硅基MEMS微同軸的工藝技術(shù)

董春暉，楊志，申曉芳，李宏軍

（中國電子科技集團公司 第十三研究所，河北 石家莊 050051）

0 引 言

隨著微波系統(tǒng)向著小型化、高性能、低功耗、低成本的方向發(fā)展，射頻MEMS技術(shù)獲得了越來越多的關(guān)注。相比于傳統(tǒng)射頻器件，采用MEMS工藝制造的射頻器件具有體積小、精度高、一致性好、量產(chǎn)成本低等優(yōu)點。以MEMS濾波器、環(huán)行器、耦合器、硅基無源封裝、MEMS開關(guān)等產(chǎn)品為代表的新型射頻MEMS器件已經(jīng)應(yīng)用于各種通信產(chǎn)品之中。

微同軸傳輸線由于其特有的結(jié)構(gòu)特點，使得微波信號能夠低損耗地在其中傳輸，同時兼具低色散、高帶寬、高隔離度等優(yōu)點。然而其結(jié)構(gòu)特點也導(dǎo)致了制造難度的提升，限制了微同軸的廣泛應(yīng)用。常見的微同軸制備方法有：基于全金屬結(jié)構(gòu)的EFABTM技術(shù)；基于介質(zhì)支撐梁的銅基PolyStrataTM技術(shù)。這些工藝技術(shù)均能制備出性能優(yōu)良的微同軸器件，但是工藝復(fù)雜度較高，需要金屬CMP平整化工藝、超厚光刻膠工藝、高難度的犧牲層制備及釋放工藝以及單獨開發(fā)的支撐梁工藝。

本文提出了一種基于硅基MEMS工藝技術(shù)制備微同軸結(jié)構(gòu)的新方法，采用成熟的刻蝕、電鍍、晶圓級鍵合技術(shù)，實現(xiàn)了立體線芯—外屏蔽金屬結(jié)構(gòu)的制備，實現(xiàn)了微同軸傳輸線以及垂直轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)的一體化加工，并用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對加工出的器件樣品進行了測試，得到了初步性能曲線。

1 硅基MEMS微同軸的結(jié)構(gòu)

硅基MEMS微同軸的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 硅基MEMS微同軸的基本結(jié)構(gòu)示意圖

硅基MEMS微同軸從結(jié)構(gòu)上可以劃分為：

（1）微同軸傳輸線：電磁波傳輸?shù)耐ǖ馈Ｓ晌⑼S屏蔽層、線芯以及支撐線芯的硅基支撐梁構(gòu)成。屏蔽層由電鍍金覆蓋硅腔體內(nèi)壁形成，將電磁波約束在腔體內(nèi)部；線芯為金-硅Core-Shell結(jié)構(gòu)，以刻蝕形成的橫向硅柱為基礎(chǔ)，表面包裹以電鍍金，用以傳輸電磁波信號；硅基支撐梁連接了屏蔽腔內(nèi)壁與纖芯，起到剛性支撐的作用，為線芯提供必要的機械強度。線芯從屏蔽層內(nèi)的空腔穿過，線芯與屏蔽層之間為空氣介質(zhì)，從而形成了同軸結(jié)構(gòu)，為電磁波波的傳輸提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

（2）垂直轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)：將橫向傳輸?shù)碾姶挪ㄞD(zhuǎn)為縱向傳輸，并提供與外界的接口，由TSV、轉(zhuǎn)接壓點構(gòu)成。轉(zhuǎn)接壓點為線芯的延伸結(jié)構(gòu)，與TSV相互導(dǎo)通，將電磁波由傳輸線導(dǎo)入到TSV的上方。TSV由貫通硅片的通孔以及通孔內(nèi)壁包覆的金層構(gòu)成，為微波信號的垂直傳輸提供結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

以具有一定長度的微同軸傳輸線為基礎(chǔ)，再匹配以具有輸入輸出功能的垂直轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)，就形成了具有完整結(jié)構(gòu)的微同軸器件。基于這種結(jié)構(gòu)，可以進一步開發(fā)出延時線、功分器、耦合器、濾波器等無源器件。

