專利名稱：一種小型化微機(jī)械濾波器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微機(jī)械濾波器，特別涉及一種基于微機(jī)械制作工藝的小型化微機(jī)械濾波器。
背景技術(shù)：
隨著通信信息量的膨脹和整機(jī)系統(tǒng)的復(fù)雜化，整機(jī)系統(tǒng)對(duì)微波濾波器的小體積要求越來越迫切。傳統(tǒng)的腔體濾波器、介質(zhì)濾波器等濾波器體積過大，不能滿足系統(tǒng)的體積要求。低溫共燒陶瓷(LTCC)濾波器由于采用陶瓷燒結(jié)工藝，工藝一致性難以保證。微機(jī)械濾波器是近年來誕生的一種新型濾波器，它采用硅基片或石英基片作為基材，成功將微機(jī)械工藝和微波濾波器設(shè)計(jì)技術(shù)結(jié)合起來，除了具有微機(jī)械器件工藝精度高、 一致性好、體積小等優(yōu)點(diǎn)外，還具有帶寬大、損耗小、幅相一致性好等電性能優(yōu)點(diǎn)。文獻(xiàn)“Low-Loss Micromachined Filters for Millimeter-ffave CommunicationSystems，，，IEEE transactions on microwave theory and techniques, 1998,46 (12):2283-2288，介紹了一種微機(jī)械濾波器結(jié)構(gòu)，體積相對(duì)腔體濾波器大幅度減小。但該濾波器使用微米量級(jí)的介質(zhì)膜作為支撐層，這降低了基材的介電常數(shù)，使得器件的體積較大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的問題是提供一種具有高可靠性的小型化微機(jī)械濾波器。該濾波器為全密封結(jié)構(gòu)，將進(jìn)一步擴(kuò)大微機(jī)械濾波器的小型化優(yōu)勢(shì)，具有帶寬大、體積小、幅相一致性好、可批量生產(chǎn)等眾多優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明所提出的技術(shù)問題是這樣解決的
本發(fā)明提供的小型化微機(jī)械濾波器，包括疊加的上介質(zhì)層和下介質(zhì)層，所述上介質(zhì)層和下介質(zhì)層之間設(shè)置有帶抽頭信號(hào)線的交指電極的上介質(zhì)層下表面金屬電極層以及帶接地電極環(huán)的下介質(zhì)層上表面金屬電極層；所述與下介質(zhì)層上表面金屬電極層相接觸的下介質(zhì)層上表面設(shè)置有與接地電極環(huán)相匹配的空腔；所述上介質(zhì)層表面上方設(shè)置有上介質(zhì)層上表面金屬層，所述下介質(zhì)層表面下方設(shè)置有下介質(zhì)層下表面金屬層，所述上介質(zhì)層上還設(shè)置有與上介質(zhì)層下表面金屬電極層相配合的通孔，所述下介質(zhì)層上還設(shè)置有與下介質(zhì)層上表面金屬電極層相配合的通孔，所述上介質(zhì)層上表面金屬層的電極通過上介質(zhì)層通孔與上介質(zhì)層下表面金屬電極層的電極連接；所述下介質(zhì)層下表面金屬層的電極通過下介質(zhì)層通孔與下介質(zhì)層上表面金屬電極層的電極連接；所述下介質(zhì)層上表面金屬電極層的接地電極環(huán)與上介質(zhì)層下表面金屬電極層的接地電極環(huán)連接；所述上、下介質(zhì)層中的任一個(gè)介質(zhì)層表面設(shè)有輸入、輸出信號(hào)線。進(jìn)一步，所述上介質(zhì)層下表面金屬電極層、上介質(zhì)層上表面金屬層、下介質(zhì)層上表面金屬和下介質(zhì)層下表面金屬層采用微機(jī)械工藝制作。進(jìn)一步，所述上、下介質(zhì)層通孔內(nèi)壁制備有金屬層；所述空腔采用干法或濕法刻蝕工藝制備。
