本发明公开了一种硅基倒置微带线结构及其制作方法，主要解决标准微带线和传统倒置微带线在传输毫米波亚毫米波是损耗大以及加工精度低的问题。该硅基倒置微带线结构包括微带线，悬置层，硅基片，腔体，金属接地层，其中硅基片层包括上硅基片和下硅基片；倒置层位于上硅基片的上表面；微带线包括下金属层和上金属层，上金属层固定在倒置层中，下金属层制备在上金属层的下表面，并暴露在腔体中；腔体刻蚀在上硅基片之内，位于微带线正下方，并将微带线悬空；金属接地层位于腔体的下方，并嵌入在上硅基片和下硅基片之间。本发明制作方法的加工精度高，实现了一种低损耗，加工简单的毫米波传输线结构。
1.一种硅基倒置微带线结构，其特征在于：包括由下至上依次设置的下硅基片(32)、上硅基片(31)及倒置层(2)；所述的上硅基片(31)采用110硅，上硅基片(31)沿110晶面刻蚀有缺口，缺口与倒置层(2)的下表面以及下硅基片(32)的上表面围成腔体(4)，倒置层(2)的下表面上设置微带线(1)，微带线(1)包括嵌入在倒置层(2)下表面上的上金属层(11)及制备在上金属层(11)的下表面且裸露在腔体(4)中的下金属层(12)；上硅基片(31)与下硅基片(32)之间设有金属接地层(5)；倒置层(2)采用SU8光刻胶制备。
2.根据权利要求1所述硅基倒置微带线结构，其特征在于：所述的下金属层(12)悬置于腔体(4)的正上方。
3.根据权利要求1或2所述硅基倒置微带线结构，其特征在于：所述的腔体(4)中填充有氮气、空气或者惰性气体。
4.根据权利要求1所述硅基倒置微带线结构，其特征在于：所述的倒置层(2)的SU8光刻胶的厚度在10μm～20μm之间。
5.根据权利要求1所述硅基倒置微带线结构，其特征在于：所述的上金属层(11)的宽度是下金属层(12)的1.2～1.4倍，且两者的厚度均在0.5μm～1μm之间。
6.根据权利要求1所述硅基倒置微带线结构，其特征在于：所述微带线(1)的线宽、上硅基片(31)的厚度以及腔体(4)的大小根据所需阻抗进行设定。
7.根据权利要求1所述硅基倒置微带线结构，其特征在于：所述的腔体(4)为长方体结构，腔体(4)的宽度大于两倍微带线(1)的宽度。
8.根据权利要求1所述硅基倒置微带线结构，其特征在于：所述的金属接地层(5)通过导电胶与上硅基片(31)的下表面粘合在一起。
9.一种硅基倒置微带线结构的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
1a)选取两个大小相同的硅基片，分别作为上硅基片(31)和下硅基片(32)；
1b)采用蒸发或溅射在上硅基片(31)的上表面淀积下金属层(12)的起镀层；
1c)在上硅基片(31)的上表面涂抹一层2μm～3μm厚的SU8光刻胶，通过光刻显影，将区域暴露出来，形成下金属掩膜层；
1d)对暴露出来待电镀的起镀层区域电镀加厚，形成2μm～3μm厚的下金属层(12)；
2a)在下金属掩膜层的上表面再涂抹一次正性光刻胶，光刻显影，使下金属层(12)暴露出来，形成上金属掩膜层；
2b)采用溅射在上金属掩膜层淀积一层上金属层(11)的起镀层；
2c)将上金属层(11)的起镀层电镀加厚，形成2μm～3μm厚的上金属层(11)；
2d)腐蚀去除残余上金属层(11)的起镀层，然后对正性光刻胶进行泛曝光，并洗去残余的正性光刻胶；
在下金属掩膜层的上表面和上金属层(11)涂抹一层5μm～10μm厚的SU8光刻胶，曝光后对其进行自升温固化，形成固定微带线(1)的倒置层(2)；
4)减薄上硅基片(31)并制作腔体(4)的掩膜层：
