中Ti靶与第一基片的间距为8cm；所述Au靶与第一基片的间距为20cm。
所述S3步骤具体为，依次对第二基片进行一次光刻蚀，化学刻蚀和二次光刻蚀；所述化学刻蚀为湿法刻蚀或等离子刻蚀。
所述S3步骤中一次光刻蚀操作为，将光致抗蚀剂涂覆于第二基片的焊接面，经过紫外光照射、显影、坚膜、蚀刻和去膜，得到成品。
所述S3步骤中化学刻蚀为湿法刻蚀；所述湿法刻蚀具体为，在氮气氛下，将一次光刻蚀后的第二基片与刻蚀液接触，反应3min，取出后用超纯水冲洗干净，用氮气吹干。
所述刻蚀液为氢氟酸，硝酸，醋酸和水的组合物；氢氟酸，硝酸，醋酸和水的重量比为50：2：0.5：1。
所述S3步骤中化学刻蚀完成后进行二次光刻蚀，操作步骤与一次光刻蚀相同，使图形显现于在第二基片上。
所述光致抗蚀剂购买自西安齐岳生物科技有限公司。
所述S4步骤具体为，将第三基片置于乙醇中超声清洗5min，然后吹扫氮气吹干。放入超高真空磁控溅射设备中，先采用Ti靶对第三基片的焊接面进行溅射成膜，溅射过程中以20mL/min的速度持续通入高纯氦气和高纯氩气的混合气体，高纯氦气和高纯氩气的气压比为5：1，混合气体的气压值为1Pa；然后采用Au靶对第三基片的保护面进行溅射成膜，溅射过程中以20mL/min的速度持续通入高纯氩气，溅射功率为200W，高纯氩气的气压值为0.1Pa。
所述S4步骤中Ti靶与第三基片的间距为8cm；所述Au靶与第三基片的间距为20cm。
所述S5步骤具体为，去除第四基片表面的光刻胶，然后取两片第四基片于对准器中层叠对准，两块第四基片均以焊接面为接触面，对准后转移至真空焊接机中进行焊接，然后采用砂轮分割器进行切割定型，得到基片正品。
S5步骤中焊接的温度为300℃。
所述S6步骤具体为，将第四基片置于丙酮中作用10min，去除第四基片表面的光刻胶残胶，然后取两片第四基片于对准器中层叠对准，两块第四基片均以焊接面为接触面，对准后转移至真空焊接机中进行焊接，然后采用砂轮分割器进行切割定型，得到基片正品。
所述硅片的尺寸为4英寸，厚度为0.5mm，来源于苏州华勤源微电子科技有限公司；所述磁性材料为铁氧体片材，来源于苏州华勤源微电子科技有限公司。
实施例2.
本实施例提供了一种硅基微带环形器的制备工艺，具体实施方式同实施例1；不同点在于，所述钝化气体为C4F8，钝化气体的通入速度为50mL/min，通入时间为20s。
实施例3.
本实施例提供了一种硅基微带环形器的制备工艺，具体实施方式同实施例1；不同点在于，所述刻蚀气体为SF6，刻蚀气体的通入速度为120mL/min，通入时间为5s。
实施例4.
本实施例提供了一种硅基微带环形器的制备工艺，具体实施方式同实施例1；不同点在于，所述S2步骤中采用Ti靶对第一基片的焊接面进行溅射成膜，溅射过程中以20mL/min的速度持续通入高纯氦气和高纯氩气的混合气体，高纯氦气和高纯氩气的气压比为5：1，混合气体的气压值为3Pa。
实施例5.
本实施例提供了一种硅基微带环形器的制备工艺，具体实施方式同实施例1；不同点在于，所述S2步骤中采用Ti靶对第一基片的焊接面进行溅射成膜，溅射过程中以40mL/min的速度持续通入高纯氦气和高纯氩气的混合气体，高纯氦气和高纯氩气的气压比为5：1，混合气体的气压值为1Pa。
实施例6.
