基于MEMS技术的新型太赫兹混频器设计与制作

2015-05-09李建华徐立新陈和峰王凤芹

传感技术学报 2015年1期

关键词：混频器光刻胶赫兹

李建华,徐立新,陈和峰,王凤芹,付博

(1.北京理工大学机电动态控制重点实验室,北京 100081;2.淮海工业集团有限公司MEMS中心,山西长治 046012)

基于MEMS技术的新型太赫兹混频器设计与制作

李建华1*,徐立新1,陈和峰2,王凤芹2,付博2

(1.北京理工大学机电动态控制重点实验室,北京 100081;2.淮海工业集团有限公司MEMS中心,山西长治 046012)

混频器是太赫兹器件中传输信号的基本元件,具有重要的研究价值。介绍了一种以MEMS工艺为基础的新型的太赫兹混频器设计和加工工艺。该太赫兹混频器采用具有高介电常数SU-8光刻胶作为介质层,然后在SU-8胶介质层上进行光刻、电镀微带线,实现了采用正负胶结合的牺牲层工艺加工制作出了太赫兹混频器。

混频器;太赫兹;MEMS;微带线;牺牲层工艺

在通信系统中,混频器是必不可少的重要部件。在接收机中,混频器一般是位于接收机的前端或者在低噪声放大器的后续端,它的性能如变频损耗(增益)、噪声系数等直接影响到整个系统的好坏。所以在通信系统中,性能优越的混频器对整个系统起到关键作用[1]。随着研究的深入,混频器的应用频率也越来越高。从国外混频器的发展形势来看,已从上世纪八十年代的毫米波频段发展到了如今的太赫兹频段。2000年GhassanYassin和Matthew Buffey研制出应用频率高达350 GHz的SIS对极鳍线混频器,得到只有90 K的低噪声温度。2009年Bertand Thomas等人研制出320 GHz～340 GHz的分谐波镜像抑制混频器,在通带范围内镜像抑制度到7.2 dB～24.1 dB[2]。而目前国内研究设计的混频器频段仅限于毫米波段,主要的研究成果有:2001年南京电子技术研究所胡建凯等人研制的单端混频器和单平衡混频器在射频信号93 GHz～96 GHz上,变频损耗为10 dB～9 dB[3]。2004年,电子科大董庆来对W波段鳍线共面线平衡混频器进行了研制,射频92 GHz～96 GHz,本振90 GHz下,变频损耗小于15 dB,端口隔离度大于20 dB[4]。2008年电子科大李侃制作的Ka段四次谐波混频器的射频信号为34 GHz～36 GHz时的变频损耗小于11.8 dB[5]。从上可以看出国内对太赫兹波段上基本没有涉足,这是由于国内对这方面的研究受到现有的加工工艺、微波集成技术以及测试仪器的限制,相关技术并未成熟,起步也比较晚。

从制造工艺上看,随着混频器波长由毫米波段到太赫兹波段,混频器的尺寸精确控制就显得尤为重要,常规的精密加工工艺已不能满足太赫兹器件对加工精度的要求[6-7]。MEMS工艺采用光刻、电镀和牺牲层等工艺,可以进行高精度的三维立体加工,是射频MEMS器件制造的重要实现手段。国内外采用MEMS工艺进行了各种射频MEMS器件的设计、加工[8-11]。

本文提出了设计了一种频率为360 GHz的肖特基混频器,该器件以SU-8胶作为介质层,并采用MEMS工艺加工制作,制造精度上满足了太赫兹器件对制作精度的要求。

1 太赫兹混频器的设计

本文设计的混频器的频率已经处于太赫兹波段,故采用单管混频结构。单管混频方式多用于在单端混频器中,这种混频器的信号和本振功率以相同的方式注入二极管,即采用同一波导注入。本文的太赫兹混频器设计方案如图1以及微带电路结构图2[12]。

图1 单端混频器的设计方案

图2 太赫兹混频器结构图

图4 工艺流程图

本振信号和射频信号经过标准方波导馈入,经过过渡结构和匹配网络达到二极管。由于本振功率较小,需要额外的加上直流偏置。最后通过低通滤波器进行滤波,得到想要的中频信号。

在混频器设计中,介质层需要选用介电常数高,易于加工并且加工精度高的材料。本文选用SU-8负胶作为介质层,其突出的优点是介电常数高,作为环氧基的光刻胶,曝光固化后机械性能稳定,而且加工精度非常高。所以本文的选用SU-8胶作为介质层,同时满足了太赫兹混频器设计所需的高的介电常数和高的加工精度两个要求。

