基于MEMS技术的通讯用集总参数环行器及其制作方法与流程

基于mems技术的通讯用集总参数环行器及其制作方法
技术领域
1.本发明涉及微波元器件技术领域，尤其涉及一种基于mems技术的通讯用集总参数环行器及其制作方法。


背景技术：

2.环行器是微波工程中一类重要的基础性器件，其广泛应用于民用通讯、微波测量、雷达、通信、电子对抗、航空航天等各种民用、军用设备中，在设备中主要用来实现天线收发共用，级间隔离等问题。通常工作在s波段及以下频段，在4g，5g通讯基站中有很广泛的应用，集总微带环形器由于其体积小、重量轻、易于集成的特点，在当代通讯系统中具有相当重要的地位。
3.当前集总参数环行器主要制作方法是将电路编织在铁氧体上。这种方法有电路相互干涉、编织小尺寸困难等问题，导致器件难以小型化，目前最常见的尺寸为5
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5mm。而为了制作更小尺寸的集总参数环行器，传统的工艺精度已经不能满足当前的需求。另外，传统的制作方法通过一片一片器件的方法进行制作，存在制作工艺复杂、人员素质要求高、良品率低、一致性差、成本高的问题。亦即目前常用的集总参数环行器连接电路直接制作在外壳上或制作在电路板上，存在工艺复杂，精度较低，装配困难，成本高，尺寸大等问题。
4.随着电子元器件小型化、集成化的发展，对微波磁性元器件也提出了同样的需求。传统的加工工艺已经不能满足微带环行器的发展，因此基于mems技术的硅基微带环行器应运而生。
5.一般意义上基于mems技术的硅基微带环行器主要通过上下两片硅基片组合的方式制作而成，其中安装旋磁铁氧体基片的铁氧体槽是通过硅片通孔刻蚀和硅片金属键合的方式实现，但是这种方法主要是用来制作微带/带线结构的环行器，因为集总参数环行器小型化制作要求多层电路构建成编织袋结构，一般两片硅片组合的方式不能达到这种要求（设计效果），因此需要多层电路的方式制作，即本领域亟需一种基于mems技术制作集总参数环行器的方法，以解决上述问题。


技术实现要素：

6.本发明的目的之一，就在于提供一种基于mems技术的通讯用集总参数环行器，以解决上述问题。为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：一种基于mems技术的通讯用集总参数环行器，包括硅主基片，在所述硅主基片下方设置有硅副基片，在所述硅主基片上方设置有至少两层聚酰亚胺薄膜；在所述硅主基片和硅副基片的上表面和下表面均制作有电路图案，所述硅主基片与硅副基片通过金属过孔和键合的方式互联；每层所述聚酰亚胺薄膜上也制作有电路图案，并通过聚酰亚胺薄膜上的金属化过孔与下层的电路互联。每一层硅片和聚酰亚胺都设置有电路。
7.本发明的目的之二，在于提供一种上述的基于mems技术的通讯用集总参数环行器
的制作方法，采用的技术方案为，包括下述步骤：（1）选择电阻率为5000-10000ω.cm的硅片作为加工材料主体，即晶圆，对其进行清洗并烘干；（2）处理硅主基片：将晶圆放入烘箱处理，正面面贴uv膜，然后使用光刻工艺在晶圆背面制作金属化盲孔的掩膜版，光刻胶厚度＞8μm；然后从正面刻蚀盲孔，盲孔深度＞200μm；刻蚀完成撕掉uv膜；然后去胶、清洗、烘干；处理硅副基片：使用和硅主基片同样的工艺制作在硅副基片正面的盲孔；（3）种子层制作：对硅主基片和硅副基片依然用同样的工艺：使用磁控溅射在硅晶圆上（主基片背面，副基片正面）沉积cr/au双层膜，镀膜前优选用rf等离子体反溅清洗分别处理晶圆表面，优选厚度分别为cr：30nm，au200nm，这时候硅晶圆表面和通孔内都镀满了cr/au；（4）盲孔填充：同步骤（2）光刻，将盲孔图案通过光刻胶转移到晶圆上，带胶电镀镀cu，用cu将盲孔填满；接着用步骤（2）中的去胶工艺去除光刻胶，清洗甩干；然后去除盲孔上高过au层的cu；接着继续用光刻工艺转移键合焊盘图案，然后带胶电镀au，然后去胶清洗甩干；（5）种子层刻蚀：光刻，将盲孔焊盘位置用光刻胶覆盖，其他部分漏出；接着把晶圆放入湿法腐蚀au腐蚀槽中，取出晶圆并用去离子水清洗晶圆，然后放入湿法腐蚀cr腐蚀槽中腐蚀，接着用去离子水冲洗，然后放入晶圆甩干机中甩干；然后去胶清洗甩干；（6）键合：使用键合夹具通过光刻机对准硅主基片背面和硅副基片正面，对准后将夹具放入晶圆键合机中，利用热压au-au键合的方法将硅主基片和硅副基片键合到一起；所述键合夹具，可以采用evg或者suss公司晶圆级键合所用的夹具；这里键合之前进行去过胶处理；（7）临时键合：将键合好的晶圆放入临时键合机，在晶圆正面临时键合粘接一片支持晶圆；（8）减薄抛光：将晶圆放入晶圆减薄机，对晶圆背面进行减薄，减薄至小于200μm，漏出cu通孔；然后将晶圆进行抛光处理，然后清洗；（9）解键合：将清洗完的晶圆放入临时解键合机，将支持晶圆去掉，然后清洗甩干；（10）重复步骤（7）-（9）处理晶圆正面；（11）硅片上层电路制作：在晶圆正面制作电路，同步骤（3）一样用磁控溅射沉积一层cr/au薄膜，光刻，同步骤（4）带胶电镀加厚au层，au层厚度＞3um，然后去胶清洗甩干；同步骤（5）光刻、将加厚电路位置用光刻胶覆盖，其他部分漏出，将种子层刻蚀掉，然后去胶、清洗、甩干；形成硅片上层电路；（12）硅片下层电路制作：同步骤（11），在晶圆背面制作硅片下层电路；（13）贴第一层聚酰亚胺膜：对硅晶圆进行氧等离子处理；使用贴膜设备（比如可以采用takatori贴膜设备vtm-300ma），在真空环境下于硅晶圆正面贴薄膜型聚酰亚胺光刻胶；（14）第一层聚酰亚胺薄膜加工：将晶圆进行曝光处理，然后将晶圆放入涂胶显影机进行多次显影，显影时间＞20min，中间形成通孔；然后将晶圆放入烘箱，在真空无氧环境下退火处理；
（15）聚酰亚胺上层电路制作：同步骤（3）、（4）、（5）、（11），使用镀膜、通孔填充、带胶电镀、干法ibe刻蚀的方法在聚酰亚胺上表面制作编带电路，填充通孔使用au，使用干法刻蚀的方法去除种子层；电路制作完成后，得到第一层聚酰亚胺上层电路，然后同步骤（2）去胶清洗甩干；（16）贴第二层聚酰亚胺膜：同步骤（13），在晶圆上表面贴第二层聚酰亚胺薄膜；（17）第二层聚酰亚胺薄膜加工：同步骤（14），对第二层聚酰亚胺薄膜进行加工，形成通孔；（18）第二层聚酰亚胺上层电路制作：同步骤（15），在聚酰亚表面制作第二层聚酰亚胺上层电路，电路制作完成之后，同步骤（2）去胶清洗甩干；（19）聚酰亚胺刻蚀：将晶圆放入氧等离子处理机中做氧等离子处理，然后使用磁控溅射溅射al薄膜作为掩膜版，然后将晶圆放入hmds烘箱做预处理，优选处理温度为120℃，然后在晶圆正面涂正胶，接着使用接触式曝光机曝光，优选曝光条件为405nm光源，曝光量200mj；然后显影，热板烘烤；将晶圆放入湿法刻蚀槽中，优选使用al腐蚀液在45℃将铝刻蚀透，形成al掩膜版结构，然后同步骤（2）去胶清洗甩干；最后把晶圆放入icp-rie刻蚀机，优选利用反应离子刻蚀技术干法刻蚀聚酰亚胺薄膜，刻蚀气体为sf6、o2，将聚酰亚胺层刻透，漏出硅晶圆上表面的金属结构；最后把晶圆放入湿法腐蚀槽中，腐蚀掉剩下的al，最后同步骤（2）清洗甩干；（20）背面铁底板方孔刻蚀：使用光刻工艺在晶圆背面制作用于焊接安装铁底板的方孔的掩膜版，光刻胶厚度＞8um，然后从正面刻蚀盲孔，形成方孔；然后同步骤（2）去胶、清洗、甩烘干晶圆；（21）背面铁氧体圆孔槽刻蚀：同步骤（20），用深刻蚀刻蚀硅主基片，形成圆孔；然后同步骤（2）去胶、清洗、甩烘干晶圆。
