超宽带矩形微同轴滤波器制备及性能分析

汪郁东，赵广宏，陈春明，陈青松，谷胜明，许 进

（1 北京遥测技术研究所 北京 100094 2 西北工业大学电子信息学院 西安 710029）

引 言

在信息化发展需求的推动下，现代雷达通信、高精度定位以及卫星导航通信系统等都对高性能射频微系统提出了更高的要求，同时超宽带系统以其功耗小、安全性高、不易产生干扰和数据传输速率快等优点成为近年研究热点。在超宽带射频微系统中滤波器作为选频和去噪的重要器件，在工作带宽大、频段高的基础上，还需要满足带内插损低、带外抑制度高等条件。传统的超宽带滤波器在工作带宽及使用频段上都有所限制，不能适用于超宽带射频微系统的场合。

随着三维工艺技术的发展，三维射频器件的集成得到了进一步的拓展。目前，三维集成工艺主要包括低温共烧陶瓷LTCC（Low Temperature Co-fired Ceramic）及硅通孔TSV（Through Silicon Via）等，多采用微带线、带状线、共面波导和介质集成波导等平面传输线形式，再利用陶瓷或硅基板等进行多层图案和层间互连结构制备，从而得到具有宽带特性的滤波器结构。一方面，微带线等开放式传输线在集成度较高时，线间耦合性较大；另一方面，基底介质在高频段时损耗越发明显。因此，目前的传统三维集成工艺难以实现毫米波乃至太赫兹频段宽带滤波器的高传输效率和功率容量，不能满足射频微系统对高性能超宽带滤波器的要求。

近年来，在美国国防部先进研究计划局（DARPA）的支持下，以美国Nuvostronics 公司为首，并联合科罗拉多大学博尔德分校等高校开展一种基于MEMS 工艺的全金属结构增材制造技术的研究——PolyStrata 工艺。PolyStrata 工艺通过多层光刻成形及金属电铸的MEMS 微加工工艺来实现集成的矩形微同轴传输线[1]，利用矩形微同轴传输线，可进行各类宽带无源器件与天线设计，并可作为射频微系统的集成平台。这种矩形同轴传输线优势在于[2,3]：50Ω 矩形同轴传输线在450GHz 高频能提供单TEM 模式的传输；完全屏蔽的传输线意味着辐射损耗低，同时提供较高的共墙线间耦合度；避免了多层介质材料引入的插入损耗和散热问题。

矩形微同轴传输线的优点在各类高性能宽带无源器件与天线设计中也得到了良好的印证，为高性能毫米波及太赫兹系统的设计提供了可能。基于PolyStrata 工艺，目前国外实现了部分基于同轴传输线的微波毫米波器件三维片上集成，如功分器[4]、耦合器[5,6]、天线及天线阵列[7-9]、滤波器[10]等，并且已经开展了射频微系统的一体化集成。国内对矩形微同轴传输线制备技术的研究起步较晚，目前已报道的文献多为无源器件及天线的理论仿真研究，在工艺制备上还处于矩形微同轴传输线制备及测试阶段[11-15]。本文基于现有工艺条件，设计并制备得到了10GHz～50GHz 超宽带矩形微同轴滤波器样件，并通过测试验证了工艺制备的精度与高层器件堆叠的可行性，为高性能射频微系统的集成奠定了基础。

1 矩形微同轴滤波器结构设计

矩形微同轴传输线在很宽的频率范围内都具有低损耗特性，因此非常适用于设计低损耗宽带微波无源器件。本文基于矩形微同轴传输线，对10GHz～50GHz 超宽带带通滤波器进行了设计与制备。