根据太赫兹混频器的设计,该器件为三层结构,分别为金属接地层—介质层—微带层,如下图3所示。其中金属接地层采用电镀Ni(10 μm)实现,介质层采用可以光刻加工的SU-8负胶(30 μm),最上层的微带线采用电镀Ni/Au(10 μm)。

图3 微带线结构示意图

2 太赫兹混频器的制作

针对采用SU-8负胶作为介质层的器件设计,本文开发了一种基于正负胶结合的MEMS工艺,涉及的主要工艺包括正负胶多层烘胶/光刻工艺、光刻胶上种子层溅射工艺、器件释放工艺等,通过工艺实验,最终确定了工艺流程和最佳的工艺参数。根据器件设计和工艺特点,制定的工艺流程如图4所示。

如图4所示,详细的工艺流程为:首先步骤①对玻璃基片进行清洗、烘干;然后步骤②制备牺牲层,涂覆5 μm厚的正胶;再次步骤③溅射种子层Cr/Cu,约1 100 Å;接着步骤④～步骤⑥是制备金属接地层,涂胶、光刻、电镀镍10 μm厚;然后步骤⑦溅射金属保护层Cu,1 000 Å,制备这层金属层的目的是保证在SU-8胶显影的时候不会溶解正胶;步骤⑧～步骤⑨是制备介质层,涂覆SU-8 2010负胶30 μm厚;步骤⑩溅射种子层Cu,约1 000 Å;最后步骤～步骤微带层的制备,涂胶、光刻、电镀镍/金,共厚10 μm。完成上述流程后,进行器件牺牲层释放工艺,详细的释放工艺流程在下面的章节中给出。

3 结果与讨论

3.1 对正胶牺牲层的保护

在玻璃上首先涂覆的5 μm厚的正胶(AZ4620),这层正胶是作为器件从玻璃片上释放时的牺牲层使用的。因此,在整个器件制造完成之前,不能让这层正胶牺牲层受到破坏。然而,在SU-8负胶光刻显影过程中,由于SU-8胶的显影液呈较强的碱性,这层正胶在没有保护的情况下会被溶解掉。所以需要在SU-8胶涂胶之前先对正胶进行保护。本文采用的办法是在正胶上溅射一层Cu金属层(厚度1000 Å),由于一层金属保护层的存在,这样能保证在SU-8胶显影过程中,正胶不被SU-8显影液溶解掉。

正胶上溅射Cu金属层时,由于光刻胶和Cu金属的热膨胀系数差异较大,因此溅射时功率不能太大,否则也会破坏下面的正胶牺牲层。本文使用的是磁控多靶溅射机(KDF 904i)用来沉积Cu金属层。经过实验,在胶上溅射Cu金属层时,需将溅射功率设定为1 000 W,这样能使金属的应力较低,不会对正胶造成破坏。

3.2 烘胶参数的选择

在器件制作过程中,在正胶和负胶需要同时进行加工,因此对光刻胶的烘胶参数提出很高的要求。适当的烘胶条件能提高显影后的胶膜留膜率,保证显影后图形尺寸的精确度。如果烘胶不当,则会使图形精度低,线条边沿粗糙不整齐;或者烘胶温度过高,则光刻胶感光敏感度降低,无法进行曝光、显影。由于本文的特殊制作工艺,需要在正胶(牺牲层胶)上溅射种子层再涂负胶的情况。Cu种子层与正/负胶的膨胀系数不同,如果烘胶温度和方法不当,会使这层结构出现裂纹或气泡,影响或者不能进行下一步电镀。

经过实验研究,采用分段升温的工艺方法进行烘胶,这样就保证了烘胶的温度,并得到较好的效果。具体参数如下表1所示。

表1 每层的烘胶参数

3.3 器件释放

太赫兹器件加工完成后需要将其从玻璃片上释放下来,由于该器件用到了正胶、金属和SU-8负胶。正胶可以很容易的溶解于丙酮,但是由于正胶在丙酮中的溶解速度太快,这可能会造成器件在释放时发生卷曲,从而是器件遭到破坏,而且丙酮不能去除夹在光刻胶之间的金属种子层,因此在释放的时候需要逐层去除金属种子层和正胶牺牲层。