8.作为优选的技术方案：退火温度为280℃，升温速率为5℃/min，保温时间为2h，然后分段式逐渐降温，使得聚酰亚胺薄膜变性固化，得到第一层聚酰亚胺。
9.本发明利用多层电路互联的方式制作集总参数环行器，其中包括硅片堆叠工艺和聚酰亚胺多层堆叠工艺；本发明为小型化3
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3mm集总参数环行器提供了一种可实现的具备大规模量产可能的集总参数环行器的mems工艺流程，提高了生产效率和产品的一致性；本发明通过双层聚酰亚胺薄膜的方式完成了集总参数环行器的编织电路，降低了工艺难度，避免在聚酰亚胺薄膜背面制作电路模块；本发明深硅刻蚀不需要制作阻挡层，聚酰亚胺薄膜可以作为深硅刻蚀的阻挡层；本发明使用键合解键合的工艺方法对键合好的晶圆进行减薄抛光，既完成通孔互联（tsv工艺），同时也能够释放应力，防止基片碎裂。为器件厚度的降低提供了一种方法；本发明利用离子束ibe干法刻蚀的方法去除种子层，防止湿法刻蚀对键合晶圆结构强度的影响；另外在ibe刻蚀时使用刻蚀-冷却-刻蚀-冷却循环的方式刻蚀，防止温度过高对晶圆结构以及光刻胶造成破坏；本发明使用深硅刻蚀的方法形成铁氧体槽和铁底板槽，为后续的组装工艺提供便利。
10.与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明提供了一种利用mems工艺技术制作
的3
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3mm小型集总参数微带环行器，其制备方法具有工艺成熟，速度快、成本低、效率高且一致性好等优点，适合大批量生产，同时可以有效减小铁氧体和器件的尺寸等优点，为了更小的如2
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2mm、1
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1mm器件的打下了工艺基础。
11.附图说明
12.图1-4为本发明实施例1的制作过程中的结构变化示意图；图1-4中，（a）为光刻示意图；（b）为盲孔刻蚀示意图；（c）为深孔填充示意图；（d）为键合图案制作示意图；（e）为键合示意图；（f）为临时键合解键合、减薄、抛光示意图；（g）上层电路制作示意图；（h）为下层电路制作示意图；（i）为制作第一层聚酰亚胺示意图；（j）为第二次上层电路制作示意图；（k）为制作第二层聚酰亚胺示意图；（l）为第三次上层电路制作示意图；（m）为聚酰亚胺刻蚀示意图；（n）为硅片刻蚀示意图；图5为实施例1所制得的环行器的正面立体结构图；图6为实施例1所制得的环行器的背面立体结构图；图7为实施例1所制得的环行器的主体结构图。
13.图中：1、硅主基片；2、硅副基片；3、铁氧体基片；4、光刻胶；5、盲孔；6、cu层；7、au层；8、硅片上层电路；9、硅片下层电路；10、第一层聚酰亚胺；11、第一层聚酰亚胺上层电路；12、第二层聚酰亚胺；13、第二层聚酰亚胺上层电路；14、方孔；15、圆孔。
14.具体实施方式
15.下面将结合附图对本发明作进一步说明。