4a)在倒置层(2)的上表面涂一层石蜡，将上硅基片(31)的上表面结构保护起来，再将涂有石蜡的一面倒扣并固定在压盘上；
4b)采用机械研磨的方法将上硅基片(31)减薄至所需厚度；
4c)在上硅基片(31)的下表面制备掩膜层，并涂抹一层正光刻胶，通过的掩膜板光刻对准，在微带线(1)的正下方形成腔体(4)的掩膜图案区；
4d)在掩膜层上刻蚀出腔体(4)的窗口，将待刻蚀硅表面暴露出来；
5a)所述的上硅基片(31)采用110硅；采用硅基MEMS湿法深槽刻蚀工艺，使用腐蚀液对上硅基片沿110晶面进行刻蚀，并形成腔体(4)；
5b)除去腔体(4)掩膜图案区的掩膜层和残余的正性光刻胶；
5c)采用腐蚀的方式除去步骤1a)中多余下金属层(12)的起镀层；
6a)在下硅基片(32)的上表面淀积起镀层，并电镀加厚形成金属接地层(5)；
6b)用导电胶将金属接地层(5)粘贴到上硅基片(31)下表面，形成倒置微带线结构。
一种硅基倒置微带线结构及其制作方法
技术领域
[0001] 本发明属于微电子机械系统领域，具体涉及一种硅基倒置微带线结构及其制作方法。
背景技术
[0002] 微机械电子系统(MEMS)是在微电子技术的基础上发展起来的，常用于加工微细结构，以实现各向异性刻蚀。MEMS技术通常采用硅片或者SOI作为基片，利用微电子技术制备的亚μm精度掩膜来精确定义图形的尺寸，采用特殊掩膜来实现体结构的高深宽比刻蚀。通常使用的深刻蚀方法包括干法刻蚀和湿法刻蚀两类，其中，干法刻蚀一般不依赖于晶向，但加工的复杂度高，需配套使用昂贵的刻蚀设备；湿法刻蚀则利用晶体中的不同晶向对刻蚀速率的敏感性实现各向异性刻蚀。MEMS深刻蚀中使用的负胶，如SU8，在曝光固化后具有结构强、密封性好等特点，即可以用作刻蚀阻挡层，也可以用作支撑介质层。现在MEMS技术结合微波微电子技术已成为研究热点。微波毫米电路通常采用标准微带线，然而随着工作频率的不断提高，其损耗和色散会变得非常显著。因此人们改进了微带线的结构，提出了倒置微带线结构。倒置微带线是一种以空气作为微带线介质的特殊传输线结构，具有损耗低、色散小、频带范围大以及制备工艺简单等优点。在微波毫米波电路中常被用于研制混频器、滤波器等有源和无源电路。因此倒置微带线在高频段毫米波具有很大的应用前景。
[0003] 然而，由于传统倒置微带线具有较厚的介质基片作为固定微带线的倒置层，在传输毫米波亚毫米电磁能量时，介质基片会带来显著的介质损耗，从而限制了倒置微带线的使用范围。另外传统倒置微带线还需要金属盒作为金属屏蔽腔，造价高，体积大，质量大，精度低，而且小尺寸的标准微带线结构难易实现高精度加工。传统倒置微带线一般采用微波板、塑料、陶瓷等材料作为固定微带线的介质基片，但微波板很难加工成薄层支撑结构，塑料、陶瓷不易实现亚μm级的精度，金属盒的制备使传统悬置微带线无法兼容传统IC工艺，另外当工作频率达到太赫兹频段时，普通的加工技术难以使传输线实现小尺寸高精度结构，这些因素不仅影响传统倒置微带线的性能和可靠性，而且限制了其在便携式或者高集成度产品中的应用。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种能够有效减小损耗、提高加工精度、降低加工难度的硅基倒置微带线结构及其制作方法，所制得产品的工作可靠性高。
[0005] 为了实现上述目的，本发明硅基倒置微带线结构包括由下至上依次设置的下硅基片、上硅基片及倒置层；上硅基片刻蚀有缺口，缺口与倒置层的下表面以及下硅基片的上表面围成腔体，倒置层的下表面上设置微带线，微带线包括嵌入在倒置层下表面上的上金属层及制备在上金属层的下表面且裸露在腔体中的下金属层；上硅基片与下硅基片之间设有金属接地层。
