一種薄膜石英探針的設(shè)計(jì)與加工制造方法

趙 飛，王 斌，黨元蘭

（中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

一種薄膜石英探針的設(shè)計(jì)與加工制造方法

趙 飛，王 斌，黨元蘭

（中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

為滿足微波電路中低損耗的使用要求，基于石英基板設(shè)計(jì)了一款Ka頻段石英基板微帶探針，應(yīng)用波導(dǎo)來進(jìn)行能量傳輸。分析了該款探針作為波導(dǎo)與微帶結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換的電路設(shè)計(jì)原理及工藝設(shè)計(jì)方案。在明確設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和工藝方案的基礎(chǔ)上，通過實(shí)現(xiàn)雙面精準(zhǔn)對(duì)位、改善膜層附著力、改善光刻條件和確保切割質(zhì)量等方面對(duì)石英探針的加工制造進(jìn)行控制。通過對(duì)探針實(shí)物的測試，測試結(jié)果滿足使用要求，具有良好的應(yīng)用前景。

石英微帶探針；仿真；對(duì)位；附著力；光刻；切割

0 引言

在微波特別是毫米波電路系統(tǒng)中，為了方便集成更多的微波單片多采用微帶線來進(jìn)行能量傳輸。但是在很多場合，為了減小電路的損耗又需要應(yīng)用波導(dǎo)來進(jìn)行能量傳輸，因此合適的波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)成為了微波電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一［1］。微帶探針型波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換是一種廣泛應(yīng)用的轉(zhuǎn)換形式，與其他類型轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)相比，具有可精確設(shè)計(jì)和易于裝配的優(yōu)點(diǎn)。

石英作為一種剛性基板材料具有較好的加工一致性，在混頻器［2］和天線陣列［3］中已獲得應(yīng)用?；诒∧ぜ夹g(shù)［4］的電路加工是微波電路中的重要基礎(chǔ)工藝技術(shù)之一，采用該項(xiàng)技術(shù)在石英基板上加工波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)鮮有報(bào)道。

本文提出了一種基于石英基板的微帶探針模型，通過仿真軟件分析優(yōu)化電路設(shè)計(jì)，并在工藝加工中解決了關(guān)鍵問題，研制出了一款Ka頻段石英基板微帶探針應(yīng)用于波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換。

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 電路設(shè)計(jì)

在電路設(shè)計(jì)中，考慮到波導(dǎo)傳輸損耗低，且微帶方便模塊小型化設(shè)計(jì)，毫米波系統(tǒng)中為了兼顧兩者的優(yōu)點(diǎn)多用到波導(dǎo)微帶過渡［5］。這些過渡結(jié)構(gòu)一般得滿足以下要求：①傳輸損耗小、駐波好并且具有足夠的頻帶寬度；②易于加工、便于工程實(shí)現(xiàn)、裝備容易、具有良好的一致性。

波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換的常用方法主要有：鰭線轉(zhuǎn)換、脊波導(dǎo)轉(zhuǎn)換、微帶探針轉(zhuǎn)換和同軸探針轉(zhuǎn)換等。比較幾種方式可知特點(diǎn)為：鰭線過渡加工和安裝方便，插損小、體積大、易產(chǎn)生諧振效應(yīng)，不易實(shí)現(xiàn)寬帶過渡；脊波導(dǎo)轉(zhuǎn)換性能良好，需要精密機(jī)械加工、體積大；微帶探針轉(zhuǎn)換的插入損耗小、帶寬寬、結(jié)構(gòu)緊湊、加工方便、裝卸容易、不需調(diào)整；同軸線探針轉(zhuǎn)換的插入損耗小、帶寬好、結(jié)構(gòu)緊湊、加工方便、一致性較差、一般需要調(diào)整。綜合上述特點(diǎn)，設(shè)計(jì)中選用微帶探針轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。

微帶探針型轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)是從同軸探針發(fā)展而來，通過一段耦合微帶探針把波導(dǎo)中的電場耦合到微帶中，然后用一段高感抗線抵消其電容效應(yīng)實(shí)現(xiàn)探針與微帶線阻抗匹配［6，7］。該轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)在工程中已有應(yīng)用報(bào)道［8－11］。矩形波導(dǎo)中距轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)λ/4的短路活塞保證探針在波導(dǎo)中處于電場最強(qiáng)的位置，介質(zhì)基片穿過矩形波導(dǎo)安裝來提供一個(gè)波導(dǎo)窗并保證基片定位。微帶探針結(jié)構(gòu)又分為2種形式：基片表面與波導(dǎo)中波傳播方向垂直以及基片表面與波導(dǎo)中波傳播方向平行。這2種結(jié)構(gòu)分析方法相同，本文僅討論后者，結(jié)構(gòu)如圖1所示［12］。

