基于MEMS工艺的硅基毫米波微同轴波导芯片

董春晖，杨志，申晓芳，李宏军

（中国电子科技集团公司第十三研究所，河北 石家庄 050051）

0 引 言

同轴传输线是研究比较完善的一种微波传输结构，由于其优异的超宽带、低色散、低损耗特性，被广泛应用于各类射频通信系统之中。为了实现同轴传输线的小型化，以及简单可靠的批量化生产，多种片上微同轴加工技术被人们开发了出来。

随着微波技术的发展，系统对射频传输线性能的需求正在逐渐提高，微同轴传输线向着更高频段、更高功率发展。微同轴的高频传输性能取决于其中传输的TEM 波，随着微波频率的提升，高次模的产生将对传输性能产生不利的影响，而减小矩形同轴波导的截面积是一种有效的抑制高次模的方法。

本文提出了一种基于MEMS 工艺的制备硅基毫米波微同轴波导芯片的方法。通过在硅基片正反两个方向进行的两次干法刻蚀工艺，形成了垂直方向尺寸小于硅基片厚度的悬置线芯，以及用于垂直转接的凸台结构。经过侧壁选择性金属化，形成了线芯金属覆层，以及外屏蔽金属覆层。通过晶圆级键合技术形成了完整的矩形微同轴波导结构。最后通过矢量网络分析仪表征了芯片的微波传输性能。

1 硅基毫米波微同轴波导的结构

1.1 矩形同轴传输线

矩形同轴传输线是微同轴波导的关键结构，其中央悬置线芯与外围屏蔽金属共同提供了电磁波传输的通道。电磁波在其中能以多种模态传输，当传输模态为TEM 模时，其传输效果最好，而高阶模态的产生会使能量发生较严重的衰减。因此，矩形同轴传输线的设计应尽量避免高阶模态的形成。为了避免高阶模态的产生，一个方法是尽量缩小矩形波导的截面积，这就需要在缩小外屏蔽金属直径的同时，合理地减小线芯的尺寸。

如图1所示，硅基毫米波微同轴矩形同轴传输线由三层硅片堆叠形成。

图1 硅基毫米波微同轴的矩形同轴传输线结构示意图

第一层硅片的上表面金属提供了外屏蔽金属的底层部分。

第二层硅片由外围框架和中间的悬置线芯构成，框架和线芯之间由硅支撑梁相连。为了减小线芯尺寸，线芯的加工厚度需小于硅片的厚度，线芯下表面与第一层硅片的上表面存在一定距离。线芯的表面与侧壁被金属完全包裹，提供了导电性能；外框的侧壁与表面也被金属完全包裹，作为外屏蔽金属的中间部分；外框和线芯之间的支撑梁起到了支撑线芯的作用，为了实现线芯和外屏蔽金属之间的电绝缘，其表面不能存在金属。

第三层硅片，下表面具有槽状结构，槽状结构表面被金属完全覆盖，作为外屏蔽金属的上部分。槽底的金属与第二层硅片线芯的上表面存在一定距离。三层硅片的外屏蔽金属层相互连接，形成了包围着线芯的完整外导体结构。外导体屏蔽层与线芯一起形成了完整的矩形同轴波导结构。

1.2 垂直转接结构

为了能够对芯片进行测试与使用，需要在传输线的末端加工出垂直转接结构。垂直转接结构的功能有两方面：一是将传输线内部水平传输的电磁波信号转为垂直传输；二是在芯片外表面提供可供测试的平面端口。

如图2所示，硅基毫米波微同轴垂直转接结构由三层硅片堆叠形成。

图2 硅基毫米波微同轴的垂直转接结构示意图

第一层硅片的下表面提供了对外测试的平面端口。上表面有与线芯层对接的凸台结构。凸台内部有金属化的TSV通孔，连接了底部的平面端口与顶部的凸台，提供了微波垂直传输的通道。

第二层由外围的框架和内部的转接线芯构成。外围框架侧壁有金属覆盖，提供了同轴结构的外导体。内部的转接线芯底部形成了一个凸台，用于与第一层硅片的凸台相连接。

第三层硅片的下表面具有槽状结构，槽状结构表面被金属完全覆盖，作为外屏蔽金属。三层硅片的外屏蔽金属层相互连接，形成了包围着垂直转接线芯的完整外导体结构。外导体屏蔽层与内部的垂直转接线芯一起形成了完整的垂直转接结构。

