CN115275551B - 低损耗共面波导键合结构及其制造方法 - Google Patents

低损耗共面波导键合结构及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种低损耗共面波导键合结构及其制造方法，涉及半导体技术领域。该低损耗共面波导键合结构包括：位于第一基底上的第一共面波导；位于第二基底上且与第一共面波导结构相同的第二共面波导；以及将第一共面波导和第二共面波导的导体一一对应连接的多个二维异质结构；所述二维异质结构包括用于传输信号的二维导电材料层，以及位于二维导电材料层下方的二维介电材料层。本申请通过使用二维导电材料键合共面波导，利用其高电导率的特性减小趋肤效应损耗。二维导电材料均匀覆盖在需要连接的导体表面，提高了键合部分传输线的均匀性，减少高频传输反射，保证传输带宽；且二维导电材料和金属之间无需形成焊点，避免造成金属电极损伤。

Description

低损耗共面波导键合结构及其制造方法
技术领域
本申请涉及半导体技术领域，具体涉及一种低损耗共面波导键合结构及其制造方法。
背景技术
集成电路运行速度持续提升，许多集成电路器件单元的响应时间小于十皮秒，这要求测试系统具备DC～hGHz带宽,给脉冲信号源、传输链路的信号完整性提出了严峻的挑战。一方面，商业化的脉冲信号源已难以同时满足增益、带宽和低抖动的要求，将脉冲信号源和待测器件(DUT)在同一片上集成是一个重要解决方案。另一方面，常规的传输线及其连接方式也遇到重要的高频色散和传输损耗问题，共面波导(CPW)是常用的高频信号传输线，能够承担脉冲信号源和待测器件之间的传输功能。然而，脉冲信号源的核心器件，例如，光电导开关(PCS)，通常加工在Ⅲ-Ⅴ族材料基底上，与集成电路待测器件通常采用的硅基底不兼容，也和常规印刷电路板(PCB)采用的有机树脂或陶瓷基底不兼容。因此，工业界通常采用键合工艺连接PCS、DUT及PCB等，通行的做法是采用导电金属丝或倒置贴合的方式连接不同基底上的金属导体，保证电信号的传输。然而在更高传输带宽的要求下，附属在PCS、DUT、PCB周围或其上的图形化电路尺寸更加悬殊。这些图形化电路，即CPW的尺寸，和传输电信号的波长可以比拟。尺寸变化或连接方式导致的整体传输链路不均匀都会对高频信号的完整性造成很大的损伤，从而影响测试系统的可靠性。
例如，在高频频段，金丝键合是与PCB板上的共面波导最常用的互连方式，通过金丝实现过渡结构表面金属之间的连接。按照需求的不同，金丝键合包括微带线、共面波导两种。由于传输信号的频段较高，金丝的寄生效应明显，金丝键合引起的损耗增大，存在寄生电感。随着工作频率的增加，金丝键合结构的寄生电感会引入很大的不均匀性。尤其是到了太赫兹频段，金丝的寄生电感会导致显著的信号反射，这些不均匀性也会导致信号传输带宽大大减小，以及信号传输损耗大幅增加。此外还有方法将共面波导倒置通过涂抹导电胶与电路键合，但需要手工涂抹导电胶，导致对准精度低、工艺误差较大，使得结果重复性不强。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本申请提供一种低损耗共面波导键合结构，包括：
位于第一基底上的第一共面波导；
位于第二基底上且与所述第一共面波导结构相同的第二共面波导；
以及将所述第一共面波导和所述第二共面波导的导体一一对应连接的多个二维异质结构；
所述二维异质结构包括用于传输信号的二维导电材料层，以及位于所述二维导电材料层下方的二维介电材料层。
在一实施例中，所述第一基底与所述第二基底的材质不同。
在一实施例中，所述第一共面波导的尺寸大于所述第二共面波导的尺寸。
在一实施例中，所述第一基底上包括一与所述第二基底匹配的开槽；
所述第二基底嵌套固定于所述开槽内，且所述第一共面波导与所述第二共面波导位于同一平面且不接触。
在一实施例中，所述第二共面波导各导体第一端的尺寸大于第二端的尺寸，且所述第二共面波导各导体的第一端与所述二维异质结构连接。
在一实施例中，所述第一共面波导的结构为GS结构、SG结构或GSG结构。
在一实施例中，所述二维导电材料层的材质为石墨烯、黑鳞、Te、ZrGeSe、ZrGeTe中的一种。
在一实施例中，所述二维介电材料层的材质为hBN或hY2O3。
