硅基BCB工藝X波段發(fā)夾型帶通濾波器的實(shí)現(xiàn)*

王文華， 張偉博， 徐高衛(wèi)， 羅 樂(lè)

(1.中國(guó)科學(xué)院 上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，上海 200050；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100039)

0 引 言

隨著頻率資源的使用和開(kāi)發(fā)不斷深入，衛(wèi)星通信系統(tǒng)對(duì)帶內(nèi)插損低、帶外抑制高的高性能帶通濾波器及其小型化要求越來(lái)越高。濾波器作為選頻元件，其性能直接影響整個(gè)通信系統(tǒng)的質(zhì)量[1]。而大多數(shù)濾波器制作在印刷電路板(printed circuit board,PCB)基板上，但基板材料的介電常數(shù)、厚度以及濾波器的尺寸一致性較差。采用高阻硅基作為襯底減小襯底損耗，采用低介質(zhì)損耗角的苯并環(huán)丁烯(benzo cyclo butene,BCB)作為介質(zhì)減小介質(zhì)損耗，設(shè)計(jì)了高性能的微帶線帶通濾波器。BCB具有低介電損耗、低吸濕率、高的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，低的固化溫度等優(yōu)良的加工性能，綜合性能優(yōu)異[2]。光敏BCB的工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，可利用光敏特性，光刻顯影形成層間通孔，成本相對(duì)于干刻BCB也較低，電學(xué)性能良好，且適合大批量圓片級(jí)生產(chǎn)[3]。但其熱膨脹系數(shù)(coefficient of thermal expansion,CTE)較高(45～52)×10-6/K)，與硅基CTE(2.5×10-6/K)不匹配，多層大厚度時(shí)易裂；粘度系數(shù)大，無(wú)法在大厚度時(shí)保證良好的平整度等。目前常用的BCB厚度通常僅為1～10 μm/層[4～6](尤其是光敏BCB)，當(dāng)前能做到單層BCB厚度20 μm以上的很少。Topper M等人[7]成功實(shí)現(xiàn)了25 μm厚的光敏BCB的顯影，而實(shí)際在靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(static random access memory,SRAM)應(yīng)用中僅使用了單層10 μm的BCB。故大厚度BCB工藝是以BCB為介質(zhì)的濾波器設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。在眾多的微波濾波器[8～10]，微帶濾波器以其低成本、小型化、高性能、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的開(kāi)發(fā)。

本文基于大厚度BCB工藝研制了X波段發(fā)夾型帶通濾波器，建模與仿真選用高頻結(jié)構(gòu)仿真器(high frequency structure simulator,HFSS)，該軟件能計(jì)算任意形狀的三維無(wú)源結(jié)構(gòu)的S參數(shù)和全波電磁場(chǎng)，適用于無(wú)源濾波器的仿真。

1 X波段帶通濾波器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

1.1 X波段帶通濾波器的設(shè)計(jì)

濾波器由多個(gè)諧振單元組成，性能主要由諧振單元的Q值決定。通常用在微波電路的實(shí)際諧振器由開(kāi)路傳輸線段組成。當(dāng)這種諧振器長(zhǎng)度是λ/2或λ/2整數(shù)倍時(shí)，就會(huì)有并聯(lián)諧振電路特性。發(fā)夾型諧振器是典型的半波長(zhǎng)諧振器，其結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、成本低,可以用來(lái)設(shè)計(jì)微帶線濾波器,由于不需要接地，易于制造[11]。發(fā)夾型濾波器的示意如圖1所示，半波長(zhǎng)諧振器折疊成“U”型并排放置，其中，信號(hào)輸入輸出可以通過(guò)抽頭式或者平行耦合實(shí)現(xiàn)。發(fā)夾型諧振器的設(shè)計(jì)參數(shù)包括臂長(zhǎng)L，微帶線寬w和抽頭位置t。L[1]為

(1)

式中λ0為真空中中心頻率處的波長(zhǎng)，εre為有效介電常數(shù)

(2)

式中εr,h和w分別為介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)、厚度和微帶線寬度。發(fā)夾型諧振器的抽頭位置為

(3)

式中R，Z0和Q分別為抽頭線阻抗，發(fā)夾濾波器的特性阻抗和發(fā)夾諧振器的外部耦合系數(shù);FBW為相對(duì)于中心頻率的歸一化帶寬;gi為濾波器的低通原型中的第i個(gè)歸一化元件值。

