基于MEMS技術(shù)的新型太赫茲混頻器設(shè)計與制作

李建華,徐立新,陳和峰,王鳳芹,付 博

(1.北京理工大學機電動態(tài)控制重點實驗室,北京 100081;2.淮海工業(yè)集團有限公司MEMS中心,山西 長治 046012)

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基于MEMS技術(shù)的新型太赫茲混頻器設(shè)計與制作

李建華1*,徐立新1,陳和峰2,王鳳芹2,付 博2

(1.北京理工大學機電動態(tài)控制重點實驗室,北京 100081;2.淮海工業(yè)集團有限公司MEMS中心,山西 長治 046012)

混頻器是太赫茲器件中傳輸信號的基本元件,具有重要的研究價值。介紹了一種以MEMS工藝為基礎(chǔ)的新型的太赫茲混頻器設(shè)計和加工工藝。該太赫茲混頻器采用具有高介電常數(shù)SU-8光刻膠作為介質(zhì)層,然后在SU-8膠介質(zhì)層上進行光刻、電鍍微帶線,實現(xiàn)了采用正負膠結(jié)合的犧牲層工藝加工制作出了太赫茲混頻器。

混頻器;太赫茲;MEMS;微帶線;犧牲層工藝

在通信系統(tǒng)中,混頻器是必不可少的重要部件。在接收機中,混頻器一般是位于接收機的前端或者在低噪聲放大器的后續(xù)端,它的性能如變頻損耗(增益)、噪聲系數(shù)等直接影響到整個系統(tǒng)的好壞。所以在通信系統(tǒng)中,性能優(yōu)越的混頻器對整個系統(tǒng)起到關(guān)鍵作用[1]。隨著研究的深入,混頻器的應用頻率也越來越高。從國外混頻器的發(fā)展形勢來看,已從上世紀八十年代的毫米波頻段發(fā)展到了如今的太赫茲頻段。2000年GhassanYassin和Matthew Buffey研制出應用頻率高達350 GHz的SIS對極鰭線混頻器,得到只有90 K的低噪聲溫度。2009年Bertand Thomas等人研制出320 GHz～340 GHz的分諧波鏡像抑制混頻器,在通帶范圍內(nèi)鏡像抑制度到7.2 dB～24.1 dB[2]。而目前國內(nèi)研究設(shè)計的混頻器頻段僅限于毫米波段,主要的研究成果有:2001年南京電子技術(shù)研究所胡建凱等人研制的單端混頻器和單平衡混頻器在射頻信號93 GHz～96 GHz上,變頻損耗為10 dB～9 dB[3]。2004年,電子科大董慶來對W波段鰭線共面線平衡混頻器進行了研制,射頻92 GHz～96 GHz,本振90 GHz下,變頻損耗小于15 dB,端口隔離度大于20 dB[4]。2008年電子科大李侃制作的Ka段四次諧波混頻器的射頻信號為34 GHz～36 GHz時的變頻損耗小于11.8 dB[5]。從上可以看出國內(nèi)對太赫茲波段上基本沒有涉足,這是由于國內(nèi)對這方面的研究受到現(xiàn)有的加工工藝、微波集成技術(shù)以及測試儀器的限制,相關(guān)技術(shù)并未成熟,起步也比較晚。

從制造工藝上看,隨著混頻器波長由毫米波段到太赫茲波段,混頻器的尺寸精確控制就顯得尤為重要,常規(guī)的精密加工工藝已不能滿足太赫茲器件對加工精度的要求[6-7]。MEMS工藝采用光刻、電鍍和犧牲層等工藝,可以進行高精度的三維立體加工,是射頻MEMS器件制造的重要實現(xiàn)手段。國內(nèi)外采用MEMS工藝進行了各種射頻MEMS器件的設(shè)計、加工[8-11]。

本文提出了設(shè)計了一種頻率為360 GHz的肖特基混頻器,該器件以SU-8膠作為介質(zhì)層,并采用MEMS工藝加工制作,制造精度上滿足了太赫茲器件對制作精度的要求。