16.实施例1：一种基于mems技术的通讯用集总参数环行器，参见图7，其主体结构包括硅主基片1，在所述硅主基片1下方设置有硅副基片2，在所述硅主基片1上方设置有两层聚酰亚胺薄膜，分别为第一层聚酰亚胺10和第二层聚酰亚胺12；在所述硅主基片1和硅副基片2的上表面和下表面均制作有电路图案，所述硅主基片1与硅副基片2通过金属过孔和键合的方式互联；每层所述聚酰亚胺薄膜上也制作有电路图案，并通过聚酰亚胺薄膜上的金属化过孔与下层的电路互联；上述环行器的制作方法，参见图1-4，包括下述步骤：（1）使用双面抛光的高阻硅片作为加工材料主体，电阻率为6000ω.cm，尺寸为6寸，使用晶圆打标机在晶圆上打标以区分正反面，然后使用rca标准硅片清洗流程清洗晶圆，随后烘烤甩干晶圆；（2）处理硅主基片1：将晶圆放入hmds烘箱处理，温度为120℃，正面面贴uv模，然后使用光刻工艺（包括涂胶、曝光、显影等步骤）在晶圆背面制作金属化盲孔（孔宽度200-300um）的掩膜版，光刻胶层4厚度＞8μm（不特别指出这里的光刻胶都为正胶），如图1中的(a)；然后使用drie设备采用bosch工艺从正面刻蚀盲孔5，盲孔5深度＞200um，如图1中的（b）；刻蚀完成撕掉uv膜；将晶圆放入湿法去胶机中，经过剥离液超声初洗、精洗，然后ipa超声清洗300s，去胶后用去离子水冲洗300s，然后放入晶圆甩干机中甩烘干；
处理硅副基片2：使用和硅主基片1同样的工艺制作在硅副基片2正面的盲孔；（3）种子层制作：对硅主基片1和硅副基片2依然用同样的工艺：使用磁控溅射在硅晶圆上（主基片背面，副基片正面）沉积cr/au双层膜，镀膜前优选用rf等离子体反溅清洗分别处理晶圆表面，厚度分别为cr：30nm，au200nm，这时候硅晶圆表面和通孔内都镀满了cr/au，图1（c）中上面基片的下表面也有cr/au；（4）盲孔填充（硅主基片1和硅副基片2）：同步骤（2）光刻，将盲孔图案通过光刻胶转移到晶圆上，带胶电镀镀cu，用cu将盲孔填满，如图1中的（c）；接着用步骤（2）中的去胶工艺去除光刻胶，清洗甩干；然后使用cmp工艺去除多余的cu（即盲孔上高过au层的cu）；接着继续用光刻工艺转移键合焊盘图案，然后带胶电镀au，厚度约为1um，然后去胶清洗甩干；（5）种子层刻蚀（硅主基片1和硅副基片2）：光刻，将盲孔焊盘位置用光刻胶覆盖，其他部分漏出，如图1的（d）；接着把晶圆放入湿法腐蚀au腐蚀槽中，腐蚀时间35s，取出晶圆并用去离子水清洗晶圆180s，然后再放入湿法腐蚀cr腐蚀槽中，腐蚀时间30s，接着用去离子水冲洗180s，然后放入晶圆甩干机中甩干；然后去胶清洗甩干；（6）键合：使用suss公司晶圆级键合，通过光刻机对准硅主基片1背面和硅副基片2正面，对准后将夹具然后放入晶圆键合机中，利用热压au-au键合的方法将硅主基片1和硅副基片2键合到一起，如图2中的（e）；（7）临时键合：将键合好的晶圆放入临时键合机，在晶圆正面临时键合粘接一片支持晶圆；（8）减薄抛光：将晶圆放入晶圆减薄机，对晶圆背面进行减薄，减薄不到200um，漏出cu通孔；然后将晶圆放入晶圆抛光机中，对表面晶圆抛光处理，然后清洗；（9）解键合：将清洗完的晶圆放入临时解键合机，将支持晶圆去掉，然后清洗甩干；（10）重复步骤（7）-（9）处理晶圆正面，最终晶圆的厚度约为400um，结果如图2中的（f）；（11）硅片上层电路8制作：在晶圆正面制作电路，同步骤3一样用磁控溅射沉积一层cr/au薄膜，光刻，同步骤4带胶电镀加厚au层，au层厚度＞3um，然后去胶清洗甩干；同步骤5光刻、将加厚电路位置用光刻胶覆盖，其他部分漏出，使用离子束刻蚀机ibe将种子层刻蚀掉，然后去胶、清洗、甩干。