2 制備工藝

2.1 工藝流程

硅基MEMS微同軸制備工藝分別在三層硅片上進行，然后通過晶圓級鍵合技術(shù)將三層晶圓鍵合到一起，形成完整的微同軸結(jié)構(gòu)。上層晶圓的工藝流程如圖2所示。步驟A為原材料片的準(zhǔn)備，采用雙面拋光高電阻率硅片，采用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體清洗工藝對單晶硅襯底進行徹底清洗，去除油污、灰塵等，過程中監(jiān)控清洗水體電阻率，使其達到洗凈的標(biāo)準(zhǔn)。步驟B為光刻工藝，使用光刻膠在硅片底面形成同軸腔體的圖形。步驟C為干法刻蝕工藝，采用DRIE設(shè)備，對從光刻膠中裸露出來的硅表面進行深刻蝕，形成側(cè)壁垂直的腔體結(jié)構(gòu)。步驟D為去膠工藝，將光刻膠從圓片上去除干凈。步驟E為種子層制備，采用磁控濺射工藝在硅晶圓的正反兩面沉積Cr/Au作為緩沖層，其中Cr為黏附層，目的是增加金屬鍍層在硅表面的附著力。Au為電鍍工藝需要的種子層。步驟F～G為第二次光刻工藝，目的是形成掩膜，為下一步電鍍做準(zhǔn)備。步驟G為電鍍工藝，在圓片的正反兩面同時電鍍厚Au，作為微同軸結(jié)構(gòu)的金屬屏蔽層。步驟I為去膠工藝。步驟J為金屬腐蝕工藝，采用濕法腐蝕液，依次將步驟E中濺射的Au、Cr金屬層去除干凈。至此，上層晶圓的工藝完成。

圖2 上層晶圓加工流程

中層晶圓的工藝流程如圖3所示。步驟A為原材料片的準(zhǔn)備。步驟B～D為光刻—干法刻蝕—去膠工藝，經(jīng)過這些步驟，在硅基片上形成了線芯結(jié)構(gòu)。步驟E為種子層制備。步驟F～G為第二次光刻工藝，在側(cè)壁選擇性地形成掩膜，為下一步電鍍做準(zhǔn)備。步驟G為電鍍工藝，在圓片的正反兩面同時電鍍厚Au，作為微同軸結(jié)構(gòu)的線芯導(dǎo)電層。步驟I為去膠工藝。步驟J為金屬腐蝕工藝。至此，中層晶圓的工藝完成。

圖3 中層晶圓加工流程

下層晶圓的工藝流程如圖4所示。步驟A為原材料片的準(zhǔn)備。步驟B～D為光刻—干法刻蝕—去膠工藝，經(jīng)過這些步驟，在硅基片上形成了硅腔體結(jié)構(gòu)。步驟E～G為光刻—干法刻蝕—去膠工藝，經(jīng)過這些步驟，在硅基片上形成了通孔結(jié)構(gòu)。步驟H為種子層制備。步驟I～J為第三次光刻工藝，同時在圓片表面與槽內(nèi)、孔內(nèi)形成圖形，為下一步電鍍做準(zhǔn)備。步驟K為電鍍工藝，在圓片的正反兩面同時電鍍厚Au，作為微同軸結(jié)構(gòu)的金屬屏蔽層與TSV信號傳輸線。步驟L為去膠工藝。步驟M金屬腐蝕工藝。至此，下層晶圓的工藝完成。

圖4 下層晶圓加工流程

最終，采用晶圓級鍵合工藝，將上、中、下三層晶圓鍵合為一個整體，并經(jīng)過劃片工藝，形成了分立的微同軸器件。上、中、下三層晶圓的腔體結(jié)構(gòu)相互連接，形成了完整的屏蔽層；金-硅Core-Shell結(jié)構(gòu)的線芯在硅支撐梁的支持下懸置在屏蔽層內(nèi)部，作為微同軸線芯；空氣填充在整體結(jié)構(gòu)內(nèi)部，作為介質(zhì)。金屬化的TSV通孔作為信號的輸入輸出端口。至此，形成了空氣介質(zhì)的微同軸結(jié)構(gòu)。