本申请还提供一种本申请提供的所述低损耗共面波导键合结构的制造方法，包括：
将第一共面波导和第二共面波导固定于同一水平面；
在所述第一共面波导和所述第二共面波导的对应导体接口处，键合一层绝缘且平整的二维介电材料层；
去除二维介电材料上的衬底残留金属；
采用飞秒激光对所述二维介电材料进行图形化；
在所述二维介电材料层、所述第一共面波导和所述第二共面波导上键合一层二维导电材料；
去除二维导电材料上的衬底残留金属；
采用飞秒激光对所述二维导电材料进行图形化，使所述二维导电材料完全覆盖所述二维介电材料层且与所述第一共面波导和所述第二共面波导的对应导体分别连接。
本申请的低损耗共面波导键合结构通过使用二维导电材料键合共面波导，利用了其高电导率的优点，减小趋肤效应损耗。二维导电材料能够均匀覆盖在需要连接的导体表面，提高了键合部分的传输线均匀性，最终减少高频传输反射，保证了传输带宽。且二维导电材料和金属之间进行无损接触，无需形成焊点，避免造成金属电极损伤，适用于超薄金属电极之间的连接。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
图1A至图1C为本申请提供的低损耗共面波导键合结构的三视图。
图2为本申请提供的第一基底和第一共面波导的示意图。
图3为本申请提供的第二基底和第二共面波导的示意图。
图4为本申请提供的第二基底嵌于第一基底的开槽内的示意图。
图5为本申请提供的多个基底嵌套的结构示意图。
图6为本申请提供的两个不同尺寸的共面波导的示意图。
图7为本申请提供的低损耗共面波导键合结构的制造方法示意图。
图8为本申请提供的低损耗共面波导键合结构的制造过程中的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
本申请提供一种低损耗共面波导键合结构，适用于两个共面波导对应导体之间的连接，尤其适用于尺寸不同的两个共面波导之间的连接。本申请将通过以下实施例，对本申请的低损耗共面波导键合结构进行详细说明。本领域技术人员应该知晓，实施例以及所涉及的附图均为本申请提供的示例，仅作说明之用，并非用以限定本申请。
如图1A和图1C所示，本申请提供的低损耗共面波导键合结构包括：位于第一基底上的第一共面波导1、位于第二基底上的第二共面波导2以及将第一共面波导1和第二共面波导2的导体一一对应连接的二维异质结构3。
第一共面波导1和第二共面波导2的结构相同，第一共面波导1包括一信号导体11、地导体12和地导体13，第二共面波导2包括一信号导体21、地导体22和地导体23，本申请的第一共面波导1和第二共面波导2对应的导体指需要建立连接关系的导体，图1A中包括三组对应的导体，即第一共面波导1的信号导体11和第二共面波导2的信号导体21、第一共面波导1的地导体12和第二共面波导2的地导体22、第一共面波导1的地导体13和第二共面波导2的地导体23。每组对应的导体之间通过一个二维异质结构3进行连接。
从图1B中可清晰地看出，二维异质结构3包括二维导电材料层31和二维介电材料层32。其中，二维介电材料层32直接接触覆盖于两个待连接的导体上，二维导电材料层31覆盖于二维介电材料层32上方，且两端直接与待连接的两个导体分别接触固定。
二维导电材料层31用于实现两个导体之间的信号传输，其材质包括但不限于石墨烯、黑鳞、Te、ZrGeSe、ZrGeTe等。二维介电材料层32采用绝缘且具有平整表面的材质，包括但不限于hBN或hY2O3等。二维介电材料层32对二维导电材料层31起到支撑的作用，增强金属导体和二维导电材料之间的连接，可避免二维导电材料层31产生缺陷皱纹和压力形变，防止二维导电材料层31的导电性能降低。
图1A至图1C中所示的第一共面波导的尺寸大于第二共面波导，但并不意味着本申请仅适用于尺寸不同的共面波导之间的连接，本申请对于尺寸相同的共面波导、微带线等传输结构的连接同样适用。
本领域常见的共面波导主要有GSG结构、GS结构和SG结构，图1A至图1C中所示的第一共面波导和第二共面波导的结构为GSG结构，本申请对GS结构的共面波导之间的连接和SG结构的共面波导之间的连接同样适用。本实施例中的“第一共面波导1和第二共面波导2的结构相同”指的是第一共面波导1和第二共面波导2均为GSG结构，或第一共面波导1和第二共面波导2均为GS结构，或第一共面波导1和第二共面波导2均为SG结构。