圖1 微帶探針型波導(dǎo)微帶過渡結(jié)構(gòu)示意

探針遵循的電磁場理論分析如下［12］，其輸入阻抗是探針長度、寬度、過渡結(jié)構(gòu)距終端短路面距離以及頻率的函數(shù)。這些參量的合理選擇可保證此結(jié)構(gòu)在較寬的頻率范圍內(nèi)有較小的插入損耗。微帶線插入波導(dǎo)形成電探針，任一個(gè)沿探針方向具有非零電場的波導(dǎo)模將在探針上激勵(lì)起電流。由互易定理可知，當(dāng)微帶線上準(zhǔn)TEM模向波導(dǎo)入射時(shí)產(chǎn)生的探針電流也將激勵(lì)起同樣的波導(dǎo)模。為使微帶探針激勵(lì)起的波導(dǎo)模與矩形波導(dǎo)中主模TE10模耦合最緊，探針應(yīng)從波導(dǎo)寬邊中心插入，置于TE10模電場最大位置。探針附近被激勵(lì)起的高次模使接頭具有電抗性質(zhì)。短路活塞提供一個(gè)可調(diào)電抗用于抵消探針電抗。確定微帶探針?biāo)?lì)起高次模的幅度和算出儲(chǔ)藏在這些非傳播模的純電抗分量，可以計(jì)算出探針的電抗。由于探針末端的電流必須為零，對(duì)于探針來說，假設(shè)其電流按正弦波分布且假定探針電流為無限細(xì)線電流，其表述如式（1）所示，d為探針插入的深度。

微帶的輸入阻抗如式（2）所示。式中，P為輻射到波導(dǎo)中的功率；Wm－We是由高次模激勵(lì)并存儲(chǔ)在探針附近的無功功率。

探針的輻射電阻如式（3）所示：

工程應(yīng)用中可以結(jié)合這些理論利用HFSS進(jìn)行仿真。HFSS是基于有限元法的電磁仿真軟件，可以直接方便地求出電路的S參數(shù)。為了便于對(duì)這種過渡結(jié)構(gòu)的性能進(jìn)行測試，特意制作了背靠背的過渡結(jié)構(gòu)，其實(shí)物圖如圖2所示。

圖2 實(shí)際制作的波導(dǎo)微帶過渡結(jié)構(gòu)

1.2 工藝設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的過渡結(jié)構(gòu)多采用軟基板加工，該結(jié)構(gòu)中選擇石英作為該過渡結(jié)構(gòu)的基底是由于它具有眾多突出優(yōu)點(diǎn)，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①損耗因子低，約為0.000 1，相對(duì)于采用同樣加工工藝的其他介質(zhì)基板而言，其電路測試損耗較低，因此石英在一些對(duì)損耗要求較高的應(yīng)用領(lǐng)域具有很大的優(yōu)勢；②頻率的增加使得電路中的線寬逐漸減小，為確保加工的可控性、降低加工難度，需要選擇介電常數(shù)低的材料，石英的介電常數(shù)為3.8，在高頻電路中具有較寬的線條，其加工精度容易得到保證，因此石英基片在對(duì)精度要求較高的毫米波頻段電路中具有應(yīng)用前景；③有些電路如功率合成器等對(duì)電路的一致性要求較高，石英基板屬于硬質(zhì)基板，其電路相對(duì)于軟基板電路而言具有更好的一致性。因此，在微波、毫米波電路向高頻率、低損耗等方向發(fā)展的需求下，石英顯現(xiàn)出了不可替代的優(yōu)勢。

在基板材料選定的基礎(chǔ)上，對(duì)加工制造流程進(jìn)行規(guī)劃，其主要工序包括：基片清洗→濺射TiW、Au→激光加工對(duì)位標(biāo)記→雙面光刻→等離子去膠→堅(jiān)膜→等離子清洗→電鍍金→去膠→二次光刻→等離子去膠→堅(jiān)膜→刻蝕Au以及TiW→去膠→劃片→檢驗(yàn)，流程如圖3所示。

圖3 石英探針加工流程

2 需要解決的問題

為獲取性能滿足要求的石英探針，難度集中在加工制造方面。歸結(jié)起來包括：雙面對(duì)位精度差的問題、膜層附著力差的問題、光刻問題和劃切崩邊問題等。

2.1 雙面對(duì)位精度差的問題

石英探針為雙面圖形結(jié)構(gòu)，加工中有雙面光刻圖形的要求，因此對(duì)正面、背面圖形對(duì)位精度要求較高。由于受條件的限制，沒有可以顯現(xiàn)高精度、自動(dòng)雙面圖形加工的雙面曝光機(jī)，因此，為獲得雙面對(duì)位精度高的圖形需要另辟蹊徑。