2.2 微同軸傳輸線結(jié)構(gòu)工藝

微同軸傳輸線的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)為中層的懸置線芯，其結(jié)構(gòu)特點為：干法刻蝕的腔體將硅片分成了線芯、接地外導(dǎo)體、硅支撐梁。金屬覆蓋在線芯與接地外導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的表面與側(cè)壁，形成完整的導(dǎo)電層。硅支撐梁連接了線芯與外導(dǎo)體，形成懸空結(jié)構(gòu)。由于線芯與外導(dǎo)體之間要求絕緣，硅支撐梁的表面以及側(cè)壁不能有金屬。因此，如何對腔體側(cè)壁進行選擇性金屬化就成為工藝的關(guān)鍵點。實現(xiàn)選擇性的金屬化有多種途徑，本文通過在圖1（F）光刻時對側(cè)壁的光刻膠進行選擇性曝光來實現(xiàn)。具體方法為：采用噴涂的方式，將光刻膠涂覆蓋在晶圓的表面以及側(cè)壁，通過控制光刻膠的濃度、襯底溫度、膠頭流速以及噴頭高度，使光刻膠對側(cè)壁的覆蓋均勻、牢固。調(diào)整光刻機的出光角度，實現(xiàn)對線芯側(cè)壁的曝光，并避免對硅支撐梁的照射。采用浸沒式顯影，保證顯影液完全浸沒圓片，避免結(jié)構(gòu)內(nèi)部出現(xiàn)氣泡導(dǎo)致顯影不完全。經(jīng)過上述光刻步驟之后，線芯結(jié)構(gòu)的硅支撐梁整體被光刻膠良好覆蓋，同時線芯側(cè)壁顯影干凈。圖5為制備完成的線芯結(jié)構(gòu)的SEM圖像，從圖中可以看到硅支撐梁無金屬覆蓋，線芯表面及側(cè)壁被金屬完整覆蓋，實現(xiàn)了側(cè)壁選擇性金屬化。

圖5 制備完成的線芯結(jié)構(gòu)的SEM圖像

2.3 垂直轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)工藝

微同軸垂直轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)為下層的TSV結(jié)構(gòu)以及中層的轉(zhuǎn)接線芯。形成TSV結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵是硅通孔內(nèi)部的金屬化。首先，在圖4（M）的磁控濺射工藝中，需要將Cr、Au種子層完整覆蓋在通孔的內(nèi)部。由于磁控濺射工藝的特點，孔內(nèi)的覆蓋率較差，需要調(diào)整功率、氣壓、靶基距等工藝參數(shù)，盡量延長被濺射出來的金屬粒子在孔內(nèi)的飛行距離。其次，在圖4（J）的光刻工藝中需要將孔內(nèi)的光刻膠顯影干凈。這就需要增加孔內(nèi)的曝光劑量，同時在顯影時讓顯影液完全進入通孔內(nèi)部。轉(zhuǎn)接線芯的工藝特點與傳輸線芯結(jié)構(gòu)類似，也需要側(cè)壁選擇性金屬化。

圖6為制備完成的轉(zhuǎn)接線芯，圖中顯示出金屬化鍍層完整地包覆在了線芯的四周，形成了良好的電連接，同時在屏蔽層與線芯之間的結(jié)構(gòu)上沒有金屬，實現(xiàn)了線芯與屏蔽層之間的良好電隔離。

圖6 制備完成的轉(zhuǎn)接線芯的SEM圖像

3 測試結(jié)果

采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試管芯的微波性能。測試時，將芯片安裝到與端口相匹配的測試夾具上，用射頻線纜連接測試夾具的輸入輸出端口，測試范圍設(shè)定為4 GHz到14 GHz。測試結(jié)果如圖7所示。測試結(jié)果顯示，管芯在4 GHz到14 GHz范圍內(nèi)插入損耗優(yōu)于-2.5 dB，回波優(yōu)于-14 dB，具有較好的性能。

圖7 測試結(jié)果

4 結(jié) 論

綜上，硅基MEMS微同軸采用MEMS體硅工藝，通過干法刻蝕、側(cè)壁選擇性曝光等技術(shù)，分別在3層硅片上制備了上、中、下3層結(jié)構(gòu)，并通過晶圓級鍵合工藝將3層硅片鍵合成一體，形成具有微同軸傳輸線結(jié)構(gòu)以及垂直轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)的微同軸芯片。微波測試結(jié)果表明其具有良好的微波傳輸性能。硅基MEMS微同軸工藝具有以下特點：采用了干法刻蝕工藝，具有良好的加工精度；避免釋放工藝，可以將內(nèi)部結(jié)構(gòu)密閉，隔絕外部環(huán)境對性能的影響；金屬層厚度薄，避免了厚銅工藝引起的應(yīng)力匹配問題；采用硅支撐梁，提供了較好的結(jié)構(gòu)強度。因此，硅基MEMS微同軸工藝具有精度高、工藝簡單，結(jié)構(gòu)可靠的優(yōu)點。