形成硅片上层电路8，结果如图2中的（g）；（12）硅片下层电路制作：同步骤（11），在晶圆背面制作硅片下层电路9，结果如图2中的（h）；（13）贴第一层聚酰亚胺膜：对硅晶圆进行氧等离子处理，处理时间为180s；使用takatori贴膜设备vtm-300ma，在真空环境下于硅晶圆正面贴薄膜型聚酰亚胺光刻胶，薄膜厚度为25μm左右，优选此薄膜中含有陶瓷成分以提高薄膜的机械强度；（14）聚酰亚胺薄膜加工：将晶圆正面放入接触式曝光机，用405nm的光源曝光处理，曝光量大于800mj。然后将晶圆放入涂胶显影机进行多次显影，显影时间＞20min。这样将聚酰亚胺薄膜加工成合适的图形，中间形成通孔。然后将晶圆放入烘箱，在真空无氧环境下退火处理，退火条件为：退火温度为280℃，升温速率为5℃/min，保温时间为2h，然后分段式逐渐降温，使得聚酰亚胺薄膜变性固化，得到第一层聚酰亚胺10，如图3中的（i）；（15）聚酰亚胺上层电路制作：同步骤（3）、（4）、（5）、（11），使用镀膜、通孔填充、带胶电镀、干法ibe刻蚀的方法在聚酰亚胺上表面制作编带电路，区别在于需要在镀膜之前做
氧等离子体处理，填充通孔使用au，另外使用干法刻蚀的方法去除种子层；电路制作完成后，得到第一层聚酰亚胺上层电路11，如图3中的（j），然后同步骤（2）去胶清洗甩干；（16）贴第二层聚酰亚胺膜：同步骤（13），在晶圆上表面贴第二层聚酰亚胺薄膜；（17）第二层聚酰亚胺薄膜加工：同步骤（14），对第二层聚酰亚胺12薄膜进行加工，形成通孔，如图3中的（k）；（18）第二层聚酰亚胺上层电路13制作：同步骤（15），在聚酰亚表面制作第二层聚酰亚胺上层电路13，如图3中的（l），电路制作完成之后，同步骤2去胶清洗甩干；（19）聚酰亚胺刻蚀：将晶圆放入氧等离子处理机中做氧等离子处理，然后使用磁控溅射溅射al薄膜作为掩膜版，厚度约为300nm，然后将晶圆放入hmds烘箱做预处理，处理温度为120℃，然后在晶圆正面涂正胶，光刻胶厚度约3μm，接着使用接触式曝光机曝光，曝光条件为405nm光源，曝光量200mj。然后显影，热板烘烤；将晶圆放入湿法刻蚀槽中，使用al腐蚀液在45℃将铝刻蚀透，形成al掩膜版结构，然后同步骤（2）去胶清洗甩干；最后把晶圆放入icp-rie刻蚀机，利用反应离子刻蚀技术干法刻蚀聚酰亚胺薄膜，刻蚀气体为sf6、o2，将聚酰亚胺层刻透，漏出硅晶圆上表面的金属结构，如图4中的（m）；最后把晶圆放入湿法腐蚀槽中，腐蚀掉剩下的al，最后同步骤（2）清洗甩干；（20）背面铁底板方孔刻蚀：使用光刻工艺（涂胶、曝光、显影等步骤）在晶圆背面制作用于焊接安装铁底板的方孔14（孔宽度约2mm）的掩膜版，光刻胶厚度＞8um，然后使用drie设备采用bosch工艺从正面刻蚀盲孔，刻蚀深度为200μm，目的是将硅副基片2刻透，形成方孔14；然后同步骤（2）去胶、清洗、甩烘干晶圆；（21）背面铁氧体圆孔槽刻蚀：同步骤（20），用深刻蚀刻蚀硅主基片1，刻蚀深度为200um，目的是将主基片1基片刻透，形成圆孔15；区别在于这里使用喷胶工艺制作光刻胶掩膜版刻蚀圆孔，结果如图4中的（n）；然后同步骤（2）去胶、清洗、甩烘干晶圆；至此，整个集总参数环行器的主体结构加工完成；（22）组装：在圆孔15中放入合适的铁氧体基片3，然后在方孔14中焊接铁底板，最后在硅晶圆上表面正面漏出的金属结构上安装微小电容，其正面立体结构如图5所示，背面立体结构如图6所示；（23）划片，然后得到基于mems工艺的表贴式集总参数环行器。
17.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。