硅基MEMS微同轴的工艺技术

董春晖，杨志，申晓芳，李宏军

（中国电子科技集团公司 第十三研究所，河北 石家庄 050051）

0 引 言

随着微波系统向着小型化、高性能、低功耗、低成本的方向发展，射频MEMS技术获得了越来越多的关注。相比于传统射频器件，采用MEMS工艺制造的射频器件具有体积小、精度高、一致性好、量产成本低等优点。以MEMS滤波器、环行器、耦合器、硅基无源封装、MEMS开关等产品为代表的新型射频MEMS器件已经应用于各种通信产品之中。

微同轴传输线由于其特有的结构特点，使得微波信号能够低损耗地在其中传输，同时兼具低色散、高带宽、高隔离度等优点。然而其结构特点也导致了制造难度的提升，限制了微同轴的广泛应用。常见的微同轴制备方法有：基于全金属结构的EFABTM技术；基于介质支撑梁的铜基PolyStrataTM技术。这些工艺技术均能制备出性能优良的微同轴器件，但是工艺复杂度较高，需要金属CMP平整化工艺、超厚光刻胶工艺、高难度的牺牲层制备及释放工艺以及单独开发的支撑梁工艺。

本文提出了一种基于硅基MEMS工艺技术制备微同轴结构的新方法，采用成熟的刻蚀、电镀、晶圆级键合技术，实现了立体线芯—外屏蔽金属结构的制备，实现了微同轴传输线以及垂直转接结构的一体化加工，并用矢量网络分析仪对加工出的器件样品进行了测试，得到了初步性能曲线。

1 硅基MEMS微同轴的结构

硅基MEMS微同轴的基本结构如图1所示。

图1 硅基MEMS微同轴的基本结构示意图

硅基MEMS微同轴从结构上可以划分为：

（1）微同轴传输线：电磁波传输的通道。由微同轴屏蔽层、线芯以及支撑线芯的硅基支撑梁构成。屏蔽层由电镀金覆盖硅腔体内壁形成，将电磁波约束在腔体内部；线芯为金-硅Core-Shell结构，以刻蚀形成的横向硅柱为基础，表面包裹以电镀金，用以传输电磁波信号；硅基支撑梁连接了屏蔽腔内壁与纤芯，起到刚性支撑的作用，为线芯提供必要的机械强度。线芯从屏蔽层内的空腔穿过，线芯与屏蔽层之间为空气介质，从而形成了同轴结构，为电磁波波的传输提供了结构基础。

（2）垂直转接结构：将横向传输的电磁波转为纵向传输，并提供与外界的接口，由TSV、转接压点构成。转接压点为线芯的延伸结构，与TSV相互导通，将电磁波由传输线导入到TSV的上方。TSV由贯通硅片的通孔以及通孔内壁包覆的金层构成，为微波信号的垂直传输提供结构基础。

以具有一定长度的微同轴传输线为基础，再匹配以具有输入输出功能的垂直转接结构，就形成了具有完整结构的微同轴器件。基于这种结构，可以进一步开发出延时线、功分器、耦合器、滤波器等无源器件。

2 制备工艺

2.1 工艺流程

硅基MEMS微同轴制备工艺分别在三层硅片上进行，然后通过晶圆级键合技术将三层晶圆键合到一起，形成完整的微同轴结构。上层晶圆的工艺流程如图2所示。步骤A为原材料片的准备，采用双面抛光高电阻率硅片，采用标准半导体清洗工艺对单晶硅衬底进行彻底清洗，去除油污、灰尘等，过程中监控清洗水体电阻率，使其达到洗净的标准。步骤B为光刻工艺，使用光刻胶在硅片底面形成同轴腔体的图形。步骤C为干法刻蚀工艺，采用DRIE设备，对从光刻胶中裸露出来的硅表面进行深刻蚀，形成侧壁垂直的腔体结构。步骤D为去胶工艺，将光刻胶从圆片上去除干净。步骤E为种子层制备，采用磁控溅射工艺在硅晶圆的正反两面沉积Cr/Au作为缓冲层，其中Cr为黏附层，目的是增加金属镀层在硅表面的附着力。Au为电镀工艺需要的种子层。步骤F～G为第二次光刻工艺，目的是形成掩膜，为下一步电镀做准备。步骤G为电镀工艺，在圆片的正反两面同时电镀厚Au，作为微同轴结构的金属屏蔽层。步骤I为去胶工艺。步骤J为金属腐蚀工艺，采用湿法腐蚀液，依次将步骤E中溅射的Au、Cr金属层去除干净。至此，上层晶圆的工艺完成。

图2 上层晶圆加工流程

中层晶圆的工艺流程如图3所示。步骤A为原材料片的准备。步骤B～D为光刻—干法刻蚀—去胶工艺，经过这些步骤，在硅基片上形成了线芯结构。步骤E为种子层制备。步骤F～G为第二次光刻工艺，在侧壁选择性地形成掩膜，为下一步电镀做准备。步骤G为电镀工艺，在圆片的正反两面同时电镀厚Au，作为微同轴结构的线芯导电层。步骤I为去胶工艺。步骤J为金属腐蚀工艺。至此，中层晶圆的工艺完成。