進(jìn)一步，所述上介質(zhì)層下表面金屬電極層為高電導(dǎo)率材料制作的交指型濾波器結(jié)構(gòu)，交指電極的根數(shù)可以根據(jù)濾波器指標(biāo)要求進(jìn)行調(diào)整，所述下介質(zhì)層上表面金屬電極層為接地電極環(huán)。進(jìn)一步，所述空腔位于下介質(zhì)層上表面的接地電極環(huán)中間，且腔體深度小于介質(zhì)層厚度，腔體側(cè)壁傾斜或垂直于介質(zhì)層表面。進(jìn)一步，所述輸入、輸出信號(hào)線設(shè)置于上、下介質(zhì)層厚度較薄的一個(gè)介質(zhì)層表面上，所述輸入、輸出信號(hào)線為微帶線或共面波導(dǎo)線。進(jìn)一步，所述輸入輸出信號(hào)線與上介質(zhì)層下表面金屬電極層設(shè)置的輸入輸出抽頭線通過上介質(zhì)層的通孔連接；所述上介質(zhì)層上表面的接地電極和上介質(zhì)層下表面金屬電極層接地電極通過上介質(zhì)層的通孔連接；下介質(zhì)層下表面的接地電極和下介質(zhì)層上表面接地電極通過下介質(zhì)層的通孔連接?！みM(jìn)一步，所述上、下介質(zhì)層為高阻硅介質(zhì)材料或石英介質(zhì)材料，所述上介質(zhì)層的厚度小于下介質(zhì)層厚度。本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)
I、本發(fā)明的微機(jī)械濾波器將微機(jī)械工藝技術(shù)同微波濾波器設(shè)計(jì)技術(shù)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)了微波濾波器的小型化，具有工藝精度高、一致性好、無需調(diào)試、可批量生產(chǎn)等特點(diǎn)。2、濾波器基于交指型帶狀線濾波器結(jié)構(gòu)，它的第二通帶中心在三倍中心頻率以上，高端帶外抑制好。3、濾波器下介質(zhì)層的接地電極環(huán)中間制備有空腔，可以減弱交指指條之間的耦合，有利于減小濾波器體積。4、采用TSV通孔技術(shù)，將上介質(zhì)層下表面交指電極抽頭信號(hào)線與介質(zhì)層表面信號(hào)輸入、輸出線連接起來，實(shí)現(xiàn)了濾波器的全密封結(jié)構(gòu)。5、上、下介質(zhì)層外表面為接地金屬層，可以有效屏蔽外部電磁環(huán)境對(duì)濾波器內(nèi)部電路的干擾。6、上介質(zhì)層厚度減薄后，可以減弱交指指條之間的耦合，將進(jìn)一步減小濾波器體積。7、采用晶圓鍵合技術(shù)和通孔技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了濾波器的晶圓級(jí)封裝，減小了封裝體積，提聞了封裝效率。本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)、目標(biāo)和特征在某種程度上將在隨后的說明書中進(jìn)行闡述，并且在某種程度上，基于對(duì)下文的考察研究對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將是顯而易見的，或者可以從本發(fā)明的實(shí)踐中得到教導(dǎo)。本發(fā)明的目標(biāo)和其它優(yōu)點(diǎn)可以通過下面的說明書以及附圖中所特別指出的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)和獲得。


圖I是小型化微機(jī)械濾波器的分層立體示意 圖2是小型化微機(jī)械濾波器的裝配立體示意 圖3是上介質(zhì)層各加工工序的實(shí)施例截面 圖4是下介質(zhì)層各加工工序的實(shí)施例截面 圖5是上介質(zhì)層和下介質(zhì)層鍵合后各加工工序的實(shí)施例截面圖。
具體實(shí)施例方式下面，將參照附圖，提供根據(jù)本發(fā)明的較佳實(shí)施例，對(duì)小型化微機(jī)械濾波器作進(jìn)一步描述
圖I是小型化微機(jī)械濾波器的分層立體示意圖，本發(fā)明所指的上下方向是根據(jù)上介質(zhì)層、下介質(zhì)層按附圖所示的豎直方向重疊的方向?yàn)闇?zhǔn)，其中，fl為上介質(zhì)層上表面金屬層，f2為上介質(zhì)層，f3為上介質(zhì)層下表面金屬電極層，f4為下介質(zhì)層上表面金屬電極層，f5為下介質(zhì)層，f6為下介質(zhì)層下表面金屬層，1、8為輸入、輸出信號(hào)線，2、9為上介質(zhì)層上表面金屬層輸入、輸出信號(hào)線與上介質(zhì)層下表面金屬電極層抽頭信號(hào)線的通孔連接電極，3為上介質(zhì)層上表面金屬層接地電極，4、5、6、7、10、11、12為上介質(zhì)層上表面金屬層接地電極與上介質(zhì)層下表面金屬電極層接地電極的通孔連接電極，13、14、15、16、17、18、19、20