在一实施例中，所述第一基底与所述第二基底的材质不同。此时，将第一基底和第二基底固定，使第一基底上的第一共面波导和第二基底上的第二共面波导中对应的导体处于合适的位置，即可使用二维异质结构实现对应导体的连接。
具体地，如图2所示，第一基底4上设置有第一共面波导1和一开槽5。其中，第一共面波导1包括信号导体11、地导体12和地导体13，信号导体11包括两段，开槽5开设于两段信号导体之间。
如图3所示，第二基底6上设置有第二共面波导2，第二共面波导包括信号导体21、地导体22和地导体23。第二基底6的形状与第一基底4上的开槽5的形状匹配，使得第二基底6可嵌套于开槽5内，且当第二基底6嵌套固定于开槽5中时，第一基底4上的第一共面波导1和第二基底6上的第二共面波导2位于同一平面。为了使不同基底准确、牢固的吻合，还可在开槽5内涂抹粘接剂。图4为第二基底6嵌套固定于开槽5中的示意图。
之后即可在第一共面波导1和第二共面波导2的对应导体之间设置二维异质结构，实现对应导体的连接(此处参见图1A即可)。
上述嵌套结构并不仅限于两个尺寸不同的基底之间，还可应用于多个不同尺寸的基底的嵌套，以实现多组尺寸差异悬殊的共面波导之间的键合。具体地，如图5所示，低损耗共面波导键合结构还包括一第三基底7，且第三基底7上设置有第三共面波导8和一开槽9。其中，第三共面波导8包括一信号导体81、地导体82和地导体83。第一基底4的形状与第三基底7上的开槽9的形状匹配，使得第一基底4可嵌套于开槽9内，且当第一基底4嵌套固定于开槽9中时，第一基底4上的第一共面波导1、第二基底6上的第二共面波导2和第三基底7上的第三共面波导8位于同一平面。为了使不同基底准确、牢固的吻合，同样可在开槽9内涂抹粘接剂。图5中的第一基底4和与第二基底6的嵌套结构与图4一致，此处不再赘述。
之后即可在第一共面波导1、第二共面波导2的对应导体之间设置二维异质结构，实现对应导体的连接，同时在第一共面波导1、第三共面波导8的对应导体之间设置二维异质结构3，实现对应导体的连接。
图5所示的多个基底嵌套结构可用于尺寸悬殊的两个共面波导之间的转接，以皮秒电脉冲信号的低损耗传输结构为例，皮秒电脉冲信号从光电导开关(PCS)低损耗地传输到待测器件和探测系统的传输链路中，需要将PCS产生的皮秒电脉冲通过砷化镓基底(对应于图5中的第二基底6)上的CPW2(对应于图5中的第二共面波导2)与PCB板(对应于图5中的第三基底7)上的CPW3(对应于图5中的第三共面波导8)相连接，由于CPW2和CPW3尺寸悬殊，在实施时采用玻璃衬底(对应于图5中的第一基底4)上的CPW1(对应于图5中的第一共面波导)作为转接中介，使用本申请图5所示的基底嵌套方法和二维异质结构连接CPW2和CPW1，然后同理连接CPW1和CPW3。
上述示例中，将脉冲信号源核心器件、转接中介、PCB电路分别加工，通过嵌套和上述二维导电材料键合方式，实现三者集成，其中PCB电路可加工有和外部连接的同轴接口(如SMA接口)，脉冲信号源核心器件输出的电信号经过CPW2-二维异质结构-CPW1-二维异质结构-CPW3-同轴SMA接口可以实现信号输出，用于其它测试。
图4和图5中所示的第一共面波导和第二共面波导尺寸悬殊，因此需要采用基底嵌套的方式实现共面波导之间的键合。除此之外，还可通过图像化手段将小尺寸共面波导的尺寸逐步均匀扩大，以至于和待连接的金属电极尺寸可比拟，从而省略“嵌套”步骤。
具体地，如图6所示，第二共面波导2各导体与第一共面波导1的对应导体连接的一端的尺寸大于第二端的尺寸，此时，可直接设置二维异质结构3实现第一共面波导与第二共面波导之间的连接。
在另一实施例中，本申请还提供一种本申请提供的所述低损耗共面波导键合结构的制造方法，如图7所示，以第一共面波导和第二共面波导中的某一组对应导体的键合为例(多个共面波导的键合同理)，该方法包括：
步骤S1，将待连接的两个共面波导对应的导体801和导体802固定于同一水平面(参见图8中的(a))；
步骤S2，在导体801和导体802的接口处，键合一层绝缘且平整的二维介电材料层803，二维介电材料层803上有衬底残留金属804(参见图8中的(a))；
步骤S3，去除二维介电材料层803上的衬底残留金属804(参见图8中的(c))；