图1（a）所示为本文设计的10GHz～50GHz 超宽带滤波器，主要包括多模谐振器内导体部分、外导体以及介质支撑结构。去除外导体的多模谐振器内导体部分如图1（b）所示，其中包括深宽比超过5:1 的高深宽比狭缝结构，大大增加了工艺制备的难度。通过优化内导体线宽、线高以及线间距，可获得所需电学性能。外导体侧壁上有用于内部牺牲光刻胶剥离的周期排布释放孔结构，在保证光刻胶能够充分释放的前提下，释放孔尺寸应尽可能小。介质支撑结构在器件内部也呈周期性排列，用来支撑并固定内导体结构，设计在第五层进行制备。仿真分析表明，排布合适的薄、窄介质支撑结构具有对内导体的稳定支撑作用，且不会影响阻抗特性。

图1 10GHz～50GHz 超宽带矩形微同轴滤波器模型Fig.1 10GHz～50GHz UWB rectangle micro-coaxial filter model

图1（a）所示的矩形微同轴滤波器结构外部整体尺寸为13.2mm×4.2mm×0.86mm。滤波器两侧端口由矩形微同轴线-GSG 过渡转接结构组成，用于探针台进行测试，同时可通过金丝引线键合的方式与其他器件或芯片进行互联，集成混合电路或微系统。

利用ANSYS HFSS 软件对图1 所示模型进行仿真，得到如图2 所示结果：矩形微同轴滤波器在10GHz～50GHz工作带宽内回波损耗优于18dB，插入损耗低于0.2dB；在5GHz 处带外抑制达到42dB，在55GHz 处带外抑制达到45dB。从仿真结果来看，所设计的基于矩形微同轴传输线10GHz～50GHz 超宽带滤波器具有低损耗、高通带选择性、高带外抑制等优良特性。

图2 超宽带矩形微同轴滤波器仿真结果Fig.2 Simulation results of UWB rectangle micro-coaxial filter

2 矩形微同轴滤波器工艺流程及器件制备

2.1 工艺流程

矩形微同轴器件的加工工艺过程如图3 所示。衬底一般使用半导体硅基底，在衬底表面建设一层技术种子层，选用光刻胶作为牺牲层，光刻制备得到图形凹槽，在凹槽内利用电化学沉积电铸一定厚度的金属铜，经过平坦化后将表面粗糙的电铸铜处理成表面光亮的平整结构，同时控制金属铜与光刻胶的高度差。内导体的悬空状态由涂覆的一层聚合物形成的桥梁结构支撑。重复光刻-电铸-平坦化工艺过程，完成多层堆叠后，去除牺牲层光刻胶，得到空气介质的金属矩形微同轴传输线结构。当每层的图形变化复杂时，多次重复光刻-电铸-平坦化等重复性工艺次数得到十层同轴滤波器，图形的线条精度及每层堆叠的层高精度均控制在微米量级内，堆叠层数越高，精度控制越困难，工艺实现难度越大。

图3 矩形微同轴器件制备流程Fig.3 Flow chart of preparation of rectangle micro-coaxial devices

2.2 器件制备

利用图3 所示的加工流程方法，经过试验参数优化通过光刻得到均匀性97%、厚度100μm 以上的光刻胶膜，其中胶膜陡直度达到88.5°，层间套刻误差可控制在5μm 以内。微电铸后的电铸铜结构均匀性可达95%，且表面铜结晶细密、表面光亮。平坦化后的一层结构厚度为100μm±5μm，其中金属铜与光刻胶的高度差均值低于1μm。如图4 所示，重复上述过程，经过九次光刻-电铸-平坦化过程及一次介质支撑结构光刻后完成十层滤波器样件的制备。最终去除牺牲层光刻胶得到矩形微同轴滤波器实物如图5（a）所示，局部放大图如图5（b）所示。

图4 矩形微同轴滤波器制备工艺过程Fig.4 Fabrication process of rectangle micro-coaxial filter

图5 矩形微同轴滤波器实物图Fig.5 Photos of rectangle micro-coaxial filter

3 矩形微同轴滤波器结构及性能分析

3.1 结构分析

测量滤波器外部结构尺寸，与设计值对比分析工艺误差，如表1 所示，线宽误差在4μm 范围内，器件厚度误差在±7μm 范围内。

表1 外部尺寸测量Table 1 External dimension measurement

滤波器样件内部结构不可视，使用计算机断层成像技术CT（Computer Tomography）对矩形微同轴滤波器的内部微细结构尺寸进行测量，如图6 所示，内外导体及支撑结构均完好，且各截面测量尺寸基本与设计尺寸一致。

