超寬帶矩形微同軸濾波器制備及性能分析

汪郁東，趙廣宏，陳春明，陳青松，谷勝明，許 進(jìn)

（1 北京遙測技術(shù)研究所 北京 100094 2 西北工業(yè)大學(xué)電子信息學(xué)院 西安 710029）

引 言

在信息化發(fā)展需求的推動下，現(xiàn)代雷達(dá)通信、高精度定位以及衛(wèi)星導(dǎo)航通信系統(tǒng)等都對高性能射頻微系統(tǒng)提出了更高的要求，同時超寬帶系統(tǒng)以其功耗小、安全性高、不易產(chǎn)生干擾和數(shù)據(jù)傳輸速率快等優(yōu)點成為近年研究熱點。在超寬帶射頻微系統(tǒng)中濾波器作為選頻和去噪的重要器件，在工作帶寬大、頻段高的基礎(chǔ)上，還需要滿足帶內(nèi)插損低、帶外抑制度高等條件。傳統(tǒng)的超寬帶濾波器在工作帶寬及使用頻段上都有所限制，不能適用于超寬帶射頻微系統(tǒng)的場合。

隨著三維工藝技術(shù)的發(fā)展，三維射頻器件的集成得到了進(jìn)一步的拓展。目前，三維集成工藝主要包括低溫共燒陶瓷LTCC（Low Temperature Co-fired Ceramic）及硅通孔TSV（Through Silicon Via）等，多采用微帶線、帶狀線、共面波導(dǎo)和介質(zhì)集成波導(dǎo)等平面?zhèn)鬏斁€形式，再利用陶瓷或硅基板等進(jìn)行多層圖案和層間互連結(jié)構(gòu)制備，從而得到具有寬帶特性的濾波器結(jié)構(gòu)。一方面，微帶線等開放式傳輸線在集成度較高時，線間耦合性較大；另一方面，基底介質(zhì)在高頻段時損耗越發(fā)明顯。因此，目前的傳統(tǒng)三維集成工藝難以實現(xiàn)毫米波乃至太赫茲頻段寬帶濾波器的高傳輸效率和功率容量，不能滿足射頻微系統(tǒng)對高性能超寬帶濾波器的要求。

近年來，在美國國防部先進(jìn)研究計劃局（DARPA）的支持下，以美國Nuvostronics 公司為首，并聯(lián)合科羅拉多大學(xué)博爾德分校等高校開展一種基于MEMS 工藝的全金屬結(jié)構(gòu)增材制造技術(shù)的研究——PolyStrata 工藝。PolyStrata 工藝通過多層光刻成形及金屬電鑄的MEMS 微加工工藝來實現(xiàn)集成的矩形微同軸傳輸線[1]，利用矩形微同軸傳輸線，可進(jìn)行各類寬帶無源器件與天線設(shè)計，并可作為射頻微系統(tǒng)的集成平臺。這種矩形同軸傳輸線優(yōu)勢在于[2,3]：50Ω 矩形同軸傳輸線在450GHz 高頻能提供單TEM 模式的傳輸；完全屏蔽的傳輸線意味著輻射損耗低，同時提供較高的共墻線間耦合度；避免了多層介質(zhì)材料引入的插入損耗和散熱問題。

矩形微同軸傳輸線的優(yōu)點在各類高性能寬帶無源器件與天線設(shè)計中也得到了良好的印證，為高性能毫米波及太赫茲系統(tǒng)的設(shè)計提供了可能?；赑olyStrata 工藝，目前國外實現(xiàn)了部分基于同軸傳輸線的微波毫米波器件三維片上集成，如功分器[4]、耦合器[5,6]、天線及天線陣列[7-9]、濾波器[10]等，并且已經(jīng)開展了射頻微系統(tǒng)的一體化集成。國內(nèi)對矩形微同軸傳輸線制備技術(shù)的研究起步較晚，目前已報道的文獻(xiàn)多為無源器件及天線的理論仿真研究，在工藝制備上還處于矩形微同軸傳輸線制備及測試階段[11-15]。本文基于現(xiàn)有工藝條件，設(shè)計并制備得到了10GHz～50GHz 超寬帶矩形微同軸濾波器樣件，并通過測試驗證了工藝制備的精度與高層器件堆疊的可行性，為高性能射頻微系統(tǒng)的集成奠定了基礎(chǔ)。

1 矩形微同軸濾波器結(jié)構(gòu)設(shè)計

矩形微同軸傳輸線在很寬的頻率范圍內(nèi)都具有低損耗特性，因此非常適用于設(shè)計低損耗寬帶微波無源器件。本文基于矩形微同軸傳輸線，對10GHz～50GHz 超寬帶帶通濾波器進(jìn)行了設(shè)計與制備。