、21為上介質(zhì)層通孔，22為上介質(zhì)層下表面金屬電極層接地電極，它還起到金屬共熔鍵合焊環(huán)的作用，23,31為上介質(zhì)層下表面金屬電極層交指電極抽頭信號(hào)線，24、25、26、27、28、29、30為上介·質(zhì)層下表面金屬電極層交指電極，交指電極的根數(shù)可以根據(jù)濾波器指標(biāo)要求進(jìn)行調(diào)整，32為下介質(zhì)層上表面金屬電極層的接地電極環(huán)，它還起到金屬共熔鍵合焊環(huán)的作用，33、34、35、36、38、39、40為下介質(zhì)層通孔，37為下介質(zhì)層空腔，41、42、43、44、45、46、47為下介質(zhì)層下表面金屬層接地電極與下介質(zhì)層上表面金屬電極層的通孔連接電極。本發(fā)明提供的小型化微機(jī)械濾波器，具體結(jié)構(gòu)如下
所述上介質(zhì)層和下介質(zhì)層之間設(shè)置有帶抽頭信號(hào)線的交指電極的上介質(zhì)層下表面金屬電極層和帶接地電極環(huán)的下介質(zhì)層上表面金屬電極層；所述與下介質(zhì)層上表面金屬電極層相接觸的下介質(zhì)層上表面設(shè)置有與接地電極環(huán)相匹配的空腔，腔體的側(cè)壁傾斜或垂直于介質(zhì)層表面。所述上介質(zhì)層表面上方設(shè)置有上介質(zhì)層上表面金屬層，所述下介質(zhì)層表面下方設(shè)置有下介質(zhì)層下表面金屬層，所述上介質(zhì)層上還設(shè)置有與上介質(zhì)層下表面金屬電極層相配合的通孔，所述下介質(zhì)層上還設(shè)置有與下介質(zhì)層上表面金屬電極層相配合的通孔，所述上介質(zhì)層上表面金屬層的電極通過通孔與上介質(zhì)層下表面金屬電極層的電極連接；所述下介質(zhì)層下表面金屬層的電極通過通孔與下介質(zhì)層上表面金屬電極層的電極連接；所述下介質(zhì)層上表面金屬電極層的接地電極環(huán)與上介質(zhì)層下表面金屬電極層的接地電極環(huán)連接；所述上、下介質(zhì)層中的任一個(gè)介質(zhì)層表面設(shè)有輸入、輸出信號(hào)線。所述上介質(zhì)層下表面金屬電極層、上介質(zhì)層上表面金屬層、下介質(zhì)層上表面金屬和下介質(zhì)層下表面金屬層采用微機(jī)械工藝制作。所述通孔內(nèi)壁制備有金屬層；所述空腔采用干法或濕法刻蝕工藝制備。所述上介質(zhì)層下表面金屬電極層為高電導(dǎo)率材料制作的交指型濾波器結(jié)構(gòu)，交指電極的根數(shù)可以根據(jù)濾波器指標(biāo)要求進(jìn)行調(diào)整，所述下介質(zhì)層上表面金屬電極層為接地電極環(huán)，它還起到金屬共熔鍵合焊環(huán)的作用。所述空腔位于下介質(zhì)層上表面的接地電極環(huán)中間且腔體深度小于介質(zhì)層厚度，腔體側(cè)壁傾斜或垂直于介質(zhì)層表面。所述輸入、輸出信號(hào)線設(shè)置于上、下介質(zhì)層厚度較薄的一個(gè)介質(zhì)層表面上，所述輸入、輸出信號(hào)線為微帶線或共面波導(dǎo)線。
所述輸入輸出信號(hào)線與上介質(zhì)層下表面金屬電極層設(shè)置的輸入輸出抽頭線通過上介質(zhì)層的通孔連接；所述上介質(zhì)層上表面的接地電極和上介質(zhì)層下表面金屬電極層接地電極通過上介質(zhì)層的通孔連接；下介質(zhì)層下表面的接地電極和下介質(zhì)層上表面接地電極通過下介質(zhì)層的通孔連接。所述上、下介質(zhì)層為高阻硅介質(zhì)材料或石英介質(zhì)材料。也可以使介質(zhì)層或全部為高阻硅介質(zhì)材料，或全部為石英介質(zhì)材料，或部分介質(zhì)層為高阻硅介質(zhì)材料、其余為石英介質(zhì)層材料。上、下介質(zhì)層厚度不一致，上介質(zhì)層厚度較薄。將圖1中€1、€233、€4、€5、€6裝配起來，效果如圖2所示。由虛線AA得到的上介質(zhì)層和下介質(zhì)層截面圖如圖3B、4C所示。在該實(shí)施例中，小型化微機(jī)械濾波器的制作分為3大部分，包括上介質(zhì)層、下介質(zhì)層的制備和上、下介質(zhì)層鍵合后的相關(guān)制備工藝。介質(zhì)層材料選擇為高阻娃，厚度400 ii m ；電極材料為金。 上介質(zhì)層的加工工序如圖3所示。