一种薄膜石英探针的设计与加工制造方法

赵 飞，王 斌，党元兰

（中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081）

一种薄膜石英探针的设计与加工制造方法

赵 飞，王 斌，党元兰

（中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081）

为满足微波电路中低损耗的使用要求，基于石英基板设计了一款Ka频段石英基板微带探针，应用波导来进行能量传输。分析了该款探针作为波导与微带结构转换的电路设计原理及工艺设计方案。在明确设计结构和工艺方案的基础上，通过实现双面精准对位、改善膜层附着力、改善光刻条件和确保切割质量等方面对石英探针的加工制造进行控制。通过对探针实物的测试，测试结果满足使用要求，具有良好的应用前景。

石英微带探针；仿真；对位；附着力；光刻；切割

0 引言

在微波特别是毫米波电路系统中，为了方便集成更多的微波单片多采用微带线来进行能量传输。但是在很多场合，为了减小电路的损耗又需要应用波导来进行能量传输，因此合适的波导微带转换结构成为了微波电路设计的关键技术之一［1］。微带探针型波导微带转换是一种广泛应用的转换形式，与其他类型转换结构相比，具有可精确设计和易于装配的优点。

石英作为一种刚性基板材料具有较好的加工一致性，在混频器［2］和天线阵列［3］中已获得应用。基于薄膜技术［4］的电路加工是微波电路中的重要基础工艺技术之一，采用该项技术在石英基板上加工波导微带转换结构鲜有报道。

本文提出了一种基于石英基板的微带探针模型，通过仿真软件分析优化电路设计，并在工艺加工中解决了关键问题，研制出了一款Ka频段石英基板微带探针应用于波导微带转换。

1 设计方案

1.1 电路设计

在电路设计中，考虑到波导传输损耗低，且微带方便模块小型化设计，毫米波系统中为了兼顾两者的优点多用到波导微带过渡［5］。这些过渡结构一般得满足以下要求：①传输损耗小、驻波好并且具有足够的频带宽度；②易于加工、便于工程实现、装备容易、具有良好的一致性。

波导微带转换的常用方法主要有：鳍线转换、脊波导转换、微带探针转换和同轴探针转换等。比较几种方式可知特点为：鳍线过渡加工和安装方便，插损小、体积大、易产生谐振效应，不易实现宽带过渡；脊波导转换性能良好，需要精密机械加工、体积大；微带探针转换的插入损耗小、带宽宽、结构紧凑、加工方便、装卸容易、不需调整；同轴线探针转换的插入损耗小、带宽好、结构紧凑、加工方便、一致性较差、一般需要调整。综合上述特点，设计中选用微带探针转换结构。

微带探针型转换结构是从同轴探针发展而来，通过一段耦合微带探针把波导中的电场耦合到微带中，然后用一段高感抗线抵消其电容效应实现探针与微带线阻抗匹配［6，7］。该转换结构在工程中已有应用报道［8－11］。矩形波导中距转换结构λ/4的短路活塞保证探针在波导中处于电场最强的位置，介质基片穿过矩形波导安装来提供一个波导窗并保证基片定位。微带探针结构又分为2种形式：基片表面与波导中波传播方向垂直以及基片表面与波导中波传播方向平行。这2种结构分析方法相同，本文仅讨论后者，结构如图1所示［12］。

图1 微带探针型波导微带过渡结构示意

探针遵循的电磁场理论分析如下［12］，其输入阻抗是探针长度、宽度、过渡结构距终端短路面距离以及频率的函数。这些参量的合理选择可保证此结构在较宽的频率范围内有较小的插入损耗。微带线插入波导形成电探针，任一个沿探针方向具有非零电场的波导模将在探针上激励起电流。由互易定理可知，当微带线上准TEM模向波导入射时产生的探针电流也将激励起同样的波导模。为使微带探针激励起的波导模与矩形波导中主模TE10模耦合最紧，探针应从波导宽边中心插入，置于TE10模电场最大位置。探针附近被激励起的高次模使接头具有电抗性质。短路活塞提供一个可调电抗用于抵消探针电抗。确定微带探针所激励起高次模的幅度和算出储藏在这些非传播模的纯电抗分量，可以计算出探针的电抗。由于探针末端的电流必须为零，对于探针来说，假设其电流按正弦波分布且假定探针电流为无限细线电流，其表述如式（1）所示，d为探针插入的深度。

微带的输入阻抗如式（2）所示。式中，P为辐射到波导中的功率；Wm－We是由高次模激励并存储在探针附近的无功功率。

探针的辐射电阻如式（3）所示：

工程应用中可以结合这些理论利用HFSS进行仿真。HFSS是基于有限元法的电磁仿真软件，可以直接方便地求出电路的S参数。为了便于对这种过渡结构的性能进行测试，特意制作了背靠背的过渡结构，其实物图如图2所示。

