一種基于光敏BCB技術(shù)的蘭格耦合器制備工藝研究

梁廣華，賈世旺，趙 飛，韓 威，徐亞新，莊治學(xué)，陳 雨，劉曉蘭，何 超

（中國電子科技集團公司第五十四研究所，石家莊 050081）

1 引言

蘭格耦合器廣泛用于平衡放大器結(jié)構(gòu)中，相比于其他耦合器，采用蘭格耦合器所構(gòu)成的平衡放大器具有更寬的帶寬、更好的輸入、輸出駐波比以及更優(yōu)異的穩(wěn)定性[1]。

在制備工藝上，用于低頻段的蘭格耦合器的尺寸比較大，一般都是采用微帶線來制作指條，再利用金絲跳線去互連各指條。但在較高頻段中，如在Ka波段，由于蘭格耦合器的指條寬度和指條間距都非常小，無法實現(xiàn)金絲跳接，因此一般都采用介質(zhì)隔離或借助空氣橋技術(shù)來實現(xiàn)各指條間的互連[2]。對于介質(zhì)隔離型的蘭格耦合器，在商用MMIC工藝中，通常采用Si3N4（介電常數(shù)7.2）介質(zhì)來進行隔離，這會在蘭格耦合器的指交之間形成較大的MIM電容，進而影響蘭格耦合器的性能；對于空氣橋型的蘭格耦合器，在后期組裝過程中空氣橋的存在增加了組裝難度，造成成品率的降低。

苯并環(huán)丁烯（BCB）具有高熱穩(wěn)定性、低介電系數(shù)（2.6～3.4）、良好的平坦性和可加工性，是廣泛應(yīng)用的一種介質(zhì)材料，尤其是光敏BCB可以直接通過光刻技術(shù)實現(xiàn)圖形化，大大簡化了圖形化介質(zhì)層制備的工藝過程，得到了業(yè)內(nèi)越來越廣泛的關(guān)注[3-4]。

本文主要針對高頻應(yīng)用下的空氣橋型蘭格耦合器存在的可靠性問題，確定了一種基于光敏BCB技術(shù)的介質(zhì)橋蘭格耦合器的制備方法，從加工流程入手，研究了加工過程中影響介質(zhì)橋質(zhì)量的光敏BCB圖形化工藝和BCB固化工藝這兩項關(guān)鍵技術(shù)，并對關(guān)鍵技術(shù)的重要因素進行了分析和試驗。

2 工藝流程

本文所加工制備的介質(zhì)橋蘭格耦合器結(jié)構(gòu)版圖如圖1所示。該結(jié)構(gòu)的特點是線寬尺寸小、集成工藝多，集成了薄膜加工中的互連孔制備、高精密電阻制備、介質(zhì)橋制備等多種技術(shù)，加工難度大。

圖1 介質(zhì)橋蘭格耦合器結(jié)構(gòu)版圖

根據(jù)介質(zhì)橋蘭格耦合器的結(jié)構(gòu)特點，我們按以下工藝流程（如圖2所示）進行加工試驗，主要包括激光打孔、濺射、光刻、電鍍、刻蝕、調(diào)阻、介質(zhì)層制備、連接橋制備等16個工藝步驟。

圖2 介質(zhì)橋蘭格耦合器制備工藝流程圖

3 關(guān)鍵技術(shù)及重要影響因素分析

3.1 光敏BCB圖形化工藝

介質(zhì)橋蘭格耦合器的制作與常規(guī)蘭格耦合器制作的主要區(qū)別在于增加了一層介質(zhì)作為絕緣層，實現(xiàn)指條間的互聯(lián)與絕緣。本研究選用光敏BCB作為介質(zhì)層材料，在進行介質(zhì)層的圖形化時通過光刻工藝實現(xiàn)。光刻工藝是一個復(fù)雜的過程，包括涂膠、前烘、曝光、顯影等工藝步驟。我們針對光刻工藝中勻膠、曝光、顯影等關(guān)鍵步驟進行研究分析。

3.1.1 勻膠工藝

目前常用的涂膠工藝一般是旋轉(zhuǎn)涂膠工藝，其相較于刮涂、噴涂法等方法具有工藝簡單、便于控制、對設(shè)備依賴度低等優(yōu)勢。旋涂工藝的基本原理是勻膠托盤在旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生離心力，將滴在基板上的膠液鋪展到整個基板表面并甩掉多余的膠液，在膠表面張力和旋轉(zhuǎn)離心力的共同作用下，膠液擴展成厚度均勻的光刻膠薄膜[5]。旋轉(zhuǎn)勻膠是決定膜厚的關(guān)鍵步驟，不同的光刻膠由于自身粘性和厚度要求不同，選取的旋轉(zhuǎn)涂膠條件也是不同的。

本研究中光敏型BCB介質(zhì)采用旋涂的方式制備在基底上，根據(jù)蘭格耦合器的設(shè)計要求，介質(zhì)橋下的介質(zhì)層厚度定為8μm，且對介質(zhì)厚度均勻性要求較高。

旋涂法勻膠過程分為兩步，第一步是在低速下旋轉(zhuǎn)，其作用是使滴的BCB膠液鋪展開；第二步是高速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速越高膠膜厚度越薄。

由于低速階段對膜層厚度沒有影響，不在此做實驗研究，統(tǒng)一選用轉(zhuǎn)速為500 rpm、時間為6 s的參數(shù)進行。專門針對高速階段中的轉(zhuǎn)速進行試驗優(yōu)化，試驗結(jié)果如表1所示。

