CN202817148U - 全密封结构微机械滤波器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种全密封结构微机械滤波器。该滤波器基本结构为交指型带状线滤波器结构，由两层介质材料上下叠加构成，两层介质层之间有采用微机械工艺制作的交指型金属电极层；下介质层上表面有采用刻蚀工艺制备的空腔；在上、下两层介质层上均设有通孔，通孔内壁制备有金属层；上、下介质层表面均有微机械工艺制作的表面电极层，其中一个介质层表面设有输入、输出引出线。该滤波器较现有微机械滤波器体积得到进一步缩小，并采用晶圆级封装方法，克服了现有微机械滤波器结构无法实现全密封的缺点，无需外壳封装，简化了装配。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种采用晶圆级封装的全密封结构微机械滤波器，特别涉及一种基于微机械工艺且由高阻硅或石英材料制造的滤波器。
背景技术
随着通信技术的发展，整机系统对微波滤波器提出了大带宽、小体积、高幅相一致性等要求。传统的腔体滤波器、微带滤波器、介质滤波器、低温共烧陶瓷（LTCC）滤波器和薄膜体声波滤波器等微波滤波器技术难以在带宽、体积、幅相一致性等指标上完全满足要求。
微机械滤波器是融合了微波滤波器设计和微机械工艺技术的一类新型器件，它通过采用硅基片或石英基片，成功将MEMS工艺应用到微波滤波器的设计中，并使用晶圆键合工艺实现了芯片的自封装，具有带宽大、体积小、幅相一致性好等众多优点。
文献“A Planar High-Q Micromachined Monolithic Half-Coaxial Transmission-Line Filter”， IEEE transactions on microwave theory and techniques，2006，54 （12）：4161-4168，介绍了一种微机械滤波器结构，体积相对腔体滤波器大幅度减小，但该滤波器不是全密封结构，需要二次封装，这将进一步增大器件体积。
实用新型内容
本实用新型所要解决的问题是提供一种全密封结构、高可靠性的微机械滤波器，该滤波器克服了现有微机械滤波器无法实现全密封的缺点，并进一步减小了滤波器体积，具有带宽大、体积小、幅相一致性好、可批量生产等众多优点。
本实用新型所提出的技术问题是这样解决的：
本实用新型所提供的全密封结构微机械滤波器，采用一种基于微机械工艺制作从而形成全密封结构微机械滤波器，所述滤波器包括上下叠加的上介质层和下介质层，所述上介质层和下介质层之间设置有带抽头信号线的交指电极的中间金属电极层；所述与中间金属电极层相接触的下介质层上表面设置有与交指电极抽头信号线匹配的第一空腔；所述与中间金属电极层相接触的下介质层上表面设置有与交指电极指条匹配的第二空腔；所述上介质层表面上方设置有上介质层上表面金属层，所述下介质层表面下方设置有下介质层下表面金属层，所述上、下介质层上还设置有与中间金属电极层相配合的通孔，所述上介质层上表面金属层的电极通过通孔与中间金属电极层的电极连接；所述下介质层下表面金属层的电极通过通孔与中间金属电极层的电极连接；所述上、下介质层中的任一个介质层表面设有输入、输出信号线。
进一步，所述中间金属电极层、上介质层上表面金属层和下介质层下表面金属层采用微机械工艺制作。
进一步，所述通孔内壁制备有金属层；所述第一空腔和第二空腔采用刻蚀工艺制备。
进一步，所述中间金属电极层为基于交指型滤波器结构，所述中间金属电极层包括位于上介质层的下表面的第一金属层和位于下介质层的上表面的第二金属层。
进一步，所述第二空腔位于交指电极指条之间且腔体深度小于介质层厚度。
进一步，所述输入、输出信号线设置于上、下介质层厚度较薄的一个介质层表面上，所述输入、输出信号线为微带线或共面波导线。
进一步，所述输入输出信号线与中间金属电极层设置的输入输出抽头线通过上、下介质层的通孔连接。