本实施例提供了一种硅基微带环形器的制备工艺，具体实施方式同实施例1；不同点在于，所述S2步骤中采用Ti靶对第一基片的焊接面进行溅射成膜，溅射过程中以20mL/min的速度持续通入高纯氦气和高纯氩气的混合气体，高纯氦气和高纯氩气的气压比为9：1，混合气体的气压值为3Pa。
性能测试方法
耐损耗性：
将实施例1-6的硅基微带环形器置于24Ghz处测定其回波损耗；每组样品平行测定10次取平均值。
耐高温性：
将实施例1-10的硅基微带环形器置于60℃条件下放置24h，取出后在基片成品上随机取5个点测试厚度，计算5个点厚度结果的相对标准偏差RSDh；每组样品平行测定10次取平均值。
耐低温性：
将实施例1-6的硅基微带环形器置于-10℃条件下放置24h，取出后在基片成品上随机取5个点测试厚度，计算5个点厚度结果的相对标准偏差RSDc；每组样品平行测定10次取平均值。
性能测试数据
表1.性能测试结果
| 回波损耗dB | RSD<sub>h</sub>％ | RSD<sub>c</sub>％ | |
| 实施例1 | 0.52 | 2.5 | 1.1 |
| 实施例2 | 0.76 | 5.8 | 3.7 |
| 实施例3 | 0.86 | 6.4 | 4.6 |
| 实施例4 | 0.91 | 6.9 | 5.1 |
| 实施例5 | 0.75 | 5.2 | 3.6 |
| 实施例6 | 0.96 | 6.6 | 4.8 |
Claims (10)
1.一种硅基微带环形器的制备工艺，其特征在于，具体步骤包括：
S1.对硅片进行前处理，得到第一基片；
S2.对第一基片进行真空镀膜，得到第二基片；
S3.对第二基片进行多次刻蚀，得到第三基片；
S4.对第三基片进行二次真空镀膜，得到第四基片；
S5.对第四基片进行去胶，层叠，焊接，切割，得到基片成品；
S6.在基片嵌入磁性材料，得到硅基微带环形器；
所述第一基片为中部含有空腔的圆片结构；所述圆片结构的一面为第一基片的焊接面，另一面为第一基片的保护面。
2.根据权利要求1所述的一种硅基微带环形器的制备工艺，其特征在于，所述S1步骤具体为，对硅片进行深硅刻蚀，得到含有空腔结构的硅片，对含有空腔结构的硅片进行RCA清洗，去除硅片杂质，得到第一基片。
3.根据权利要求1或2所述的一种硅基微带环形器的制备工艺，其特征在于，所述S2步骤具体为，采用溅射方式对第一基片进行真空镀膜，设置焊接面的膜层为Ti，Al，Au的一种，保护面的膜层为Au，Cu，Ni的一种。
4.根据权利要求3所述的一种硅基微带环形器的制备工艺，其特征在于，所述S2步骤中真空镀膜时，焊接面的膜层为Ti，保护面的膜层为Au。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种硅基微带环形器的制备工艺，其特征在于，所述S3步骤具体为，依次对第二基片进行一次光刻蚀，化学刻蚀和二次光刻蚀；所述化学刻蚀为湿法刻蚀或等离子刻蚀。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种硅基微带环形器的制备工艺，其特征在于，所述S4步骤具体为，采用溅射方式对第三基片进行二次真空镀膜，设置焊接面的膜层为Ti，Al，Au的一种，保护面的膜层为Au，Cu，Ni的一种。
7.根据权利要求6所述的一种硅基微带环形器的制备工艺，其特征在于，所述S4步骤中二次真空镀膜时，焊接面的膜层为Ti，保护面的膜层为Au。
8.根据权利要求1-7任一项所述的一种硅基微带环形器的制备工艺，其特征在于，所述S5步骤具体为，去除第四基片表面的光刻胶，然后取两片第四基片于对准器中层叠对准，两块第四基片均以焊接面为接触面，对准后转移至真空焊接机中进行焊接，然后采用砂轮分割器进行切割定型，得到基片正品。
9.根据权利要求8所述的一种硅基微带环形器的制备工艺，其特征在于，S5步骤中焊接的温度为200-450℃。
10.一种根据权利要求1-9任一项所述的硅基微带环形器的制备工艺的应用，其特征在于，该制备工艺应用于无线通信技术领域。
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|---|---|---|---|
| CN202110836304.1A CN114955977A (zh) | 2021-07-23 | 2021-07-23 | 一种硅基微带环形器的制备工艺及其应用 |
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- 2021-07-23 CN CN202110836304.1A patent/CN114955977A/zh active Pending
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