图6 矩形微同轴滤波器CT 扫描图像Fig.6 CT scan image of rectangle micro-coaxial filter

3.2 性能测试分析

图7 矩形微同轴滤波器样件测试结果Fig.7 Test results of rectangle micro-coaxial filter samples

使用射频探针台与矢量网络分析仪测试滤波器性能，如图7 所示。在10GHz～45GHz 内，实测插入损耗小于0.76dB，在27.7GHz 处测得最小插入损耗为0.44dB，在此频率范围内回波损耗都优于 14.3dB。在45GHz～50GHz内，滤波器的损耗变大至1.2dB，测得47GHz频率附近回波损耗恶化至11.4dB。此外，测得在5GHz 时带外抑制达到41.8dB，55GHz 时带外抑制为43.9dB。

滤波器样件测试结果曲线与仿真结果基本吻合，表现出低损耗、高通带、高带外抑制等优良特性，但在更高频时的损耗与仿真结果存在差异。

微同轴滤波器的内导体结构为线宽50μm 的深宽比超过5:1 的高深宽比结构，如图1（b）所示，工艺实现难度较大。该部分50μm 尺寸的仿真结果显示，在±2μm 的误差范围内，回波损耗均优于15dB，插入损耗小于0.8dB；误差增大至±4μm 时，插入损耗增大至1dB。

分析造成高频损耗差异的原因，主要包括以下两点：

①在实际测试中，使用CT 扫描成像观测到内部结构均完好，但测量精度有限，内部50μm 线宽尺寸需通过牺牲层光刻胶去除后金属铜的去除速率进行评价，推测该部分线宽在49μm～53μm 之间，插入损耗与误差仿真结果基本一致，但回波损耗有所增大。由于该部分50μm 线宽尺寸是由去铜速率分析得到，存在一定误差，且制备过程中的工艺不确定性造成不同区域的线宽差值，尺寸误差导致测试结果与仿真数据之间的差异。

②十层结构制备完成后经过牺牲材料的释放，处理后的矩形微同轴滤波器样件的内外导体金属铜表面粗糙度均变大，粗糙度直接影响样件插入损耗，特别是毫米波频段更为明显[15]，如图8 所示，在45GHz～50GHz 处的损耗与仿真结果相比有增大趋势。后续将进一步优化工艺参数提高线宽精度，改善释放过程造成金属铜表面粗糙的问题，提升制备的滤波器性能。

图8 矩形微同轴滤波器样件损耗测试及仿真结果对比Fig.8 Result comparison of the simulated and measured loss of rectangle micro-coaxial filter samples

4 结束语

本文在矩形微同轴传输线的电路基础上设计了10GHz～50GHz 超宽带矩形微同轴滤波器模型，仿真结果显示，在工作带宽内插入损耗低于0.8dB，回波损耗优于17dB，带外抑制达到45dB。通过PolyStrata 工艺的制备流程经过九次光刻-电铸-平坦化过程及一次介质支撑结构光刻后完成最小线宽50μm 的十层滤波器样件的制备，测得制备的滤波器样件性能与仿真曲线基本吻合，在40GHz 时插入损耗为0.6dB，回波损耗为21.6dB，在5GHz 和55GHz 时带外抑制分别为41.8dB 和43.9dB。本文完成了基于PolyStrata 技术的多层复杂结构堆叠，实现了10GHz～50GHz 的超宽带矩形微同轴滤波器的加工及测试，经过后续工艺优化为实现小型化、宽频带、高频段及低损耗的射频前端微系统的高度集成打下了基础。