[0006] 所述的下金属层悬置于腔体的正上方。
[0007] 所述的腔体中填充有氮气、空气或者惰性气体。
[0008] 所述的倒置层采用SU8光刻胶制备，且其厚度在10μm～20μm之间。
[0009] 所述上金属层的宽度是下金属层的1.2～1.4倍，且两者的厚度均在0.5μm～1μm之间。
[0010] 所述微带线的线宽、上硅基片的厚度以及腔体的大小根据所需阻抗进行设定。
[0011] 所述的腔体为长方体结构，腔体的宽度大于两倍微带线的宽度。
[0012] 所述的上硅基片采用110硅。
[0013] 所述的金属接地层通过导电胶与上硅基片的下表面粘合在一起。
[0014] 本发明硅基倒置微带线结构的制作方法，包括以下步骤：
[0015] 1)制作下金属层；
[0016] 1a)选取两个大小相同的硅基片，分别作为上硅基片和下硅基片；
[0017] 1b)采用蒸发或溅射在上硅基片的上表面淀积下金属层的起镀层；
[0018] 1c)在上硅基片的上表面涂抹一层2μm～3μm厚的SU8光刻胶，通过光刻显影，将区域暴露出来，形成下金属掩膜层；
[0019] 1d)对暴露出来待电镀的起镀层区域电镀加厚，形成2μm～3μm厚的下金属层；
[0020] 2)制作上金属层；
[0021] 2a)在下金属掩膜层的上表面再涂抹一次正性光刻胶，光刻显影，使下金属层暴露出来，形成上金属掩膜层；
[0022] 2b)采用溅射在上金属掩膜层淀积一层上金属层的起镀层；
[0023] 2c)将上金属层的起镀层电镀加厚，形成2μm～3μm厚的上金属层；
[0024] 2d)腐蚀去除残余上金属层的起镀层，然后对正性光刻胶进行泛曝光，并洗去残余的正性光刻胶；
[0025] 3)制作倒置层；
[0026] 在下金属掩膜层的上表面和上金属层涂抹一层5μm～10μm厚的SU8光刻胶，曝光后对其进行自升温固化，形成固定微带线的倒置层；
[0027] 4)减薄上硅基片并制作腔体的掩膜层：
[0028] 4a)在倒置层的上表面涂一层石蜡，将上硅基片的上表面结构保护起来，再将涂有石蜡的一面倒扣并固定在压盘上；
[0029] 4b)采用机械研磨的方法将上硅基片减薄至所需厚度；
[0030] 4c)在上硅基片的下表面制备掩膜层，并涂抹一层正光刻胶，通过的掩膜板光刻对准，在微带线的正下方形成腔体的掩膜图案区；
[0031] 4d)在掩膜层上刻蚀出腔体的窗口，将待刻蚀硅表面暴露出来；
[0032] 5)制备腔体；
[0033] 5a)采用腐蚀液对上硅基片进行刻蚀，并形成腔体；
[0034] 5b)除去腔体掩膜图案区的掩膜层和残余的正性光刻胶；
[0035] 5c)采用腐蚀的方式除去步骤1a)中多余下金属层的起镀层；
[0036] 6)将硅基片组合形成倒置微带线结构：
[0037] 6a)在下硅基片的上表面淀积起镀层，并电镀加厚形成金属接地层；
[0038] 6b)用导电胶将金属接地层粘贴到上硅基片下表面，形成倒置微带线结构。
[0039] 与现有技术相比，本发明倒置微带线结构具有如下的有益效果：上硅基片刻蚀有缺口，缺口与倒置层的下表面以及下硅基片的上表面围成腔体，电磁场主要分布在腔体中，电磁能量也主要在腔体中传播，减小了插入损耗，因此本发明比传统倒置微带线的损耗小，能够得到一种适用于毫米波信号的高性能传输线。本发明采用的基片材料是硅，即普通的硅材料就能够实现腔体的制备，成本低廉。硅材料的热导率为钢材的数倍，更优于微波材料，对系统热量的处理能力高。硅材料作为基板容易与硅基器件互连，采用减薄机能够精确控制硅材料的厚度，最薄能够达到数十μm，解决了传统倒置微带线由于固态介质过厚、加工误差较大而带来的损耗，实现了一种低损耗、制备方法简单、加工精度高的毫米波传输线结构。