表1 BCB勻膠參數(shù)試驗結(jié)果

通過以上試驗可以得出旋轉(zhuǎn)速度2500 rpm、時間40 s時BCB的厚度以及厚度均勻性滿足設(shè)計需求。

3.1.2 曝光以及顯影工藝

本研究中采用的光敏BCB為負(fù)性，即紫外光照射過的BCB膠膜區(qū)域會留存下來，未被照射過的區(qū)域在顯影時會被去除。由于曝光以及顯影的效果評判都要在顯影之后進行，因此兩部分的試驗研究同時進行。

曝光工藝中曝光時間是關(guān)鍵影響參數(shù)，對曝光時間進行試驗研究，試驗選用15 μm線條圖形。顯影使用的是BCB專用的顯影液，顯影時間2～4 min，試驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同曝光時間下BCB線條照片

曝光時間過短，會導(dǎo)致BCB膜層交聯(lián)不夠，顯影時的側(cè)腐蝕過大而導(dǎo)致細(xì)線條脫落，如圖3（a）所示。當(dāng)曝光時間過長時，會由于紫外線在基板表面反射而導(dǎo)致細(xì)線條底部留有殘膠不能顯影干凈，如圖3（e）和（f）所示。綜合以上結(jié)果，可以得出針對8 μm厚的BCB膠膜采用7～8 s的曝光時間比較合適。

針對線條底部發(fā)彩的現(xiàn)象進行研究分析，發(fā)現(xiàn)彩色實為BCB顯影液的殘留，如圖4（a）所示。對此進行工藝改進，在顯影之后浸泡清洗液，并選用RIE干法處理，很好地去除掉線條中的彩色痕跡，結(jié)果如圖4（b）所示。

圖4 顯影后處理對照

3.2 固化工藝

已涂敷好的BCB介質(zhì)膜必須進行固化，通過熱固化中的化學(xué)反應(yīng)使分子基團結(jié)構(gòu)變化，從而獲得良好的耐高溫性能和抗刻蝕能力，可以經(jīng)受住后續(xù)工藝中濺射、光刻、電鍍、刻蝕等工藝中化學(xué)液、機械力、等離子的沖擊。由于BCB介質(zhì)的骨架中含有硅基，而在固化過程中氧會和硅基發(fā)生反應(yīng)，對BCB介質(zhì)膜的強度產(chǎn)生影響，因此BCB介質(zhì)層的固化過程需要控制氧氣的含量。在本研究中通過真空共晶爐的充氮氣功能來提供其固化所需的厭氧氣氛。

根據(jù)BCB推薦參數(shù)設(shè)置不同的固化曲線，對BCB固化工藝進行研究。通過在固化后的BCB膜層上面制作新的金屬膜層，并進行熱處理觀察膜層的褶皺情況來判斷膜層是否固化完全。結(jié)果如表2所示。

表2 不同固化曲線下介質(zhì)的固化效果

如果膜層固化不完全，如表2中第一種固化方案，在后期表面再制作金屬膜層后加熱處理會出現(xiàn)褶皺的情況，如圖5（a）所示；而固化完全的膜層在后期熱處理時依舊平坦，如圖5（b）所示。

圖5 不同固化曲線下BCB的固化效果

同時考慮到蘭格耦合器后期的組裝工藝，譬如選用金錫共晶工藝（金錫共晶的溫度是280～300℃）較高的固化溫度將有利于電路的可靠性，因此BCB的最優(yōu)固化工藝條件是在真空共晶爐充氮氣后先在150℃下加熱15 min，而后在300℃下繼續(xù)固化60 min。

考慮到后續(xù)工藝中涉及到的腐蝕溶液，將固化后的BCB介質(zhì)層樣品分別浸泡于去膠液、濕法腐蝕液、顯影液、丙酮等腐蝕溶液中，并模擬后續(xù)的工藝環(huán)境，以此檢驗介質(zhì)層在后續(xù)工藝過程中的抗腐蝕能力和穩(wěn)定性。通過試驗驗證，固化好后的BCB介質(zhì)層表面沒有出現(xiàn)針孔、損壞等情況，說明介質(zhì)層的抗刻蝕能力較好，能夠滿足后續(xù)工藝過程的使用要求，選取的介質(zhì)層最優(yōu)固化參數(shù)滿足介質(zhì)層完全固化的要求。

4 試驗樣件

根據(jù)以上工藝流程及實驗優(yōu)化的BCB光刻及固化工藝參數(shù)，在Al2O3陶瓷上制備出了基于BCB介質(zhì)橋的蘭格耦合器（如圖6所示），并用測量顯微鏡和臺階儀對蘭格耦合器中的線寬和介質(zhì)厚度進行了測試。介質(zhì)層厚度 8.1 μm，線條精度優(yōu)于±2 μm。

圖6 蘭格耦合器實物照片

該型蘭格耦合器設(shè)計使用頻段是9～11 GHz，且在該頻帶范圍內(nèi)實現(xiàn)3 dB分路。使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對蘭格耦合器樣件進行S參數(shù)測試，測試結(jié)果如圖7所示，從圖中可以看出，在設(shè)計頻帶范圍內(nèi)S21為2.9～2.95dB，S11優(yōu)于16dB，電性能滿足設(shè)計使用要求。

圖7 蘭格耦合器S參數(shù)

5 結(jié)束語

BCB是一種廣泛應(yīng)用的介質(zhì)膜層，具有良好的介電性能和可加工性，采用光敏BCB介質(zhì)制備介質(zhì)橋替代空氣橋可大大提高蘭格耦合器的可靠性。通過對光敏BCB加工工藝流程中的光刻和固化等重要影響因素進行分析研究，確定了蘭格耦合器的加工流程，最終制備出基于BCB介質(zhì)橋的蘭格耦合器樣件，對基于BCB介質(zhì)膜層的薄膜電路加工具有借鑒意義。