2 制备工艺

2.1 线芯层工艺流程

硅基毫米波微同轴制备工艺分别在三层硅片上进行，然后通过晶圆级键合技术将三层晶圆键合到一起，形成完整的微同轴结构。第一层与第三层硅片完成外屏蔽层与垂直TSV通孔的制备，工艺较为简单。第二层硅片用于形成线芯结构，下面讨论其工艺流程。第二层晶圆的加工流程如图3所示。步骤A 为原材料片的准备，采用双面抛光高电阻率单晶硅片，采用标准半导体清洗工艺对衬底进行彻底清洗，去除油污、灰尘等。步骤B 为光刻工艺，使用光刻胶在硅片底面形成线芯的下半部分图形。步骤C 为干法刻蚀工艺，采用DRIE 设备，对从光刻胶中裸露出来的硅表面进行深刻蚀并截止到预定深度，形成侧壁垂直的槽体结构，刻蚀后去除光刻胶。步骤D 为光刻工艺，使用光刻胶在硅片底面形成线芯的上半部分图形。步骤E 为干法刻蚀工艺，对硅片表面进行深刻蚀并达到预定深度，与步骤C 中制备的槽体相连，形成悬置的芯体结构，芯体的厚度取决于步骤C 的刻蚀深度。步骤F为去胶工艺。步骤G 为种子层制备，采用磁控溅射工艺在硅晶圆的正反两面沉积金属作为缓冲层以及电镀工艺需要的种子层。步骤H ～L 为光刻—电镀—腐蚀工艺，在圆片的表面以及线芯的侧壁和框架的侧壁同时形成金属图形。至此，第二层晶圆的工艺完成。

图3 第二层晶圆加工流程

最终，采用晶圆级键合工艺，将上、中、下三层晶圆键合为一个整体，并经过划片工艺，形成分立的微同轴器件。

2.2 水平传输线芯结构的制备

图4（a）为水平传输线芯结构示意图，该结构由悬置在中间的线芯与外围的框架组成，线芯与框架之间为硅支撑梁。硅支撑梁表面没有金属覆盖，除此之外，线芯的表面以及框架表面均有金属覆盖。为了形成这种结构，首先采用图3（步骤A ～F）中描述的工艺步骤加工出硅的立体结构，之后采用选择性的侧壁金属化工艺形成图4中所显示的金属图形。

图4 水平传输线芯结构示意图及实际工艺结果

为了实现选择性的侧壁金属化，首先需要采用喷涂的方式，将光刻胶均匀地涂敷在硅立体结构表面（图3步骤H），需要仔细选择合适的光刻胶厚度，光刻胶过薄会导致图形外扩，过厚则会使显影难以干净。曝光时需要调整光刻机的出光角度，并配合光刻板的补偿设计，使紫外光线照射到线芯侧壁的同时，避免对硅支撑梁的照射。

图4（b）为制备完成的水平传输线芯结构的SEM 图像，从图中可以看到硅支撑梁大部分面积没有金属覆盖，线芯表面及侧壁被金属覆盖，实现了侧壁选择性金属化。由于立体结构的复杂性，曝光时紫外光线在结构内部会发生散射，导致了支撑梁与线芯连接处存在部分多余金属，多余金属的尺寸很小，不会影响器件实际性能，可以通过后续的工艺条件优化解决。

2.3 垂直转接线芯工艺

图5（a）为垂直转接线芯的结构示意图（为方便观察，示意图表示的结构为底部向上）。微波信号从右下方的线芯传入，由于线芯的厚度小于硅片的厚度，需要经过中部的凸台（图中虚线标出部分）才能与第三层硅片相互连通。制备时，首先采用图3（步骤A ～F）中描述的工艺步骤加工出硅的立体结构，形成硅凸台，之后采用选择性的侧壁金属化工艺形成图5（b）中所显示的金属图形。

图5 垂直转接线芯的结构示意图及实际工艺结果

3 测试结果

划片后，将芯片安装在测试夹具之上，测试夹具有与芯片相匹配的输入输出端口。测试时采用二端口法，将矢量网络分析仪的两个端口通过微波测试线连接到测试夹具的两端。测试的频率范围为30 GHz ～40 GHz。测试结果如图6所示。结果显示，芯片在30 GHz 到40 GHz 范围内插入损耗优于-5 dB，回波损耗优于-10 dB，具有毫米波传输的性能。

图6 测试装置（插图）以及测试结果曲线

4 结 论

综上，本文采用硅基MEMS 工艺，通过干法刻蚀、侧壁选择性曝光等技术，成功制备出了小于硅基片厚度的微同轴线芯；通过在线芯上制备凸台，形成了具有垂直转接功能的转接线芯结构。经过三层晶圆级键合工艺之后形成了具有完整功能的毫米波同轴芯片。微波测试结果表明其具有30 GHz ～40 GHz 毫米波段的微波传输性能。通过未来结构及工艺的进一步优化，有希望实现更高频率微波信号的传输。