1 太赫茲混頻器的設(shè)計

本文設(shè)計的混頻器的頻率已經(jīng)處于太赫茲波段,故采用單管混頻結(jié)構(gòu)。單管混頻方式多用于在單端混頻器中,這種混頻器的信號和本振功率以相同的方式注入二極管,即采用同一波導注入。本文的太赫茲混頻器設(shè)計方案如圖1以及微帶電路結(jié)構(gòu)圖2[12]。

圖1 單端混頻器的設(shè)計方案

圖2 太赫茲混頻器結(jié)構(gòu)圖

圖4 工藝流程圖

本振信號和射頻信號經(jīng)過標準方波導饋入,經(jīng)過過渡結(jié)構(gòu)和匹配網(wǎng)絡(luò)達到二極管。由于本振功率較小,需要額外的加上直流偏置。最后通過低通濾波器進行濾波,得到想要的中頻信號。

在混頻器設(shè)計中,介質(zhì)層需要選用介電常數(shù)高,易于加工并且加工精度高的材料。本文選用SU-8負膠作為介質(zhì)層,其突出的優(yōu)點是介電常數(shù)高,作為環(huán)氧基的光刻膠,曝光固化后機械性能穩(wěn)定,而且加工精度非常高。所以本文的選用SU-8膠作為介質(zhì)層,同時滿足了太赫茲混頻器設(shè)計所需的高的介電常數(shù)和高的加工精度兩個要求。

根據(jù)太赫茲混頻器的設(shè)計,該器件為三層結(jié)構(gòu),分別為金屬接地層—介質(zhì)層—微帶層,如下圖3所示。其中金屬接地層采用電鍍Ni(10 μm)實現(xiàn),介質(zhì)層采用可以光刻加工的SU-8負膠(30 μm),最上層的微帶線采用電鍍Ni/Au(10 μm)。

圖3 微帶線結(jié)構(gòu)示意圖

2 太赫茲混頻器的制作

針對采用SU-8負膠作為介質(zhì)層的器件設(shè)計,本文開發(fā)了一種基于正負膠結(jié)合的MEMS工藝,涉及的主要工藝包括正負膠多層烘膠/光刻工藝、光刻膠上種子層濺射工藝、器件釋放工藝等,通過工藝實驗,最終確定了工藝流程和最佳的工藝參數(shù)。根據(jù)器件設(shè)計和工藝特點,制定的工藝流程如圖4所示。

如圖4所示,詳細的工藝流程為:首先步驟①對玻璃基片進行清洗、烘干;然后步驟②制備犧牲層,涂覆5 μm厚的正膠;再次步驟③濺射種子層Cr/Cu,約1 100 ?;接著步驟④～步驟⑥是制備金屬接地層,涂膠、光刻、電鍍鎳10 μm厚;然后步驟⑦濺射金屬保護層Cu,1 000 ?,制備這層金屬層的目的是保證在SU-8膠顯影的時候不會溶解正膠;步驟⑧～步驟⑨是制備介質(zhì)層,涂覆SU-8 2010負膠30 μm厚;步驟⑩濺射種子層Cu,約1 000 ?;最后步驟～步驟微帶層的制備,涂膠、光刻、電鍍鎳/金,共厚10 μm。完成上述流程后,進行器件犧牲層釋放工藝,詳細的釋放工藝流程在下面的章節(jié)中給出。

3 結(jié)果與討論

3.1 對正膠犧牲層的保護

在玻璃上首先涂覆的5 μm厚的正膠(AZ4620),這層正膠是作為器件從玻璃片上釋放時的犧牲層使用的。因此,在整個器件制造完成之前,不能讓這層正膠犧牲層受到破壞。然而,在SU-8負膠光刻顯影過程中,由于SU-8膠的顯影液呈較強的堿性,這層正膠在沒有保護的情況下會被溶解掉。所以需要在SU-8膠涂膠之前先對正膠進行保護。本文采用的辦法是在正膠上濺射一層Cu金屬層(厚度1000 ?),由于一層金屬保護層的存在,這樣能保證在SU-8膠顯影過程中,正膠不被SU-8顯影液溶解掉。

正膠上濺射Cu金屬層時,由于光刻膠和Cu金屬的熱膨脹系數(shù)差異較大,因此濺射時功率不能太大,否則也會破壞下面的正膠犧牲層。本文使用的是磁控多靶濺射機(KDF 904i)用來沉積Cu金屬層。經(jīng)過實驗,在膠上濺射Cu金屬層時,需將濺射功率設(shè)定為1 000 W,這樣能使金屬的應力較低,不會對正膠造成破壞。

