專(zhuān)利名稱(chēng)：一種基于MEMS工藝THz波段EMXT腔體濾波器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于MEMS工藝THz波段EMXT腔體濾波器，適用于太赫茲波段，屬于太赫茲技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，太赫茲技術(shù)發(fā)展越來(lái)越快，應(yīng)用也越來(lái)越廣。太赫茲波在頻段上介于微波與紅外之間，屬于電子學(xué)與光子學(xué)的交叉區(qū)域。太赫茲波具有瞬態(tài)性、相干性、帶寬寬、光子能量低、對(duì)非金屬非極性材料穿透性強(qiáng)等獨(dú)特性質(zhì)，因此，在成像、檢測(cè)、通信、射電天文等方面具有廣泛應(yīng)用前景。但是太赫茲波領(lǐng)域目前仍缺乏如濾波器、放大器等低成本的高性能器件。其中，濾波器是雷達(dá)、通信和成像系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件，傳統(tǒng)濾波器在太赫茲頻段的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)是一項(xiàng)重大的挑戰(zhàn)。在太赫茲技術(shù)中，光子晶體可以用來(lái)設(shè)計(jì)各種功能器件，光子晶體是指具有光子帶隙特性(Photonic BandGap,簡(jiǎn)稱(chēng)PBG)的人造周期性結(jié)構(gòu)的材料，具有光學(xué)禁帶和通帶。然而在太赫茲波段，電磁波波長(zhǎng)很短，無(wú)源器件絕對(duì)尺寸小，受限于材料特性和制備工藝，采用常規(guī)加工工藝已無(wú)法完全滿(mǎn)足復(fù)雜結(jié)構(gòu)或精細(xì)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)上述缺陷，解決了太赫茲波段濾波器，尤其是波導(dǎo)或腔體濾波器的插入損耗大以及加工制作困難的問(wèn)題，提供一種相對(duì)現(xiàn)有技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)緊湊、可批量生產(chǎn)、易于集成、成本低、體積小、基于MEMS工藝THz波段Electromagnetic Crystals (簡(jiǎn)稱(chēng)EMXT)腔體濾波器。本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。本發(fā)明的基于MEMS工藝THz波段EMXT腔體濾波器，包括上層硅圓片、下層硅圓片和主體部分；上層硅圓片有定位槽和盲文標(biāo)示；主體部分包括PBG結(jié)構(gòu)和波導(dǎo)腔，PBG結(jié)構(gòu)由娃柱組成，娃柱之間填充有空氣；PBG結(jié)構(gòu)位于波導(dǎo)腔的腔體內(nèi)；所述的娃柱的表面派射有金層，金層的厚度為200nm ；在PBG結(jié)構(gòu)中引入了線(xiàn)缺陷和點(diǎn)缺陷，線(xiàn)缺陷形成PBG波導(dǎo)，位于波導(dǎo)腔的腔體內(nèi)左右兩側(cè)，多個(gè)點(diǎn)缺陷形成中間三個(gè)諧振腔結(jié)構(gòu)；濾波器可外接WRl.9 (483 μ mX 241 μ m)或 WR2.2 (560 μ mX 280 μ m)標(biāo)準(zhǔn)金屬波導(dǎo)。濾波器中諧振腔結(jié)構(gòu)的大小通過(guò)缺陷結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和硅柱尺寸的改變來(lái)控制，調(diào)節(jié)諧振腔結(jié)構(gòu)的參數(shù)可以控制濾波器的中心頻率；濾波器中晶格常數(shù)a=120ym，硅柱直徑d=48 μ m,兩側(cè)PBG波導(dǎo)端口的寬度w=483 μ m, PBG波導(dǎo)9、10端口的高度為241 μ m ;中間諧振腔結(jié)構(gòu)的半徑為R=357 μ m，腔體的徑向間距al = 120 μ m ;濾波器采用上層硅圓片和下層硅圓片為材料進(jìn)行加工；上層硅圓片和下層硅圓片的基片厚度為400 μ m。有益效果