图3 中层晶圆加工流程

下层晶圆的工艺流程如图4所示。步骤A为原材料片的准备。步骤B～D为光刻—干法刻蚀—去胶工艺，经过这些步骤，在硅基片上形成了硅腔体结构。步骤E～G为光刻—干法刻蚀—去胶工艺，经过这些步骤，在硅基片上形成了通孔结构。步骤H为种子层制备。步骤I～J为第三次光刻工艺，同时在圆片表面与槽内、孔内形成图形，为下一步电镀做准备。步骤K为电镀工艺，在圆片的正反两面同时电镀厚Au，作为微同轴结构的金属屏蔽层与TSV信号传输线。步骤L为去胶工艺。步骤M金属腐蚀工艺。至此，下层晶圆的工艺完成。

图4 下层晶圆加工流程

最终，采用晶圆级键合工艺，将上、中、下三层晶圆键合为一个整体，并经过划片工艺，形成了分立的微同轴器件。上、中、下三层晶圆的腔体结构相互连接，形成了完整的屏蔽层；金-硅Core-Shell结构的线芯在硅支撑梁的支持下悬置在屏蔽层内部，作为微同轴线芯；空气填充在整体结构内部，作为介质。金属化的TSV通孔作为信号的输入输出端口。至此，形成了空气介质的微同轴结构。

2.2 微同轴传输线结构工艺

微同轴传输线的关键结构为中层的悬置线芯，其结构特点为：干法刻蚀的腔体将硅片分成了线芯、接地外导体、硅支撑梁。金属覆盖在线芯与接地外导体结构的表面与侧壁，形成完整的导电层。硅支撑梁连接了线芯与外导体，形成悬空结构。由于线芯与外导体之间要求绝缘，硅支撑梁的表面以及侧壁不能有金属。因此，如何对腔体侧壁进行选择性金属化就成为工艺的关键点。实现选择性的金属化有多种途径，本文通过在图1（F）光刻时对侧壁的光刻胶进行选择性曝光来实现。具体方法为：采用喷涂的方式，将光刻胶涂覆盖在晶圆的表面以及侧壁，通过控制光刻胶的浓度、衬底温度、胶头流速以及喷头高度，使光刻胶对侧壁的覆盖均匀、牢固。调整光刻机的出光角度，实现对线芯侧壁的曝光，并避免对硅支撑梁的照射。采用浸没式显影，保证显影液完全浸没圆片，避免结构内部出现气泡导致显影不完全。经过上述光刻步骤之后，线芯结构的硅支撑梁整体被光刻胶良好覆盖，同时线芯侧壁显影干净。图5为制备完成的线芯结构的SEM图像，从图中可以看到硅支撑梁无金属覆盖，线芯表面及侧壁被金属完整覆盖，实现了侧壁选择性金属化。

图5 制备完成的线芯结构的SEM图像

2.3 垂直转接结构工艺

微同轴垂直转接结构的关键结构为下层的TSV结构以及中层的转接线芯。形成TSV结构的关键是硅通孔内部的金属化。首先，在图4（M）的磁控溅射工艺中，需要将Cr、Au种子层完整覆盖在通孔的内部。由于磁控溅射工艺的特点，孔内的覆盖率较差，需要调整功率、气压、靶基距等工艺参数，尽量延长被溅射出来的金属粒子在孔内的飞行距离。其次，在图4（J）的光刻工艺中需要将孔内的光刻胶显影干净。这就需要增加孔内的曝光剂量，同时在显影时让显影液完全进入通孔内部。转接线芯的工艺特点与传输线芯结构类似，也需要侧壁选择性金属化。

图6为制备完成的转接线芯，图中显示出金属化镀层完整地包覆在了线芯的四周，形成了良好的电连接，同时在屏蔽层与线芯之间的结构上没有金属，实现了线芯与屏蔽层之间的良好电隔离。

图6 制备完成的转接线芯的SEM图像

3 测试结果

采用矢量网络分析仪测试管芯的微波性能。测试时，将芯片安装到与端口相匹配的测试夹具上，用射频线缆连接测试夹具的输入输出端口，测试范围设定为4 GHz到14 GHz。测试结果如图7所示。测试结果显示，管芯在4 GHz到14 GHz范围内插入损耗优于-2.5 dB，回波优于-14 dB，具有较好的性能。

图7 测试结果

4 结 论

综上，硅基MEMS微同轴采用MEMS体硅工艺，通过干法刻蚀、侧壁选择性曝光等技术，分别在3层硅片上制备了上、中、下3层结构，并通过晶圆级键合工艺将3层硅片键合成一体，形成具有微同轴传输线结构以及垂直转接结构的微同轴芯片。微波测试结果表明其具有良好的微波传输性能。硅基MEMS微同轴工艺具有以下特点：采用了干法刻蚀工艺，具有良好的加工精度；避免释放工艺，可以将内部结构密闭，隔绝外部环境对性能的影响；金属层厚度薄，避免了厚铜工艺引起的应力匹配问题；采用硅支撑梁，提供了较好的结构强度。因此，硅基MEMS微同轴工艺具有精度高、工艺简单，结构可靠的优点。