如下图5所示就是本文要释放的结构。文章采用的是自上而下逐层溶解的方法来释放,具体工艺过程如图5所示。

图5 释放结构图

①室温下用1%左右NaOH溶液溶解最上层光刻胶,直到露出种子层为止,用去离子水冲洗干净;②去除种子层:用氨水加双氧水刻蚀铜(Cu)膜;③用1%左右NaOH溶液刻蚀牺牲层光刻胶;④用氨水加双氧水刻蚀种子层铜(Cu)膜;⑤用3%左右NaOH溶液刻蚀牺牲层光刻胶;⑥用丙酮浸泡,溶解酒精同时有助于溶解残余光刻胶,用去离子水冲洗干净,这样就可以得到释放的自由结构。

通过以上工艺方法,制作完成并得到了基于SU-8负胶为介质层的太赫兹混频器如图6所示。SU-8厚胶作为介质层使用机械强度高,性能稳定,而且可以采用光刻工艺进行加工,很好地保证了尺寸精度。在SU-8厚胶上面制作的金属微带线尺寸在微米量级,通过电镀工艺能够得到高精度的线条,为亚毫米混频器的性能提供了保证。

图6 释放得到的太赫兹混频器SEM照片

4 结论

本文设计并制作了一种采用SU-8负胶作为介质层的太赫兹混频器。SU-8负胶具有高的介电常数,而且基于其光敏特性,能够进行精密加工。SU-8胶通过曝光/显影和固化后,机械强度很高,并且性能稳定,非常适合于用作介质层。器件的制造工艺选用正负胶结合的加工工艺,AZ4620正胶作为器件释放的牺牲层,SU-8负胶作为器件介质层。在该工艺流程中,为防止SU-8显影时对正胶的腐蚀,在正胶上溅射了一层1 000 Å的Cu作为保护。实验结果证明,该器件设计合理,工艺简洁,制备出了高精度的太赫兹混频器。

[1]陈辉.光通讯中的MEMS技术[J].福建信息技术教育,2006(2):14-18.

[2]Bertand T,Simon R.A 320 GHz～360 GHz Sub-Harmonically Pumped Image Rejection Mixer Using Planar Schottky Diodes[J].IEEE Microwave and Wireless Component Letters,2009,19(2):101-103.

[3]胡建凯,黄振起,李宝令,等.3 mm FM/CW组件中鳍线混频器的研究[J].固体电子学研究与进展,2001,21(1):10-14.

[4]董庆来.三毫米波混合集成平衡混频器研究[D].成都,电子科技大学,2004.

[5]李侃.Ka波段四次谐波混频器的研究[D].成都,电子科技大学,2008.

[6]顾东华,丁桂甫,陈伟强,等.CPW馈电缝隙耦合蝶形毫米波贴片天线[J].电子与信息学报,2007,29(10):2392-2395.

[7]顾东华,丁桂甫,孙晓峰,等.共面波导馈电蝶形开口振子缝隙天线[J].微波学报,2007,23(1):25-28.

[8]董自强,赵博韬,石国超.一种超宽带MEMS开关的研制[J].传感技术学报,2014,27(3):312-315.

[9]赵兴海,李玉萍,郑英彬,等.RF MEMS电容式开关结构层释放技术[J].传感技术学报,2012,25(3):322-325.

[10]Chen Weiqiang,Ding Guifu,et al.A Novel MEMS-Based CPW-Fed Slot Antenna for Broad Band Circular Polarization Unidirectional Radiation[J].Journal of Micromechanical Microengineering,2007,17(11):2352-2359.

[11]卢冲赢,徐立新,李建华,等.CMOS兼容高Q值微机电系统悬浮片上螺旋电感[J].兵工学报,2014,35(5):634-639.

[12]蒋石磊.微波毫米波混频器研究[D].南京:南京理工大学,2009.

Design and Fabrication of a Sub-Millimeter Mixer Based on MEMS Technology

LIJianhua1*,XULixin1,CHENHefeng2,WANGFengqin2,FUBo2

(1.National Key Laboratory of Science and Technology on Electromechanical Dynamic Control,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China;2.MEMS Center,Huaihai Industries Group Co.Ltd,Changzhi Shanxi 046012,China)

Mixer is a basic RF device for signal transportation and has potential applications in many fields.A novel sub-millimeter mixer device based on MEMS technology has been designed and fabricated.In this design,SU-8 photoresist which has a high dielectric constant,was used as the dielectric layer of the device.The subsequent processes,such as photolithography,electroplating of micro-strip etc.,were carried out on SU-8 dielectric layer.By using positive- and negative photoresist sacrifical process,a novel sub-millimeter mixer was demonstrated.

mixer;sub-millimeter;MEMS:micro-strip;sacrifical process