本發(fā)明中的濾波器采用體硅MEMS工藝中的電感耦合等離子體(ICP)刻蝕技術(shù)、表面加工工藝中的金濺射工藝和金-金熱壓鍵合技術(shù)相結(jié)合的工藝路線(xiàn)，采用的硅晶圓的基片厚度為400 μ m，綜合考慮金的趨膚深度、降低成本和提高加工精度，為了保證THz波高效傳輸，金表面厚度選在200nm左右。MEMS技術(shù)加工高精度高，可批量生產(chǎn)，加工的器件體積小便于集成，且硅的機(jī)械電氣性能優(yōu)良。本發(fā)明中的THz波段EMXT腔體濾波器由硅襯底材料通過(guò)體硅MEMS工藝中的電感耦合等離子體(ICP)刻蝕技術(shù)、表面加工工藝中的金濺射工藝和金-金熱壓鍵合技術(shù)相結(jié)合的工藝路線(xiàn)加工得到，采用的硅圓片的基片厚度為400 μ m。本發(fā)明中的EMXT腔體濾波器是太赫茲波段基于光子晶體結(jié)構(gòu)的帶通濾波器，工作的頻帶范圍在0.45THZ-0.55THz內(nèi)。該濾波器具備的功能是使規(guī)定頻帶的太赫茲波通過(guò)，使帶外的太赫茲波截止。光子晶體是指具有光子帶隙特性(Photonic Band Gap,簡(jiǎn)稱(chēng)PBG)的人造周期性結(jié)構(gòu)的材料，具有光學(xué)禁帶和通帶，可以用來(lái)設(shè)計(jì)各種功能器件。0.5THzEMXT腔體濾波器由PBG波導(dǎo)和3個(gè)諧振腔體組成，即引入線(xiàn)缺陷和點(diǎn)缺陷。PBG結(jié)構(gòu)采用的是濺射金層的硅柱，中間填充的部分為空氣。濾波器可外接WRl.9 (483 μ mX 241 μ m)或WR2.2(560ymX280ym)標(biāo)準(zhǔn)金屬波導(dǎo)，以便在測(cè)試時(shí)與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的頻率擴(kuò)展模塊連接。太赫茲波能量由標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)以TEltl模的形式饋入通過(guò)諧振腔體并傳導(dǎo)到另一端口的波導(dǎo)。硅柱2的介電常數(shù)為11.9，濺射金層的電導(dǎo)率為3.96X107S/m,晶格常數(shù)a=120 μ m,硅柱2直徑d=48 μ m。根據(jù)趨膚深度公式計(jì)算，在0.5THz附近，金的趨膚深度為11 lnm，綜合考慮金的趨膚深度、降低成本和提高加工精度，為了保證THz波高效傳輸，金表面厚度選在200nm左右。濺射金層的表面導(dǎo)電率引起的傳輸損耗可通過(guò)矩形波導(dǎo)中TE10模的衰減公式計(jì)算，以WRl.9標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)為例，在0.5THz傳輸TEltl模時(shí)衰減為0.0222dB/λ 0.5ΤΗζ。濺射金層的粗糙度引起的傳輸損耗，可通過(guò)等效電導(dǎo)率公式和TEltl模衰減公式得到。0.5THz EMXT腔體濾波器的3dB帶寬為0.482THz_0.516THz，通帶帶寬為7%，一倍帶寬外帶外抑制小于-20dB,帶內(nèi)插入損耗小于2dB。本發(fā)明在傳統(tǒng)微波濾波器的理論基礎(chǔ)上，結(jié)合國(guó)內(nèi)MEMS工藝實(shí)際和硅片的物理化學(xué)特性，提出一種新型基于PBG結(jié)構(gòu)的太赫茲EMXT腔體濾波器，采用體硅MEMS工藝實(shí)現(xiàn)實(shí)物加工且表面粗糙度滿(mǎn)足太赫茲頻段器件設(shè)計(jì)的需求。