圖1（a）所示為本文設(shè)計的10GHz～50GHz 超寬帶濾波器，主要包括多模諧振器內(nèi)導(dǎo)體部分、外導(dǎo)體以及介質(zhì)支撐結(jié)構(gòu)。去除外導(dǎo)體的多模諧振器內(nèi)導(dǎo)體部分如圖1（b）所示，其中包括深寬比超過5:1 的高深寬比狹縫結(jié)構(gòu)，大大增加了工藝制備的難度。通過優(yōu)化內(nèi)導(dǎo)體線寬、線高以及線間距，可獲得所需電學(xué)性能。外導(dǎo)體側(cè)壁上有用于內(nèi)部犧牲光刻膠剝離的周期排布釋放孔結(jié)構(gòu)，在保證光刻膠能夠充分釋放的前提下，釋放孔尺寸應(yīng)盡可能小。介質(zhì)支撐結(jié)構(gòu)在器件內(nèi)部也呈周期性排列，用來支撐并固定內(nèi)導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，設(shè)計在第五層進(jìn)行制備。仿真分析表明，排布合適的薄、窄介質(zhì)支撐結(jié)構(gòu)具有對內(nèi)導(dǎo)體的穩(wěn)定支撐作用，且不會影響阻抗特性。

圖1 10GHz～50GHz 超寬帶矩形微同軸濾波器模型Fig.1 10GHz～50GHz UWB rectangle micro-coaxial filter model

圖1（a）所示的矩形微同軸濾波器結(jié)構(gòu)外部整體尺寸為13.2mm×4.2mm×0.86mm。濾波器兩側(cè)端口由矩形微同軸線-GSG 過渡轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)組成，用于探針臺進(jìn)行測試，同時可通過金絲引線鍵合的方式與其他器件或芯片進(jìn)行互聯(lián)，集成混合電路或微系統(tǒng)。

利用ANSYS HFSS 軟件對圖1 所示模型進(jìn)行仿真，得到如圖2 所示結(jié)果：矩形微同軸濾波器在10GHz～50GHz工作帶寬內(nèi)回波損耗優(yōu)于18dB，插入損耗低于0.2dB；在5GHz 處帶外抑制達(dá)到42dB，在55GHz 處帶外抑制達(dá)到45dB。從仿真結(jié)果來看，所設(shè)計的基于矩形微同軸傳輸線10GHz～50GHz 超寬帶濾波器具有低損耗、高通帶選擇性、高帶外抑制等優(yōu)良特性。

圖2 超寬帶矩形微同軸濾波器仿真結(jié)果Fig.2 Simulation results of UWB rectangle micro-coaxial filter

2 矩形微同軸濾波器工藝流程及器件制備

2.1 工藝流程

矩形微同軸器件的加工工藝過程如圖3 所示。襯底一般使用半導(dǎo)體硅基底，在襯底表面建設(shè)一層技術(shù)種子層，選用光刻膠作為犧牲層，光刻制備得到圖形凹槽，在凹槽內(nèi)利用電化學(xué)沉積電鑄一定厚度的金屬銅，經(jīng)過平坦化后將表面粗糙的電鑄銅處理成表面光亮的平整結(jié)構(gòu)，同時控制金屬銅與光刻膠的高度差。內(nèi)導(dǎo)體的懸空狀態(tài)由涂覆的一層聚合物形成的橋梁結(jié)構(gòu)支撐。重復(fù)光刻-電鑄-平坦化工藝過程，完成多層堆疊后，去除犧牲層光刻膠，得到空氣介質(zhì)的金屬矩形微同軸傳輸線結(jié)構(gòu)。當(dāng)每層的圖形變化復(fù)雜時，多次重復(fù)光刻-電鑄-平坦化等重復(fù)性工藝次數(shù)得到十層同軸濾波器，圖形的線條精度及每層堆疊的層高精度均控制在微米量級內(nèi)，堆疊層數(shù)越高，精度控制越困難，工藝實現(xiàn)難度越大。

圖3 矩形微同軸器件制備流程Fig.3 Flow chart of preparation of rectangle micro-coaxial devices

2.2 器件制備

利用圖3 所示的加工流程方法，經(jīng)過試驗參數(shù)優(yōu)化通過光刻得到均勻性97%、厚度100μm 以上的光刻膠膜，其中膠膜陡直度達(dá)到88.5°，層間套刻誤差可控制在5μm 以內(nèi)。微電鑄后的電鑄銅結(jié)構(gòu)均勻性可達(dá)95%，且表面銅結(jié)晶細(xì)密、表面光亮。平坦化后的一層結(jié)構(gòu)厚度為100μm±5μm，其中金屬銅與光刻膠的高度差均值低于1μm。如圖4 所示，重復(fù)上述過程，經(jīng)過九次光刻-電鑄-平坦化過程及一次介質(zhì)支撐結(jié)構(gòu)光刻后完成十層濾波器樣件的制備。最終去除犧牲層光刻膠得到矩形微同軸濾波器實物如圖5（a）所示，局部放大圖如圖5（b）所示。

圖4 矩形微同軸濾波器制備工藝過程Fig.4 Fabrication process of rectangle micro-coaxial filter

圖5 矩形微同軸濾波器實物圖Fig.5 Photos of rectangle micro-coaxial filter

3 矩形微同軸濾波器結(jié)構(gòu)及性能分析

3.1 結(jié)構(gòu)分析

測量濾波器外部結(jié)構(gòu)尺寸，與設(shè)計值對比分析工藝誤差，如表1 所示，線寬誤差在4μm 范圍內(nèi)，器件厚度誤差在±7μm 范圍內(nèi)。