图2 实际制作的波导微带过渡结构

1.2 工艺设计

传统的过渡结构多采用软基板加工，该结构中选择石英作为该过渡结构的基底是由于它具有众多突出优点，主要表现在以下几个方面：①损耗因子低，约为0.000 1，相对于采用同样加工工艺的其他介质基板而言，其电路测试损耗较低，因此石英在一些对损耗要求较高的应用领域具有很大的优势；②频率的增加使得电路中的线宽逐渐减小，为确保加工的可控性、降低加工难度，需要选择介电常数低的材料，石英的介电常数为3.8，在高频电路中具有较宽的线条，其加工精度容易得到保证，因此石英基片在对精度要求较高的毫米波频段电路中具有应用前景；③有些电路如功率合成器等对电路的一致性要求较高，石英基板属于硬质基板，其电路相对于软基板电路而言具有更好的一致性。因此，在微波、毫米波电路向高频率、低损耗等方向发展的需求下，石英显现出了不可替代的优势。

在基板材料选定的基础上，对加工制造流程进行规划，其主要工序包括：基片清洗→溅射TiW、Au→激光加工对位标记→双面光刻→等离子去胶→坚膜→等离子清洗→电镀金→去胶→二次光刻→等离子去胶→坚膜→刻蚀Au以及TiW→去胶→划片→检验，流程如图3所示。

图3 石英探针加工流程

2 需要解决的问题

为获取性能满足要求的石英探针，难度集中在加工制造方面。归结起来包括：双面对位精度差的问题、膜层附着力差的问题、光刻问题和划切崩边问题等。

2.1 双面对位精度差的问题

石英探针为双面图形结构，加工中有双面光刻图形的要求，因此对正面、背面图形对位精度要求较高。由于受条件的限制，没有可以显现高精度、自动双面图形加工的双面曝光机，因此，为获得双面对位精度高的图形需要另辟蹊径。

2.2 膜层附着力差的问题

在加工过程中，石英基板上的薄膜通过磁控溅射的方法获得。但是由于石英表面粗糙度较低，约为2 nm左右，因此膜层对基片的附着力会下降，如何解决金属膜层在石英上的附着能力也是需要解决的难题之一。

2.3 光刻的问题

光刻是实现图形化的必要手段，是薄膜加工中的关键技术之一，特别是在石英基片的薄膜加工中。由于石英产品部分需要双面对位，因此双面光刻参数的摸索是加工中的关键。另外，由于石英基片本身的属性使得光刻胶在上面的附着性会比较差，因此如何避免光刻中掉胶现象的发生也非常重要。

2.4 划切崩边的问题

石英基片是一种硬脆材料，在切割过程中非常容易产生崩边、崩角等情况。如何选择合适的切割方式获得尽量小的崩边尺寸是加工中需要控制的关键。

3 关键技术

结合上述提出的问题，在加工中需要解决的关键技术包括：为实现双面图形的精准对位，需要突破双面对位标记的加工；为解决石英表面粗糙度低，膜层附着不牢的问题，需要采用特定方式提高膜层附着力；为实现双面图形化，解决掉胶等问题，需要改善光刻条件；为使易碎、易崩边的石英最终成型状态良好，需要确保切割质量。

3.1 实现双面图形精准对位

由于设备条件的限制，为解决这个难题，采用激光加工标记的方法在正背面加工出对位图形，从而实现精准对位。

激光是基板任意形状加工的一种有力手段，采用激光在基片上正面和背面打上同心的标记是双面图形加工中的关键工序。通过在有效区域外加工对位标记，可以使正面、背面图形实现精准对位。

3.2 提高膜层附着力

膜层附着力可以通过对基板加热、在溅射层中引入过渡层等方式得到改善。

财政预算不仅需要具备很强的专业性，同时需要有一定的技术性和政策性内容。目前，大多数地方都是从八九月开始编制财政预算，在第二年的3月份进行公示，这中间大约包含7～8个月的制作时间，但不是所有的时间都在编制。因为这个过程当中还包含审批时间，去掉审批时间，编制的实际时间大约在4～5个月。这导致政府财政预算的编制时间不足，无法搜集更完整的资料，无法深入地论证预算环节，数据分析与预测缺少合理的参照，使预算的严谨性变低，内容粗糙，收入预算与实际出现很大的差距。此外，因为时间不充足，精准性也不高[1]。

通过加热的方式可以改善膜层的附着力。在溅射过程中，可以边加热基片边溅射，加热溅射对附着力改善的物理机制表现为：首先，加热可以使附着在石英基片上的粒子，如水分子、气体分子等，在热能作用下热运动加剧而最终解吸附，从而使石英基片的界面暴露在等离子体空间中，膜层附着在基片上后与基片具有较好的结合力；其次，溅射产生的原子团携带一定的能量，具有一定的温度，在冷的基片上沉积时会产生应力，而通过基片加热的方式，可以减小膜层沉积后会的应力，提高膜层粒子间的聚集度。