步骤S4，采用飞秒激光对所述二维介电材料层803进行图形化(参见图8中的(d))；
步骤S5，在二维介电材料层803、导体801和导体802上键合一层二维导电材料层805，二维导电材料层805上有衬底残留金属806(参见图8中的(e))；
步骤S6，去除二维导电材料层805上的衬底残留金属806(参见图8中的(f))；
步骤S7，采用飞秒激光对二维导电材料层805进行图形化(参见图8中的(g))，使所述二维导电材料完全覆盖所述二维介电材料层且与所述第一共面波导和所述第二共面波导的对应导体分别连接。
本申请的低损耗共面波导键合结构具有以下优点：
(1)通过使用二维导电材料键合共面波导，利用了其高电导率的优点，减小趋肤效应损耗。
(2)二维导电材料能够均匀覆盖在需要连接的导体表面，提高了键合部分的传输线均匀性，最终减少高频传输反射，保证了传输带宽。
(3)二维导电材料和金属之间进行无损接触，无需形成焊点，避免造成金属电极损伤，适用于超薄金属电极之间的连接。
(4)通过控制键合过程并搭配激光切割进行高精度图形化步骤，可以实现尺寸相差悬殊的共面波导之间键合。
(5)二维材料转移工艺简便，易于键合，使得方法具有很大的可重复性，提高工艺的良率，从而降低键合成本。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本说明书实施例的至少一个实施例或示例中。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种低损耗共面波导键合结构，其特征在于，包括：
位于第一基底上的第一共面波导；
位于第二基底上且与所述第一共面波导结构相同的第二共面波导；
以及均匀覆盖连接所述第一共面波导和所述第二共面波导上以使相应导体一一对应连接的多个二维异质结构；
所述二维异质结构包括用于传输信号的二维导电材料层，以及位于所述二维导电材料层下方的二维介电材料层；所述二维介电材料层直接接触覆盖于待连接的两个导体上，二维导电材料层覆盖于对应的二维介电材料层上，且两端直接与所述待连接的两个导体分别接触固定。
2.根据权利要求1所述的低损耗共面波导键合结构，其特征在于，所述第一共面波导的尺寸大于所述第二共面波导的尺寸。
3.根据权利要求1所述的低损耗共面波导键合结构，其特征在于，所述第一基底与所述第二基底的材质不同。
4.根据权利要求3所述的低损耗共面波导键合结构，其特征在于，所述第一基底上包括一与所述第二基底匹配的开槽；
所述第二基底嵌套固定于所述开槽内，且所述第一共面波导与所述第二共面波导位于同一平面且不接触。
5.根据权利要求3所述的低损耗共面波导键合结构，其特征在于，所述第二共面波导各导体第一端的尺寸大于第二端的尺寸，且所述第二共面波导各导体的第一端与所述二维异质结构连接。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的低损耗共面波导键合结构，其特征在于，所述第一共面波导的结构为GS结构、SG结构或GSG结构。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的低损耗共面波导键合结构，其特征在于，所述二维导电材料层的材质为石墨烯、黑鳞、Te、ZrGeSe、ZrGeTe中的一种。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的低损耗共面波导键合结构，其特征在于，所述二维介电材料层的材质为hBN或hY2O3。
9.一种如权利要求1所述的低损耗共面波导键合结构的制造方法，其特征在于，包括：
将第一共面波导和第二共面波导固定于同一水平面；
在所述第一共面波导和所述第二共面波导的对应导体接口处，键合一层绝缘且平整的二维介电材料层；
去除二维介电材料上的衬底残留金属；
采用飞秒激光对所述二维介电材料进行图形化；
在所述二维介电材料层、所述第一共面波导和所述第二共面波导上键合一层二维导电材料；
去除二维导电材料上的衬底残留金属；
采用飞秒激光对所述二维导电材料进行图形化，使所述二维导电材料完全覆盖所述二维介电材料层且与所述第一共面波导和所述第二共面波导的对应导体分别连接。
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