[0040] 与现有技术相比，本发明倒置微带线结构的制作方法具有如下的有益效果：采用微细加工工艺，利用SU8光刻胶将作为倒置层的微带线固定起来，由于SU8光刻胶可以做得很薄，电磁场主要分布在腔体中，电磁能量主要在腔体中传播，减小插入损耗。另外SU8胶是负胶，曝光固化后结构强度大，密封性能好，因此本发明提出的空腔结构能够填充氮气、空气或者惰性气体，这样能够减少二次电子的发射，应用于太空领域能够增加电路的可靠性。采用硅基MEMS湿法深槽刻蚀工艺在上硅基片中形成腔体，制备工艺简单，不需要采用昂贵的刻蚀设备即能够实现，而且硅材料刻蚀特性稳定，结构尺寸批次生产时的一致度高。本发明采用了微电子光刻技术制备掩膜版，加工精度能够达到亚μm级，在衬底底面的掩膜图形与微带线下的目标图形为等比关系，通过缩放关系能降低底面掩膜图形的加工精度要求，使设计的微带线尺寸精准且容易实现，实现了极高的阻抗，解决了微波板中制备特高阻线的难题。
附图说明
[0041] 图1本发明的整体结构示意图；
[0042] 图2本发明的整体结构剖视图；
[0043] 图3-a上硅基片制作微带线下金属层的横截面示意图；
[0044] 图3-b形成微带线的横截面示意图；
[0045] 图3-c形成微带线倒置层的横截面示意；
[0046] 图3-d减薄后制备空气腔掩膜层的横截面示意图；
[0047] 图3-e刻蚀腔体后的横截面示意图；
[0048] 图3-f上下硅基片键合后的横截面示意图；
[0049] 图4本发明悬置微带线在太赫兹频段S参数的仿真图；
[0050] 附图中：1.微带线；2.倒置层；3.硅基片；31.上硅基片；32.下硅基片；4.腔体；5.金属接地层；6.石蜡；7.掩膜层；8.正光刻胶；11.上金属层；12.下金属层；21.第一SU8光刻胶层；22.第二SU8光刻胶层。
具体实施方式
[0051] 下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。所述实施例只是本发明的一部分实施例，不是全部的实施例，本发明还可以采用其他不同的方式来实施，本领域的技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似的推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例限制。
[0052] 参见图1，2，本发明硅基倒置微带线结构包括由下至上依次设置的下硅基片32、上硅基片31及倒置层2。倒置层2采用SU8光刻胶制备，且其厚度在10μm～20μm之间。上硅基片31采用110硅，上金属层11的宽度是下金属层12的1.2～1.4倍，且两者的厚度均在0.5μm～1μm之间。上硅基片31刻蚀有缺口，缺口与倒置层2的下表面以及下硅基片32的上表面围成腔体4，腔体4为长方体结构，腔体4的宽度大于两倍微带线1的宽度。倒置层2的下表面上设置有微带线1，微带线1包括嵌入在倒置层2下表面上的上金属层11以及制备在上金属层11的下表面且裸露在腔体4中的下金属层12，下金属层12悬置于腔体4的正上方，腔体4中可以填充氮气、空气或者惰性气体。本发明的上硅基片31与下硅基片32之间设有金属接地层5。金属接地层5通过导电胶与上硅基片31的下表面粘合在一起。微带线1的线宽、上硅基片31的厚度以及腔体4的大小根据所需阻抗进行设定。