圖1 發(fā)夾型濾波器示意

1.2 X波段帶通濾波器的仿真與優(yōu)化

濾波器設(shè)計(jì)指標(biāo)為中心頻率為8.6 GHz, 相對(duì)帶寬為9 %,插入損耗小于3 dB，回波損耗大于10 dB，邊帶抑制(10 GHz)大于20 dB。本文設(shè)計(jì)了三階發(fā)夾型濾波器。該濾波器由HFSS設(shè)計(jì)和仿真，2個(gè)重要的S參數(shù)即S11(回波損耗)和S21(插入損耗)作為優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)。對(duì)應(yīng)的三階發(fā)夾型濾波器的HFSS模型如圖2所示。

圖2 三階發(fā)夾型濾波器的HFSS模型

由式(1)～式(3)可知，臂長(zhǎng)L和饋線位置t與BCB介質(zhì)的厚度h有密切的關(guān)系。將h作為變量，對(duì)該變量進(jìn)行掃描，發(fā)現(xiàn)隨著h的增大，濾波器傳輸性能變好，如圖3(a)所示，此時(shí)諧振器間的間距為70 μm。基于上述優(yōu)化，當(dāng)BCB介質(zhì)的厚度大于80 μm時(shí)，濾波器的傳輸性能較好。但根據(jù)目前的工藝水平以及單面集成系統(tǒng)封裝中BCB材料的特點(diǎn)，通常最終可實(shí)現(xiàn)的BCB厚度最大為50 μm，難以達(dá)到80 μm的厚度。

此外，由于電磁場(chǎng)由相鄰諧振器耦合，故2個(gè)諧振器間的間距也是影響耦合系數(shù)和濾波性能的重要變量。采用HFSS軟件對(duì)兩個(gè)諧振器的間距s進(jìn)行了仿真，發(fā)現(xiàn)隨著s的減小，濾波器傳輸性能變好，結(jié)果如圖3(b)所示，此時(shí)BCB厚度為80 μm。

圖3 三階發(fā)夾型濾波器的S參數(shù)仿真結(jié)果

根據(jù)優(yōu)化結(jié)果可知，當(dāng)BCB厚度為80 μm，諧振器間的間距為60 μm時(shí)，三階發(fā)夾型濾波器的傳輸性能最好，如圖4所示，此時(shí)臂長(zhǎng)L和饋線位置t分別為6.1，1.5 mm。

2 X波段帶通濾波器的實(shí)現(xiàn)

通過(guò)在微帶線濾波器正下方的硅基上腐蝕35 μm的凹槽以間接增加BCB的厚度，然后經(jīng)過(guò)2次表面旋涂可以實(shí)現(xiàn)80 μm 厚度BCB的制備。

2.1 樣品制備的工藝流程

在 MEMS 平臺(tái)上進(jìn)行微帶線濾波器樣品的制備，襯底選用3 000 Ω·cm雙面拋光硅片。主要工藝流程如圖5。

圖5 制作微帶線濾波器工藝流程

1)在硅片表面氧化約2 μm的氧化層；在硅片的正面光刻，去除窗口中的氧化硅；去膠；隨后將暴露出窗口的圓片放入KOH中，腐蝕出35 μm深的槽；之后去除氧化硅，并重新氧化。如圖5(a)。

2)濺射TiW/Cu作為種子層；光刻出第一層金屬圖形，并以光刻膠作掩模，通過(guò)電鍍工藝制作地線。如圖5(b)。

3)反應(yīng)離子刻蝕去掉種子層，并旋涂大厚度BCB。旋涂完成后，靜置30 min左右，進(jìn)行軟固化處理。如圖5(c)。

4)化學(xué)機(jī)械拋光(chemical mechanical polishing,CMP)平坦化圓片表面，直到槽邊緣的地線露出。如圖5(d)。

5)第二次旋涂厚度約25 μm的BCB，光刻、顯影形成層間通孔，并軟固化處理；在固化后的 BCB 層上濺射TiW/Au 種子層，并電鍍5 μm左右的銅；去膠、去種子層。如圖5(e)。