表1 外部尺寸測量Table 1 External dimension measurement

濾波器樣件內(nèi)部結(jié)構(gòu)不可視，使用計算機(jī)斷層成像技術(shù)CT（Computer Tomography）對矩形微同軸濾波器的內(nèi)部微細(xì)結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行測量，如圖6 所示，內(nèi)外導(dǎo)體及支撐結(jié)構(gòu)均完好，且各截面測量尺寸基本與設(shè)計尺寸一致。

圖6 矩形微同軸濾波器CT 掃描圖像Fig.6 CT scan image of rectangle micro-coaxial filter

3.2 性能測試分析

圖7 矩形微同軸濾波器樣件測試結(jié)果Fig.7 Test results of rectangle micro-coaxial filter samples

使用射頻探針臺與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試濾波器性能，如圖7 所示。在10GHz～45GHz 內(nèi)，實測插入損耗小于0.76dB，在27.7GHz 處測得最小插入損耗為0.44dB，在此頻率范圍內(nèi)回波損耗都優(yōu)于 14.3dB。在45GHz～50GHz內(nèi)，濾波器的損耗變大至1.2dB，測得47GHz頻率附近回波損耗惡化至11.4dB。此外，測得在5GHz 時帶外抑制達(dá)到41.8dB，55GHz 時帶外抑制為43.9dB。

濾波器樣件測試結(jié)果曲線與仿真結(jié)果基本吻合，表現(xiàn)出低損耗、高通帶、高帶外抑制等優(yōu)良特性，但在更高頻時的損耗與仿真結(jié)果存在差異。

微同軸濾波器的內(nèi)導(dǎo)體結(jié)構(gòu)為線寬50μm 的深寬比超過5:1 的高深寬比結(jié)構(gòu)，如圖1（b）所示，工藝實現(xiàn)難度較大。該部分50μm 尺寸的仿真結(jié)果顯示，在±2μm 的誤差范圍內(nèi)，回波損耗均優(yōu)于15dB，插入損耗小于0.8dB；誤差增大至±4μm 時，插入損耗增大至1dB。

分析造成高頻損耗差異的原因，主要包括以下兩點：

①在實際測試中，使用CT 掃描成像觀測到內(nèi)部結(jié)構(gòu)均完好，但測量精度有限，內(nèi)部50μm 線寬尺寸需通過犧牲層光刻膠去除后金屬銅的去除速率進(jìn)行評價，推測該部分線寬在49μm～53μm 之間，插入損耗與誤差仿真結(jié)果基本一致，但回波損耗有所增大。由于該部分50μm 線寬尺寸是由去銅速率分析得到，存在一定誤差，且制備過程中的工藝不確定性造成不同區(qū)域的線寬差值，尺寸誤差導(dǎo)致測試結(jié)果與仿真數(shù)據(jù)之間的差異。

②十層結(jié)構(gòu)制備完成后經(jīng)過犧牲材料的釋放，處理后的矩形微同軸濾波器樣件的內(nèi)外導(dǎo)體金屬銅表面粗糙度均變大，粗糙度直接影響樣件插入損耗，特別是毫米波頻段更為明顯[15]，如圖8 所示，在45GHz～50GHz 處的損耗與仿真結(jié)果相比有增大趨勢。后續(xù)將進(jìn)一步優(yōu)化工藝參數(shù)提高線寬精度，改善釋放過程造成金屬銅表面粗糙的問題，提升制備的濾波器性能。

圖8 矩形微同軸濾波器樣件損耗測試及仿真結(jié)果對比Fig.8 Result comparison of the simulated and measured loss of rectangle micro-coaxial filter samples

4 結(jié)束語

本文在矩形微同軸傳輸線的電路基礎(chǔ)上設(shè)計了10GHz～50GHz 超寬帶矩形微同軸濾波器模型，仿真結(jié)果顯示，在工作帶寬內(nèi)插入損耗低于0.8dB，回波損耗優(yōu)于17dB，帶外抑制達(dá)到45dB。通過PolyStrata 工藝的制備流程經(jīng)過九次光刻-電鑄-平坦化過程及一次介質(zhì)支撐結(jié)構(gòu)光刻后完成最小線寬50μm 的十層濾波器樣件的制備，測得制備的濾波器樣件性能與仿真曲線基本吻合，在40GHz 時插入損耗為0.6dB，回波損耗為21.6dB，在5GHz 和55GHz 時帶外抑制分別為41.8dB 和43.9dB。本文完成了基于PolyStrata 技術(shù)的多層復(fù)雜結(jié)構(gòu)堆疊，實現(xiàn)了10GHz～50GHz 的超寬帶矩形微同軸濾波器的加工及測試，經(jīng)過后續(xù)工藝優(yōu)化為實現(xiàn)小型化、寬頻帶、高頻段及低損耗的射頻前端微系統(tǒng)的高度集成打下了基礎(chǔ)。