进一步，所述上介质层上表面的地线通过上介质层的通孔与中间金属电极层的地线连接；所述下介质层下表面的地线通过下介质层的通孔与中间金属电极层的地线连接。
进一步，所述上、下介质层为高阻硅介质材料或石英介质材料。
进一步，所述滤波器采用晶圆级键合封装技术，具有全密封结构。
本实用新型具有以下优点：
1、本实用新型将交指型带状线滤波器结构和微机械工艺技术结合起来，具有工艺精度高，可批量生产的优点。交指型滤波器结构第二通带中心在三倍中心频率以上，高端带外抑制好。采用高阻硅等高介电系数的介质材料，有利于减小滤波器的体积。
2、利用深硅刻蚀技术，在下介质层交指电极之间刻蚀出空腔，减弱指条之间的耦合，有利于减小滤波器的体积。
3、采用通孔将介质层间抽头信号线与介质层表面信号输入、输出线连接起来，实现了滤波器的全密封结构。
4、采用晶圆抛光减薄技术，对上介质层进行减薄，可以减弱交指指条之间的耦合，将进一步减小滤波器体积。
5、采用晶圆键合技术和通孔技术，实现了滤波器的晶圆级封装，减小了封装体积，提高了封装效率。
本实用新型的其它优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本实用新型的实践中得到教导。本实用新型的目标和其它优点可以通过下面的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型作进一步的详细描述，其中：
图1是全密封结构微机械滤波器的分层立体示意图；
图2是全密封结构微机械滤波器的装配立体示意图；
图3是上介质层各加工工序的实施例截面图；
图4是下介质层各加工工序的实施例截面图；
图5是上介质层和下介质层键合后各加工工序的实施例截面图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本实用新型的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本实用新型，而不是为了限制本实用新型的保护范围。
实施例1
本实用新型提供的全密封结构微机械滤波器，所述滤波器包括上下叠加的上介质层和下介质层，所述上介质层和下介质层之间设置有带抽头信号线的交指电极的中间金属电极层；所述与中间金属电极层相接触的下介质层上表面设置有与交指电极抽头信号线匹配的第一空腔；所述与中间金属电极层相接触的下介质层上表面设置有与交指电极指条匹配的第二空腔；所述上介质层表面上方设置有上介质层上表面金属层，所述下介质层表面下方设置有下介质层下表面金属层，所述上、下介质层上还设置有与中间金属电极层相配合的通孔，所述上介质层上表面金属层的电极通过通孔与中间金属电极层的电极连接；所述下介质层下表面金属层的电极通过通孔与中间金属电极层的电极连接；所述上、下介质层中的任一个介质层表面设有输入、输出信号线。
所述中间金属电极层、上介质层上表面金属层和下介质层下表面金属层采用微机械工艺制作。所述通孔内壁制备有金属层；所述第一空腔和第二空腔采用刻蚀工艺制备且腔体深度小于介质层厚度。所述中间金属电极层为基于交指型滤波器结构，所述中间金属电极层包括位于上介质层的下表面的第一金属层和位于下介质层的上表面的第二金属层。
所述输入、输出信号线设置于上、下介质层厚度较薄的一个介质层表面上，所述输入、输出信号线为微带线或共面波导线。所述输入输出信号线与中间金属电极层设置的输入输出抽头线通过上、下介质层的通孔连接。
所述上介质层上表面的地线通过上介质层的通孔与中间金属电极层的地线连接；所述下介质层下表面的地线通过下介质层的通孔与中间金属电极层的地线连接。所述上、下介质层为高阻硅介质材料或石英介质材料。所述滤波器采用晶圆级键合封装技术，具有全密封结构。
实施例2
下面将对全密封结构微机械滤波器作进一步描述：