圖1是濾波器的爆炸結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為主體部分的平面結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為濾波器的立體示意圖；圖4是基于PBG結(jié)構(gòu)的0.5THz EMXT腔體濾波器的不同腔體半徑時(shí)的S21參數(shù)幅值變化；圖5是基于PBG結(jié)構(gòu)的0.5THz EMXT腔體濾波器的不同晶格周期時(shí)的S21參數(shù)幅值變化；圖6是基于PBG結(jié)構(gòu)的0.5THz EMXT腔體濾波器的S11和S21參數(shù)的幅值；圖中:1-上層硅圓片、2-下層硅圓片、3-諧振腔結(jié)構(gòu)、4-波導(dǎo)腔、5-硅柱、6-主體部分、7-定位槽、8-盲文標(biāo)示、9-PBG波導(dǎo)、IO-PBG波導(dǎo)。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。實(shí)施例如圖1所示，基于MEMS工藝THz波段EMXT腔體濾波器，包括上層硅圓片1、下層硅圓片2和主體部分6 ;上層硅圓片I刻蝕有定位槽7和盲文標(biāo)示8 ;如圖2所示，主體部分6包括由PBG結(jié)構(gòu)和波導(dǎo)腔4，PBG結(jié)構(gòu)由硅柱5組成，硅柱5之間填充有空氣；PBG結(jié)構(gòu)位于波導(dǎo)腔4的腔體內(nèi)；所述的硅柱5的表面濺射有金層，金層的厚度為200nm ；如圖2所示，在PBG結(jié)構(gòu)中引入了線(xiàn)缺陷和點(diǎn)缺陷，線(xiàn)缺陷形成PBG波導(dǎo)9、10，位于波導(dǎo)腔4的腔體內(nèi)左右兩側(cè)，多個(gè)點(diǎn)缺陷形成中間三個(gè)諧振腔結(jié)構(gòu)3 ；濾波器可外接WRl.9 (483 μ mX 241 μ m)或 WR2.2 (560 μ mX 280 μ m)標(biāo)準(zhǔn)金屬波導(dǎo)。濾波器中諧振腔結(jié)構(gòu)3的大小通過(guò)缺陷結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和硅柱5尺寸的改變來(lái)控制，調(diào)節(jié)諧振腔結(jié)構(gòu)3的參數(shù)可以控制濾波器的中心頻率；濾波器中晶格常數(shù)a=120 μ m，硅柱5直徑d=48 μ m, PBG波導(dǎo)9、10端口的寬度w=483 μ m, PBG波導(dǎo)9、10端口的高度為241 μ m ;三個(gè)諧振腔結(jié)構(gòu)3的半徑均為R=357 μ m，三個(gè)諧振腔結(jié)構(gòu)3的徑向間距均為al=120 μ m ；濾波器采用上層硅圓片I和下層硅圓片2為材料進(jìn)行加工；上層硅圓片I和下層硅圓片2的基片厚度為400 μ m。結(jié)合圖1和圖3，濾波器在硅圓片上的具體加工流程如下:(A)選取一個(gè)雙面拋光<110>S0I下層硅圓片2，雙面熱生長(zhǎng)氧化層，光刻形成刻蝕的THz波段EMXT腔體濾波器圖形窗口。 (B) ICP干法深槽刻蝕，形成側(cè)壁垂直的硅槽，未刻蝕的部分為T(mén)Hz波段EMXT腔體濾波器PBG結(jié)構(gòu)中的硅柱。利用濕法腐蝕拋光刻蝕腔體，減少腔體的表面粗糙度。(C)利用濺射和電鍍工藝完成下層硅圓片2的硅槽側(cè)面、底部以及硅柱的金屬化，準(zhǔn)備鍵合。(D)選取另一個(gè)雙面拋光<110>S0I上層娃圓片I派射金層,使娃圓片表面金屬化。(E)對(duì)上層硅圓片I和下層硅圓片2進(jìn)行精確對(duì)位后，利用金-金熱壓鍵合技術(shù)，將兩個(gè)硅圓片鍵合在一起，并通過(guò)劃片得到每一個(gè)獨(dú)立的濾波器如圖3所示。