在采用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體硅晶圓清洗工藝完成硅晶圓清洗后，使用LPCVD工藝在硅晶圓上下表面生長(zhǎng)一層氮化硅薄膜48，薄膜厚度在IOOnm-IOOOnm之間，如圖3A所示。然后，采用剝離、電鍍工藝在硅晶圓的一個(gè)表面上制備濾波器交指電極49，50為交指電極中間無金屬區(qū)域，厚度為Iym-IOiim范圍，如圖3B所示。下介質(zhì)層的加工工序如圖4所示。在采用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體硅晶圓清洗工藝完成硅晶圓清洗后，使用LPCVD工藝在硅晶圓上下表面生長(zhǎng)一層氮化硅薄膜51，薄膜厚度在IOOnm-IOOOnm之間，如圖4A所示。然后，采用剝離、電鍍工藝在硅晶圓的一個(gè)表面上制備接地電極環(huán)52，53為晶圓表面無金屬區(qū)域，電極厚度為Iiim-IOiim范圍，如圖4B所示。最后采用DRIE工藝刻蝕掉接地電極環(huán)之間的氮化硅54，然后刻蝕硅，形成空腔55，腔體深度為20 um -200iim之間，如圖3C所示。完成上介質(zhì)層和下介質(zhì)層的加工后，采用金屬共熔晶圓鍵合的方法完成上下介質(zhì)層的鍵合，鍵合后，金屬層49、52共熔在一起,如圖5A所不。上、下介質(zhì)層鍵合后濾波器的制備工藝如圖5所示。采用晶圓拋光工藝將鍵合后的晶圓上介質(zhì)層拋光減薄，將其厚度減薄至50iim-250iim。然后，在鍵合晶圓上表面采用PECVD方法沉積一層氮化硅薄膜，厚度為IOOnm-IOOOnm之間，光刻出通孔圖形后，使用RIE方法刻蝕掉通孔處氮化硅薄膜，然后采用ICP刻蝕方法，在鍵合晶圓上表面刻蝕出通孔56、57、58，其中57為接地通孔，56、58為信號(hào)線通孔。采用RIE方法刻蝕掉通孔內(nèi)上介質(zhì)層下表面的氮化硅薄膜。工藝完成后，效果如圖5B所示。在鍵合晶圓下表面光刻出通孔圖形，使用RIE方法刻蝕掉通孔處氮化硅薄膜，然后ICP刻蝕方法，在鍵合晶圓下表面刻蝕出接地通孔59。采用RIE方法刻蝕掉通孔內(nèi)下介質(zhì)層上表面的氮化硅薄膜。工藝完成后，效果如圖5C所示。采用濺射或蒸發(fā)、電鍍方法在鍵合晶圓下表面沉積一層接地金屬電極63，厚度為1-10 V- m范圍，金屬電極會(huì)覆蓋鍵合晶圓下表面和下表面通孔,其中62為通孔內(nèi)電極,它將鍵合晶圓下表面接地電極與鍵合晶圓中間金屬接地電極連接起來。在鍵合晶圓上表面光刻出輸入、輸出引出線和地線電極圖形，然后采用剝離、濺射或蒸發(fā)、電鍍方法制備輸入、輸出引出線和地線電極層61，厚度為I-IOym范圍，其中60為通孔電極，它將鍵合晶圓上表面接地電極與鍵合晶圓中間金屬接地電極，鍵合晶圓上表面輸入、輸出信號(hào)線電極與鍵合晶圓中間金屬抽頭線電極連接起來。上述工藝完成后，采用劃片工藝將微機(jī)械濾波器晶圓劃切成濾波器芯片，便完成了小型化微機(jī)械濾波器芯片的制作，效果如圖所示。以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，并不用于限制本發(fā)明，顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種改動(dòng)和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動(dòng)和變型在內(nèi)。·
權(quán)利要求
1.一種小型化微機(jī)械濾波器，包括疊加的上介質(zhì)層和下介質(zhì)層，其特征在于所述上介質(zhì)層和下介質(zhì)層之間設(shè)置有帶抽頭信號(hào)線的交指電極的上介質(zhì)層下表面金屬電極層以及帶接地電極環(huán)的下介質(zhì)層上表面金屬電極層；所述與下介質(zhì)層上表面金屬電極層相接觸的下介質(zhì)層上表面設(shè)置有與接地電極環(huán)相匹配的空腔；所述上介質(zhì)層表面上方設(shè)置有上介質(zhì)層上表面金屬層，所述下介質(zhì)層表面下方設(shè)置有下介質(zhì)層下表面金屬層，所述上介質(zhì)層上還設(shè)置有與上介質(zhì)層下表面金屬電極層相配合的通孔，所述下介質(zhì)層上還設(shè)置有與下介質(zhì)層上表面金屬電極層相配合的通孔，所述上介質(zhì)層上表面金屬層的電極通過上介質(zhì)層通孔與上介質(zhì)層下表面金屬電極層的電極連接；所述下介質(zhì)層下表面金屬層的電極通過下介質(zhì)層通孔與下介質(zhì)層上表面金屬電極層的電極連接；所述下介質(zhì)層上表面金屬電極層的接地電極環(huán)與上介質(zhì)層下表面金屬電極層的接地電極環(huán)連接；所述上、下介質(zhì)層中的任一個(gè)介質(zhì)層表面設(shè)有輸入、輸出信號(hào)線。