通过引入过渡层的方式也可以改善膜层的附着力。由于不同基底材料和薄膜的界面各不相同，价键类型的差异导致物质的亲和能不同。亲和能较高时，可以降低薄膜与衬底之间的结合壁垒，进而提高薄膜的附着力。因此，通过在石英瓷片和Au导电层间增加TiW过渡层的方式改进两者间的结合力。

3.3 改善光刻条件

某些石英产品需要制作双面图形，双面图形的精度和对准是光刻的关键。通过控制双面光刻中的一些关键影响因素，如前烘温度和时间、曝光时间和显影时间等，可以获取加工精度高、状态较好的光刻图形。

在处理掉胶问题方面，由于使用的光刻胶是疏水性的，因此为改善光刻胶在基片表面的附着性，必须将基片表面特性改为疏水性。其中最为直接的办法是在匀胶前对基片进行烘烤或加入增粘剂获得良好的界面。由于石英基片采用湿法清洗，清洗后表面会有水气残留，为消除残留物对光刻胶附着性的影响，可以通过一定温度下的烘烤使水分子蒸发，改善光刻胶与石英的接触界面。另外，一方面由于基片放置过程中会吸附羟基等转变为亲水性，另一方面由于石英表面较为光滑，光刻胶分子与基片表面的机械啮合度较低，光刻胶溶液脱落，通过在石英表面涂覆一层增粘剂来改善光刻胶的附着能力也是常见的处理方法之一。将增粘剂涂覆到基片表面后，加热反应的生成物可以将衬底转变为疏水性，从而使基片与光刻胶很好地结合到一起。

3.4 确保切割质量

常用的基片划切方式有机械切割和激光划片2种方式，2种方式在石英切割方面都存在问题。机械切割的切割主轴在运动过程中会给石英带来很大的外加机械应力，在应力作用下石英会出现比较严重的崩边，甚至裂纹。激光切割的问题在于激光在切割过程中产生大量的热，材料表面存在相当大的温度梯度，这种热应力是导致激光切割过程中石英基片崩边、裂纹等现象产生的原因。通过一系列试验发现，采用机械划切的方式、改变切割参数可以有效减小崩边，崩边尺寸可控制在10μm以下。

4 性能结果分析

电性能测试采用R＆S公司的矢量网络分析仪R＆S ZVA50，其工作频率为10 MHz～50 GHz。经过测试，图2所示过渡结构的损耗如图4中“▲”标记所示。测试中修正了测试系统的损耗，得到的是滤波器本身的插损特性。所测得的插损在0.6 dB以内，明显优于之前所用的其他厂家加工的石英探针的性能，如图4中“■”所示。

图4 石英探针测试结果

5 结束语

在充分分析波导与微带结构转换的电路设计原理基础上，应用波导能量传输理论，设计了一款Ka频段石英基板微带探针。立足于石英基材损耗因子低的特点，解决了光刻精度、膜层附着力、光刻条件和切割质量等方面的问题，加工出了探针器件。通过对探针实物的测试，结果满足使用要求。

通过对该款Ka频段石英基板微波探针的设计、分析和加工，得到可以广泛应用于波导微带转换的一种器件，并且在工程应用中得到验证。该探针结构具有良好的应用前景，对高性能、小型化电路的设计和制造具有重要意义。

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A Design and Fabrication Method of Thin Film Quartz Probe

ZHAO Fei，WANG Bin，DANG Yuanlan
（The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang Hebei 050081，China）

In order tomeet the requirementof low loss inmicrowave circuit，a kind of Ka band quartzmicrostrip line probe has been designed，which is applied to transfer energy in waveguide.This paper presents the analysis of circuit design theory andfabrication scheme in the transition ofwaveguide tomicrostrip line.Based on the circuit structure andfabricationmethod，several key problems are solved by controlling double plane alignment，improvement in film adhesion and photolithography condition，ensuring the dicing quality during the fabrication processes.The test results show that the probe canmeet the requirements in the circuit，and has great application foreground.

quartzmicro-strip line probe；simulation；alignment；adhesion；lithography；dicing

TN451

A

1003－3106（2015）09－0037－04

10.3969/j.issn.1003－3106.2015.09.10

赵飞，王斌，党元兰.一种薄膜石英探针的设计与加工制造方法［J］.无线电工程，2015，45（9）：37－40，44.

赵 飞女，（1983—），高级工程师。主要研究方向：微波/毫米波模块微组装工艺。

2015-06-11

中国电子科技集团公司第五十四研究所工艺基金资助项目（N1224009）。

党元兰女，（1962—），高级工程师。主要研究方向：微波/毫米波模块微组装工艺。