[0053] 本发明硅基倒置微带线结构的制作方法以50欧姆传输线为例，包括以下步骤：
[0054] 步骤1，制作下金属层(参考图3a)：
[0055] 1.1)选取两个大小相同的硅基片，分别作为上硅基片31和下硅基片32；
[0056] 1.2)通过蒸发或溅射的方式，在上硅基片31的上表面淀积一层0.05μm厚的下金属层12的起镀层；
[0057] 1.3)在上硅基片31的上表面涂抹一层2μm厚的第一SU8光刻胶21，通过光刻显影，将待电镀的起镀层区域暴露出来，形成下金属掩膜层；
[0058] 1.4)通过电镀工艺对暴露出来待电镀的起镀层区域进行电镀加厚，最终形成2μm厚，244μm宽的下金属层12。
[0059] 步骤2，制作上金属层(参考图3b)：
[0060] 2.1)在下金属掩膜层的上表面再涂抹一次3μm厚的正性光刻胶，光刻显影，使下金属层暴露出来，形成上金属掩膜层；
[0061] 2.2)采用溅射的方式，在上金属掩膜层淀积一层上金属层11的起镀层；
[0062] 2.3)将上金属层的起镀层电镀加厚，形成3μm厚、284μm宽的上金属层11；
[0063] 2.4)用腐蚀的方法去除残余的上金属层11的起镀层，然后将正性光刻胶泛曝光出来，并洗去残余的正性光刻胶。
[0064] 步骤3，制作倒置层(参考图3c)：
[0065] 3.1)在下金属掩膜层的上表面和上金属层11涂抹一层5μm厚的第二SU8光刻胶22，曝光后对其进行自升温固化，第一SU8光刻胶层21和第二SU8光刻胶层22共同组成固定微带线的倒置层2。
[0066] 步骤4，减薄上硅基片并制作空气腔的掩膜层(参考图3d)：
[0067] 4.1)在倒置层2的上表面涂一层石蜡，将上硅基片31的上表面结构保护起来，之后将涂有石蜡一面倒扣并固定在压盘上；
[0068] 4.2)采用机械研磨方法将上硅基片31的厚度减薄至55μm；
[0069] 4.3)在所述上硅基片31的下表面制备0.2μm厚的二氧化硅和1μm厚的氮化硅作为掩膜层7，并涂抹一层3μm厚的正光刻胶8，通过的掩膜板光刻对准技术，在微带线1正下方形成腔体4的掩膜图案区；
[0070] 4.4)采用ICP刻蚀的方式，在掩膜层7上刻蚀出1054μm宽的腔体窗口，将后续工艺中的待刻蚀硅表面暴露出来。
[0071] 步骤5，制作腔体(参考图3e)：
[0072] 5.1)采用硅基MEMS湿法深槽刻蚀工艺，用KOH腐蚀液对上硅基片31沿110晶面刻蚀，并形成一个长方体结构的腔体4，顶面为悬置层2，宽度为1000μm；
[0073] 5.2)除去腔体图案区的掩膜层和残余的正性光刻胶；
[0074] 5.3)采用腐蚀的方式除去步骤1)的1.1)中多余的下金属层的起镀层。
[0075] 步骤6，硅基片组合形成悬置微带线(参考图3f)：
[0076] 6.1)在下硅基片32的上表面淀积起镀层，并电镀加厚形成金属接地层5；
[0077] 6.2)用导电胶将金属接地层5粘贴到上硅基片31的下表面，从而形成倒置微带线结构。
[0078] 本发明的效果可通过以下仿真进一步说明：
[0079] 本发明使用Ansoft公司的三维电磁仿真软件HFSS，对实施例的50欧姆倒置微带线在10GHz到200GHz的频率范围内的S参数进行仿真，结果如图4所示，从图4可见，反射参数S(1,1)非常接近0dB，而传输参数S(2,1)在-25dB以下，这表明本发明的倒置微带线在传输毫米波亚毫米波时表现出非常好的性能。