由圖1可以看出，在器件的加工中，采用了多種方式保證工藝實(shí)現(xiàn)的可行性:為消除上、下兩個(gè)硅圓片金-金熱壓鍵合時(shí)對(duì)位誤差的影響，采用了一片腐蝕，另一片不腐蝕的組合，同時(shí)可減小四壁的粗糙度從而減小插損；金濺射工藝可以實(shí)現(xiàn)硅片表面的金屬化；金-金熱壓鍵合形成封閉的波導(dǎo)和腔體結(jié)構(gòu)；在上層硅片刻蝕出定位槽7，以配合器件的安裝；同樣在上層娃片刻蝕出盲文標(biāo)不8對(duì)娃圓片上的器件作區(qū)分,主體部分6的參數(shù)如表I所示:表I為0.5THz窄帶濾波器中主體部分6的參數(shù)
權(quán)利要求
1.基于MEMS工藝THz波段EMXT腔體濾波器，其特征在于:包括上層硅圓片、下層硅圓片和主體部分；上層硅圓片有定位槽和盲文標(biāo)示；主體部分包括PBG結(jié)構(gòu)和波導(dǎo)腔，PBG結(jié)構(gòu)由娃柱組成，娃柱之間填充有空氣；PBG結(jié)構(gòu)位于波導(dǎo)腔的腔體內(nèi)；所述的娃柱的表面派射有金層； 在PBG結(jié)構(gòu)中引入了線(xiàn)缺陷和點(diǎn)缺陷，線(xiàn)缺陷形成PBG波導(dǎo)，位于波導(dǎo)腔的腔體內(nèi)左右兩側(cè)，點(diǎn)缺陷形成中間三個(gè)諧振腔結(jié)構(gòu)； 濾波器采用上層硅圓片和下層硅圓片進(jìn)行加工。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于MEMS工藝THz波段EMXT腔體濾波器，其特征在于:硅柱的表面濺射的金層厚度為200nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于MEMS工藝THz波段EMXT腔體濾波器，其特征在于:PBG結(jié)構(gòu)中晶格常數(shù)a=120ym，硅柱直徑d = 48μπι，PBG波導(dǎo)端口的寬度w=483 μ m，PBG波導(dǎo)端口的高度為241 μ m;諧振腔結(jié)構(gòu)的半徑為R=357ym，腔體的徑向間距al = 120 μ m。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于MEMS工藝THz波段EMXT腔體濾波器，其特征在于:上娃圓片和下娃圓片的基片厚度為400 μ m。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于MEMS工藝THz波段EMXT腔體濾波器，適用于太赫茲波段，屬于太赫茲技術(shù)領(lǐng)域。包括上層硅圓片、下層硅圓片和主體部分；上層硅圓片有定位槽和盲文標(biāo)示；主體部分包括PBG結(jié)構(gòu)和波導(dǎo)腔，PBG結(jié)構(gòu)由硅柱組成，硅柱之間填充有空氣；PBG結(jié)構(gòu)位于波導(dǎo)腔的腔體內(nèi)；所述的硅柱的表面濺射有金層；在PBG結(jié)構(gòu)中引入了線(xiàn)缺陷和點(diǎn)缺陷，線(xiàn)缺陷形成PBG波導(dǎo)，位于波導(dǎo)腔的腔體內(nèi)左右兩側(cè)，點(diǎn)缺陷形成中間三個(gè)諧振腔結(jié)構(gòu)；濾波器采用上層硅圓片和下層硅圓片進(jìn)行加工。
文檔編號(hào)H01P1/208GK103107394SQ20121058043
公開(kāi)日2013年5月15日 申請(qǐng)日期2012年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月27日
發(fā)明者劉埇, 司黎明, 周凱, 鄭超, 盧宏達(dá), 朱思衡 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)