图1是全密封结构微机械滤波器的分层立体示意图，基于微机械工艺的全密封结构微机械滤波器，该滤波器由两层介质层上下叠加构成，两层介质层之间有采用微机械工艺制作的金属电极层；其中，f1为上介质层上表面金属层，f2为上介质层，f3为中间金属层，f4为下介质层，f5为下介质层下表面金属层，下介质层上表面有采用刻蚀工艺制备的空腔；在上、下两层介质层上均设有通孔，通孔内壁制备有金属层；上、下介质层表面均有微机械工艺制作的表面电极层，其中一个介质层表面设有输入、输出引出线。
1、8为输入、输出信号线，2、9为上介质层上表面金属层输入、输出信号线与中间金属层抽头信号线的通孔连接的电极，3为上介质层上表面金属层接地电极，4、5、6、7、10、11、12为上介质层上表面金属层接地电极与中间金属层接地电极连接的通孔，13、14、15、16、17、18、19、20、21为上介质层通孔，22为中间金属层接地电极，它还起到金属共熔键合焊环的作用，23、31为中间金属层交指电极抽头信号线，24、25、26、27、28、29、30为中间金属层交指电极，交指电极的根数可以根据滤波器指标要求进行调整，32、33、44、45为在交指电极抽头信号线两边的下介质层上的第一空腔，34、36、38、39、41、42为在交指电极指条之间的下介质层上的第二空腔，35、37、40、43、46、47、48为下介质层通孔，49、50、51、52、53、54、55为下介质层下表面金属层接地电极与中间金属层接地电极连接的通孔。
将图1中f1、f2、f3、f4、f5装配起来，效果如图2所示。由虚线AA得到的上介质层和下介质层截面图如图3B、4 C所示。
在该实施例中，全密封结构微机械滤波器的制作分为3大部分，包括上介质层、下介质层的制备和上、下介质层键合后的相关制备工艺。介质层材料选择为高阻硅，厚度400μm；电极材料为金、铜等低电阻率金属材料。
上介质层的加工工序如图3所示。在采用标准半导体硅晶圆清洗工艺完成硅晶圆清洗后，使用LPCVD工艺在硅晶圆上下表面生长一层氮化硅薄膜56，薄膜厚度在100nm-1000nm之间，如图3A所示。然后，采用剥离、蒸发工艺在硅晶圆的上表面制备滤波器交指电极57，厚度为1μm-10μm范围，如图3B所示。
下介质层的加工工序如图4所示。在采用标准半导体硅晶圆清洗工艺完成硅晶圆清洗后，使用LPCVD工艺在硅晶圆上下表面生长一层氮化硅薄膜58，薄膜厚度在100nm-1000nm之间，如图4A所示。然后，采用剥离、蒸发工艺在硅晶圆的上表面制备滤波器交指电极59，厚度为1μm-10μm范围，如图4B所示。最后采用RIE工艺在交指电极之间刻蚀掉氮化硅，然后采用DRIE工艺刻蚀硅，形成空腔60、61、62，其中，60、62为输入输出抽头线两边的第一空腔，61为交指指条之间的第二空腔，要求空腔垂直于基片表面，深度为20μm -200μm之间，如图4C所示。
完成上介质层和下介质层的加工后，采用金属共熔晶圆键合的方法完成上下介质层的键合，键合后，金属层57、59共熔在一起，形成中间金属层f3，如图5A所示。上、下介质层键合后滤波器的制备工艺如图5所示。
采用晶圆抛光工艺将键合后的晶圆上介质层抛光减薄，将其厚度减薄至50μm-250μm。然后，在键合晶圆上表面采用LPCVD或PECVD方法沉积一层氮化硅薄膜，厚度为100nm-1000nm之间，光刻出通孔图形后，使用RIE方法刻蚀掉通孔处氮化硅薄膜，然后在键合晶圆上表面刻蚀出通孔63、64、65，其中64为接地通孔，63、65为信号线通孔。采用RIE方法刻蚀掉通孔内上介质层下表面的氮化硅薄膜。工艺完成后，效果如图5B所示。
在键合晶圆下表面光刻出通孔图形，使用RIE方法刻蚀掉通孔处氮化硅薄膜，然后在键合晶圆下表面刻蚀出接地通孔66。采用RIE方法刻蚀掉通孔内下介质层上表面的氮化硅薄膜。工艺完成后，效果如图5C所示。
采用蒸发方法在键合晶圆下表面沉积一层接地金属电极f5，厚度为1-10μm范围，金属电极会覆盖键合晶圆下表面和下表面通孔，其中68为通孔内电极，它将键合晶圆下表面接地电极与键合晶圆中间金属接地电极连接起来。