2.2 膜層附著力差的問題

在加工過程中，石英基板上的薄膜通過磁控濺射的方法獲得。但是由于石英表面粗糙度較低，約為2 nm左右，因此膜層對(duì)基片的附著力會(huì)下降，如何解決金屬膜層在石英上的附著能力也是需要解決的難題之一。

2.3 光刻的問題

光刻是實(shí)現(xiàn)圖形化的必要手段，是薄膜加工中的關(guān)鍵技術(shù)之一，特別是在石英基片的薄膜加工中。由于石英產(chǎn)品部分需要雙面對(duì)位，因此雙面光刻參數(shù)的摸索是加工中的關(guān)鍵。另外，由于石英基片本身的屬性使得光刻膠在上面的附著性會(huì)比較差，因此如何避免光刻中掉膠現(xiàn)象的發(fā)生也非常重要。

2.4 劃切崩邊的問題

石英基片是一種硬脆材料，在切割過程中非常容易產(chǎn)生崩邊、崩角等情況。如何選擇合適的切割方式獲得盡量小的崩邊尺寸是加工中需要控制的關(guān)鍵。

3 關(guān)鍵技術(shù)

結(jié)合上述提出的問題，在加工中需要解決的關(guān)鍵技術(shù)包括：為實(shí)現(xiàn)雙面圖形的精準(zhǔn)對(duì)位，需要突破雙面對(duì)位標(biāo)記的加工；為解決石英表面粗糙度低，膜層附著不牢的問題，需要采用特定方式提高膜層附著力；為實(shí)現(xiàn)雙面圖形化，解決掉膠等問題，需要改善光刻條件；為使易碎、易崩邊的石英最終成型狀態(tài)良好，需要確保切割質(zhì)量。

3.1 實(shí)現(xiàn)雙面圖形精準(zhǔn)對(duì)位

由于設(shè)備條件的限制，為解決這個(gè)難題，采用激光加工標(biāo)記的方法在正背面加工出對(duì)位圖形，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)對(duì)位。

激光是基板任意形狀加工的一種有力手段，采用激光在基片上正面和背面打上同心的標(biāo)記是雙面圖形加工中的關(guān)鍵工序。通過在有效區(qū)域外加工對(duì)位標(biāo)記，可以使正面、背面圖形實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)對(duì)位。

3.2 提高膜層附著力

膜層附著力可以通過對(duì)基板加熱、在濺射層中引入過渡層等方式得到改善。

財(cái)政預(yù)算不僅需要具備很強(qiáng)的專業(yè)性，同時(shí)需要有一定的技術(shù)性和政策性內(nèi)容。目前，大多數(shù)地方都是從八九月開始編制財(cái)政預(yù)算，在第二年的3月份進(jìn)行公示，這中間大約包含7～8個(gè)月的制作時(shí)間，但不是所有的時(shí)間都在編制。因?yàn)檫@個(gè)過程當(dāng)中還包含審批時(shí)間，去掉審批時(shí)間，編制的實(shí)際時(shí)間大約在4～5個(gè)月。這導(dǎo)致政府財(cái)政預(yù)算的編制時(shí)間不足，無法搜集更完整的資料，無法深入地論證預(yù)算環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)分析與預(yù)測缺少合理的參照，使預(yù)算的嚴(yán)謹(jǐn)性變低，內(nèi)容粗糙，收入預(yù)算與實(shí)際出現(xiàn)很大的差距。此外，因?yàn)闀r(shí)間不充足，精準(zhǔn)性也不高[1]。

通過加熱的方式可以改善膜層的附著力。在濺射過程中，可以邊加熱基片邊濺射，加熱濺射對(duì)附著力改善的物理機(jī)制表現(xiàn)為：首先，加熱可以使附著在石英基片上的粒子，如水分子、氣體分子等，在熱能作用下熱運(yùn)動(dòng)加劇而最終解吸附，從而使石英基片的界面暴露在等離子體空間中，膜層附著在基片上后與基片具有較好的結(jié)合力；其次，濺射產(chǎn)生的原子團(tuán)攜帶一定的能量，具有一定的溫度，在冷的基片上沉積時(shí)會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力，而通過基片加熱的方式，可以減小膜層沉積后會(huì)的應(yīng)力，提高膜層粒子間的聚集度。