6)重復(fù)步驟(5),完成第二層重布線以及濾波器器件的圖形化。如圖5(f)。

2.2 BCB相關(guān)關(guān)鍵工藝

1)在旋涂BCB時(shí)，通過(guò)降低轉(zhuǎn)速來(lái)增加BCB厚度。由于BCB粘度系數(shù)大，在旋涂前靜置15 min左右使其鋪滿片子時(shí)再啟動(dòng)涂膠機(jī)，旋涂的BCB沒(méi)有氣泡，且平整度高。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，轉(zhuǎn)速為700 r/min，可使得經(jīng)固化后的BCB厚度達(dá)到25 μm。

2)顯影時(shí)，BCB的顯影速率對(duì)溫度十分敏感，采用BCB專用顯影液，嚴(yán)格控制熱顯影液的溫度為40 ℃以及熱顯影時(shí)間，避免過(guò)顯；之后，用氮?dú)鈽屳p輕將BCB通孔里以及圓片表面殘留的顯影液吹干。并倒置2 h，防止在固化前前烘時(shí)殘余顯影液繼續(xù)發(fā)生反應(yīng)導(dǎo)致過(guò)顯。顯影完成如圖6(a)所示。

3)BCB的固化工藝中，本實(shí)驗(yàn)會(huì)涉及到3次固化，若均采用硬固化，BCB表面會(huì)產(chǎn)生大量裂紋，如圖7(a)所示。通過(guò)采用前2次軟固化，最后1次硬固化的方法能夠增加 BCB 粘附能力、減小殘余應(yīng)力。同時(shí)，在升溫過(guò)程中采用多梯度升溫，能夠改善由于驟熱導(dǎo)致的BCB開(kāi)裂問(wèn)題，如圖7(b)所示。固化后若進(jìn)行重布線，需要使用深反應(yīng)離子刻蝕設(shè)備去除 BCB 顯影后留在圖形上面的殘余有機(jī)物，如圖6(b)所示。

圖6 BCB顯影工藝照片

圖7 BCB固化工藝照片

對(duì)凹槽里的BCB在CMP后通過(guò)光學(xué)顯微鏡觀察，顯示凹槽填充致密，無(wú)氣泡，且表面平整，滿足實(shí)驗(yàn)要求。如圖8所示。

圖8 BCB化學(xué)機(jī)械拋光剖面

3 測(cè)試驗(yàn)證

最終制作出的X波段微帶線帶通濾波器樣品如圖9所示，包含二階和四階開(kāi)環(huán)型以及三階和五階發(fā)夾型微帶線帶通濾波器。

圖9 微帶線濾波器樣品

其中三階發(fā)夾型帶通濾波器尺寸為3.1 mm×5 mm。通過(guò)探針臺(tái)和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試頻率為1～15 GHz。測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果相符，對(duì)比如圖10所示。測(cè)試得到的三階發(fā)夾型帶通濾波器中心頻率為8.75 GHz，相對(duì)帶寬為8.5 %，通帶內(nèi)插損2.5 dB，回波損耗為12 dB，10 GHz處的邊帶抑制為30 dB，相較于仿真結(jié)果，中心頻率左移，帶寬略窄。測(cè)試與仿真結(jié)果的偏差，主要來(lái)源于工藝上不可避免的缺陷，BCB會(huì)有少量裂紋，導(dǎo)致介質(zhì)不連續(xù)，影響微波的傳輸，最終影響濾波器的性能， BCB厚度的偏差以及測(cè)試儀器的誤差都會(huì)影響測(cè)試結(jié)果。

圖10 三階發(fā)夾型濾波器的仿真與測(cè)試結(jié)果

4 結(jié) 論

本文基于大厚度BCB工藝，設(shè)計(jì)了尺寸小、性能好的X波段微帶線帶通濾波器。以高阻硅作為襯底，減小襯底損耗；以損耗角正切僅為0.000 8的大厚度BCB作為介質(zhì)，減小介質(zhì)損耗。該結(jié)構(gòu)采用平面饋電，總體制備工藝簡(jiǎn)單。難點(diǎn)在于BCB工藝，這也是誤差的最大來(lái)源之一。該工藝與微波系統(tǒng)封裝工藝兼容，可以通過(guò)穿硅通孔(through silicon vias,TSV)將電感、MIM 電容、微帶線濾波器直接集成于高阻硅轉(zhuǎn)接板上，為射頻系統(tǒng)尺寸進(jìn)一步減小提供了可能，并可保證系統(tǒng)具有高性能。