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的小型化微機(jī)械濾波器，其特征在于所述上介質(zhì)層下表面金屬電極層、上介質(zhì)層上表面金屬層、下介質(zhì)層上表面金屬和下介質(zhì)層下表面金屬層采用微機(jī)械工藝制作。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的小型化微機(jī)械濾波器，其特征在于所述上、下介質(zhì)層通孔內(nèi)壁制備有金屬層；所述空腔采用干法或濕法刻蝕工藝制備。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的小型化微機(jī)械濾波器，其特征在于所述上介質(zhì)層下表面金屬電極層為高電導(dǎo)率材料制作的交指型濾波器結(jié)構(gòu)，交指電極的根數(shù)可以根據(jù)濾波器指標(biāo)要求進(jìn)行調(diào)整，所述下介質(zhì)層上表面金屬電極層為接地電極環(huán)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的小型化微機(jī)械濾波器，其特征在于所述空腔位于下介質(zhì)層上表面的接地電極環(huán)中間，且腔體深度小于介質(zhì)層厚度，腔體側(cè)壁傾斜或垂直于介質(zhì)層表面。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的小型化微機(jī)械濾波器，其特征在于所述輸入、輸出信號(hào)線設(shè)置于上、下介質(zhì)層厚度較薄的一個(gè)介質(zhì)層表面上，所述輸入、輸出信號(hào)線為微帶線或共面波導(dǎo)線。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的小型化微機(jī)械濾波器，其特征在于所述輸入輸出信號(hào)線與上介質(zhì)層下表面金屬電極層設(shè)置的輸入輸出抽頭線通過上介質(zhì)層的通孔連接；所述上介質(zhì)層上表面的接地電極和上介質(zhì)層下表面金屬電極層接地電極通過上介質(zhì)層的通孔連接；下介質(zhì)層下表面的接地電極和下介質(zhì)層上表面接地電極通過下介質(zhì)層的通孔連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的小型化微機(jī)械濾波器，其特征在于所述上、下介質(zhì)層為高阻硅介質(zhì)材料或石英介質(zhì)材料；所述上介質(zhì)層的厚度小于下介質(zhì)層厚度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種小型化微機(jī)械濾波器。該濾波器基于微機(jī)械工藝制作，由上、下兩層介質(zhì)材料疊加而成；上介質(zhì)層下表面有交指型金屬電極層；下介質(zhì)層上表面有接地鍵合焊環(huán)，焊環(huán)之間有采用刻蝕工藝制備的空腔；上、下介質(zhì)層上均設(shè)有通孔，通孔內(nèi)壁有金屬層；上、下介質(zhì)層表面有表面電極層，其中，上介質(zhì)層表面設(shè)有輸入、輸出引出線。該濾波器可以滿足微波濾波器工作頻率高、帶寬大、損耗小等指標(biāo)要求，具有體積小、全密封、可靠性高的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01P1/203GK102790248SQ201210322898
公開日2012年11月21日 申請(qǐng)日期2012年9月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月4日
發(fā)明者曹家強(qiáng), 杜波, 楊靖, 江洪敏, 蔣欣, 馬晉毅 申請(qǐng)人:中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十六研究所