通過引入過渡層的方式也可以改善膜層的附著力。由于不同基底材料和薄膜的界面各不相同，價(jià)鍵類型的差異導(dǎo)致物質(zhì)的親和能不同。親和能較高時(shí)，可以降低薄膜與襯底之間的結(jié)合壁壘，進(jìn)而提高薄膜的附著力。因此，通過在石英瓷片和Au導(dǎo)電層間增加TiW過渡層的方式改進(jìn)兩者間的結(jié)合力。

3.3 改善光刻條件

某些石英產(chǎn)品需要制作雙面圖形，雙面圖形的精度和對(duì)準(zhǔn)是光刻的關(guān)鍵。通過控制雙面光刻中的一些關(guān)鍵影響因素，如前烘溫度和時(shí)間、曝光時(shí)間和顯影時(shí)間等，可以獲取加工精度高、狀態(tài)較好的光刻圖形。

在處理掉膠問題方面，由于使用的光刻膠是疏水性的，因此為改善光刻膠在基片表面的附著性，必須將基片表面特性改為疏水性。其中最為直接的辦法是在勻膠前對(duì)基片進(jìn)行烘烤或加入增粘劑獲得良好的界面。由于石英基片采用濕法清洗，清洗后表面會(huì)有水氣殘留，為消除殘留物對(duì)光刻膠附著性的影響，可以通過一定溫度下的烘烤使水分子蒸發(fā)，改善光刻膠與石英的接觸界面。另外，一方面由于基片放置過程中會(huì)吸附羥基等轉(zhuǎn)變?yōu)橛H水性，另一方面由于石英表面較為光滑，光刻膠分子與基片表面的機(jī)械嚙合度較低，光刻膠溶液脫落，通過在石英表面涂覆一層增粘劑來改善光刻膠的附著能力也是常見的處理方法之一。將增粘劑涂覆到基片表面后，加熱反應(yīng)的生成物可以將襯底轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷?，從而使基片與光刻膠很好地結(jié)合到一起。

3.4 確保切割質(zhì)量

常用的基片劃切方式有機(jī)械切割和激光劃片2種方式，2種方式在石英切割方面都存在問題。機(jī)械切割的切割主軸在運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)給石英帶來很大的外加機(jī)械應(yīng)力，在應(yīng)力作用下石英會(huì)出現(xiàn)比較嚴(yán)重的崩邊，甚至裂紋。激光切割的問題在于激光在切割過程中產(chǎn)生大量的熱，材料表面存在相當(dāng)大的溫度梯度，這種熱應(yīng)力是導(dǎo)致激光切割過程中石英基片崩邊、裂紋等現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。通過一系列試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用機(jī)械劃切的方式、改變切割參數(shù)可以有效減小崩邊，崩邊尺寸可控制在10μm以下。

4 性能結(jié)果分析

電性能測試采用R＆S公司的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀R＆S ZVA50，其工作頻率為10 MHz～50 GHz。經(jīng)過測試，圖2所示過渡結(jié)構(gòu)的損耗如圖4中“▲”標(biāo)記所示。測試中修正了測試系統(tǒng)的損耗，得到的是濾波器本身的插損特性。所測得的插損在0.6 dB以內(nèi)，明顯優(yōu)于之前所用的其他廠家加工的石英探針的性能，如圖4中“■”所示。

圖4 石英探針測試結(jié)果

5 結(jié)束語

在充分分析波導(dǎo)與微帶結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換的電路設(shè)計(jì)原理基礎(chǔ)上，應(yīng)用波導(dǎo)能量傳輸理論，設(shè)計(jì)了一款Ka頻段石英基板微帶探針。立足于石英基材損耗因子低的特點(diǎn)，解決了光刻精度、膜層附著力、光刻條件和切割質(zhì)量等方面的問題，加工出了探針器件。通過對(duì)探針實(shí)物的測試，結(jié)果滿足使用要求。

通過對(duì)該款Ka頻段石英基板微波探針的設(shè)計(jì)、分析和加工，得到可以廣泛應(yīng)用于波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換的一種器件，并且在工程應(yīng)用中得到驗(yàn)證。該探針結(jié)構(gòu)具有良好的應(yīng)用前景，對(duì)高性能、小型化電路的設(shè)計(jì)和制造具有重要意義。

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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

趙飛，王斌，黨元蘭.一種薄膜石英探針的設(shè)計(jì)與加工制造方法［J］.無線電工程，2015，45（9）：37－40，44.

趙 飛女，（1983—），高級(jí)工程師。主要研究方向：微波/毫米波模塊微組裝工藝。

2015-06-11

中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所工藝基金資助項(xiàng)目（N1224009）。

黨元蘭女，（1962—），高級(jí)工程師。主要研究方向：微波/毫米波模塊微組裝工藝。