3.2 烘膠參數(shù)的選擇

在器件制作過程中,在正膠和負膠需要同時進行加工,因此對光刻膠的烘膠參數(shù)提出很高的要求。適當?shù)暮婺z條件能提高顯影后的膠膜留膜率,保證顯影后圖形尺寸的精確度。如果烘膠不當,則會使圖形精度低,線條邊沿粗糙不整齊;或者烘膠溫度過高,則光刻膠感光敏感度降低,無法進行曝光、顯影。由于本文的特殊制作工藝,需要在正膠(犧牲層膠)上濺射種子層再涂負膠的情況。Cu種子層與正/負膠的膨脹系數(shù)不同,如果烘膠溫度和方法不當,會使這層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂紋或氣泡,影響或者不能進行下一步電鍍。

經(jīng)過實驗研究,采用分段升溫的工藝方法進行烘膠,這樣就保證了烘膠的溫度,并得到較好的效果。具體參數(shù)如下表1所示。

表1 每層的烘膠參數(shù)

3.3 器件釋放

太赫茲器件加工完成后需要將其從玻璃片上釋放下來,由于該器件用到了正膠、金屬和SU-8負膠。正膠可以很容易的溶解于丙酮,但是由于正膠在丙酮中的溶解速度太快,這可能會造成器件在釋放時發(fā)生卷曲,從而是器件遭到破壞,而且丙酮不能去除夾在光刻膠之間的金屬種子層,因此在釋放的時候需要逐層去除金屬種子層和正膠犧牲層。

如下圖5所示就是本文要釋放的結(jié)構(gòu)。文章采用的是自上而下逐層溶解的方法來釋放,具體工藝過程如圖5所示。

圖5 釋放結(jié)構(gòu)圖

①室溫下用1%左右NaOH溶液溶解最上層光刻膠,直到露出種子層為止,用去離子水沖洗干凈;②去除種子層:用氨水加雙氧水刻蝕銅(Cu)膜;③用1%左右NaOH溶液刻蝕犧牲層光刻膠;④用氨水加雙氧水刻蝕種子層銅(Cu)膜;⑤用3%左右NaOH溶液刻蝕犧牲層光刻膠;⑥用丙酮浸泡,溶解酒精同時有助于溶解殘余光刻膠,用去離子水沖洗干凈,這樣就可以得到釋放的自由結(jié)構(gòu)。

通過以上工藝方法,制作完成并得到了基于SU-8負膠為介質(zhì)層的太赫茲混頻器如圖6所示。SU-8厚膠作為介質(zhì)層使用機械強度高,性能穩(wěn)定,而且可以采用光刻工藝進行加工,很好地保證了尺寸精度。在SU-8厚膠上面制作的金屬微帶線尺寸在微米量級,通過電鍍工藝能夠得到高精度的線條,為亞毫米混頻器的性能提供了保證。

圖6 釋放得到的太赫茲混頻器SEM照片

4 結(jié)論

本文設(shè)計并制作了一種采用SU-8負膠作為介質(zhì)層的太赫茲混頻器。SU-8負膠具有高的介電常數(shù),而且基于其光敏特性,能夠進行精密加工。SU-8膠通過曝光/顯影和固化后,機械強度很高,并且性能穩(wěn)定,非常適合于用作介質(zhì)層。器件的制造工藝選用正負膠結(jié)合的加工工藝,AZ4620正膠作為器件釋放的犧牲層,SU-8負膠作為器件介質(zhì)層。在該工藝流程中,為防止SU-8顯影時對正膠的腐蝕,在正膠上濺射了一層1 000 ?的Cu作為保護。實驗結(jié)果證明,該器件設(shè)計合理,工藝簡潔,制備出了高精度的太赫茲混頻器。

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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

李建華(1976-),男,博士,主要研究方向為MEMS技術(shù),jhli@bit.edu.cn。

2014-09-28 修改日期:2014-11-12

C:7230

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.01.002

TN384

A

1004-1699(2015)01-0009-04