在键合晶圆上表面光刻出输入、输出引出线和地线电极图形，然后采用剥离、溅射方法制备输入、输出引出线和地线电极层f1, 厚度为1-10μm范围，其中67为通孔电极，它将键合晶圆上表面接地电极与键合晶圆中间金属接地电极，键合晶圆上表面输入、输出信号线电极与键合晶圆中间金属抽头线电极连接起来。
上述工艺完成后，采用划切工艺将微机械滤波器晶圆划切成小片，便完成了全密封结构微机械滤波器芯片的制作，效果如图5D所示。
下介质层上表面的空腔一位于输入输出抽头线两边，空腔二位于交指电极指条之间，腔体深度小于介质层厚度。该滤波器上下介质层厚度不一致，其中一个介质层厚度较薄，输入、输出信号线位于较薄介质层的外表面。输入输出信号线结构为微带线或共面波导线。输入输出信号线与中间金属电极层交指滤波器输入输出抽头线是通过介质层通孔连接的。
上介质层上表面的地线和中间金属电极层的地线是通过上介质层的通孔连接的；下介质层下表面的地线和中间金属电极层的地线是通过下介质层的通孔连接的。所述的介质层或全部为高阻硅介质材料，或全部为石英介质材料，或部分介质层为高阻硅介质材料、其余为石英介质层材料。所述的滤波器采用晶圆级键合封装技术，具有全密封结构。
以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并不用于限制本实用新型，显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.全密封结构微机械滤波器，其特征在于：所述滤波器包括上下叠加的上介质层和下介质层，所述上介质层和下介质层之间设置有带抽头信号线的交指电极的中间金属电极层；所述与中间金属电极层相接触的下介质层上表面设置有与交指电极抽头信号线匹配的第一空腔；所述与中间金属电极层相接触的下介质层上表面设置有与交指电极指条匹配的第二空腔；所述上介质层表面上方设置有上介质层上表面金属层，所述下介质层表面下方设置有下介质层下表面金属层，所述上、下介质层上还设置有与中间金属电极层相配合的通孔，所述上介质层上表面金属层的电极通过通孔与中间金属电极层的电极连接；所述下介质层下表面金属层的电极通过通孔与中间金属电极层的电极连接；所述上、下介质层中的任一个介质层表面设有输入、输出信号线。
2.根据权利要求1所述的全密封结构微机械滤波器，其特征在于：所述中间金属电极层、上介质层上表面金属层和下介质层下表面金属层采用微机械工艺制作。
3.根据权利要求1所述的全密封结构微机械滤波器，其特征在于：所述通孔内壁制备有金属层；所述第一空腔和第二空腔采用刻蚀工艺制备。
4.根据权利要求1-3任一项所述的全密封结构微机械滤波器，其特征在于：所述中间金属电极层为基于交指型滤波器结构，所述中间金属电极层包括位于上介质层的下表面的第一金属层和位于下介质层的上表面的第二金属层。
5.根据权利要求4所述的全密封结构微机械滤波器，其特征在于：所述第一空腔位于交指电极抽头信号线两侧，第二空腔位于交指电极指条之间，第一空腔和第二空腔的腔体深度小于介质层厚度。
6.根据权利要求5所述的全密封结构微机械滤波器，其特征在于：所述输入、输出信号线设置于上、下介质层厚度较薄的一个介质层表面上，所述输入、输出信号线为微带线或共面波导线。
7.根据权利要求6所述的全密封结构微机械滤波器，其特征在于：所述输入输出信号线与中间金属电极层设置的输入输出抽头线通过上、下介质层的通孔连接。
8.根据权利要求7所述的全密封结构微机械滤波器，其特征在于：所述上介质层上表面的地线通过上介质层的通孔与中间金属电极层的地线连接；所述下介质层下表面的地线通过下介质层的通孔与中间金属电极层的地线连接。
9.根据权利要求8所述的全密封结构微机械滤波器，其特征在于：所述上、下介质层为高阻硅介质材料或石英介质材料。
10.根据权利要求9所述的全密封结构微机械滤波器，其特征在于：所述滤波器采用晶圆级键合封装技术，具有全密封结构。
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