СВЧ фильтр на основе интегрированного в подложку волновода и способ его изготовления
MICROWAVE FILTER BASED ON WAVEGUIDE INTEGRATED INTO SUBSTRATE AND METHOD OF ITS MANUFACTURING

Предлагаемое изобретение относится к области микроэлектроники, а именно к технике сверхвысоких частот.
Известны СВЧ фильтры на основе интегрированного в подложку волновода, образованные цепочкой связанных резонаторов [N. Keltouma, F. Mohammed, A. Saghir. Design and characterization of tapered transition and inductive window filter based on Substrate Integrated Waveguide technology (SIW). International Journal of Computer Science Issues, Vol. 8, Issue 6, No 3, Nov. 2011. P. 135-138]. Согласно известному техническому решению СВЧ фильтры включают интегрированный в подложку волновод, образованный подложкой диэлектрика (стеклотекстолита FR4), двустороннюю металлизацию и сквозные металлизированные отверстия, соединяющие слои металлизации, ограничивающие резонансные объемы фильтра, входную и выходную линии передачи, сформированные с использованием стандартной технологии печатных плат.
К недостаткам известного технического решения относятся применение в качестве диэлектрика стеклотекстолита и стандартной технологии печатных плат, что приводит к пониженной точности изготовления, тогда как резонаторы фильтра требуют повышенной точности изготовления, возрастающей при повышении рабочей частоты. Кроме того, известное техническое решение не предусматривает мер для подавления паразитных полос пропускания фильтров.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является конструкция интегрированного в подложку волновода и фильтра на его основе, изложенная в [G.Pathak. Substrate Integrated Waveguide based RF MEMS Cavity Filter. International Journal of Recent Technology and Engineering (IJRTE).Vol.2.Iss.5. Nov. 2013. P. 46-49]. Согласно данному техническому решению резонаторы фильтра выполнены на основе интегрированного в подложку волновода, сформированного подложкой высокоомного кремния, двусторонней металлизацией и сквозными металлизированными отверстиями, соединяющими слои металлизации, ограничивающие резонансные объемы фильтра, входную и выходную линии передачи. Изготовление фильтра предусматривает формирование сквозных отверстий методом сухого травления по Бошу.
К недостаткам данного технического решения относится наличие паразитных высокодобротных резонансов, приводящих к появлению паразитных полос пропускания в полосовых фильтрах (см., например, патент на изобретение US 6 943 650, Freescale Semiconductor Inc., публикация 2005 г., Hong, Jia-Sheng. Microstrip filters for RF/microwave applications / Jia-Sheng Hong. – 2nd ed. p. 404).
В свою очередь предлагаемая группа изобретений представляет собой дальнейшее совершенствование объектов техники данного класса: предложены конструкция СВЧ фильтра, характеризующегося меньшими массогабаритными характеристиками и обеспечивающего подавление паразитных полос пропускания, а также способ изготовления СВЧ фильтра, характеризующийся повышенной технологичностью и возможностью использования методов микрообработки.
п
пар
кр
СВЧ фильтр на основе интегрированного в подложку волновода образован цепочкой связанных резонаторов. Конструкция СВЧ фильтра состоит из следующих составных частей: металлического основания, подложки на основе высокоомного монокристаллического кремния, интегрированного в подложку волновода, двусторонней металлизации, входной и выходной линий передачи. В подложке на основе высокоомного монокристаллического кремния с двусторонней металлизацией плоскостей выполнены сквозные металлизированные отверстия, электрически объединяющие металлизацию и задающие (определяющие) зоны объёмных резонаторов фильтра. Интегрированный в подложку волновод сформирован подложкой высокоомного кремния. Сквозные металлизированные отверстия по внешним сторонам фильтра образуют двумерную структуру, параметры которой выбираются из условия , в котором f – частота [Гц] в полосе пропускания фильтра, f – частота [Гц] в паразитных полосах пропускания, а f – частота [Гц] из соотношения , где a – шаг структуры [м], D – диаметр металлизированных отверстий [м], ε – относительная диэлектрическая проницаемость подложки, μ – относительная магнитная проницаемость подложки, c – скорость света в вакууме [м/с]. Размеры сквозного отверстия выбраны из соотношения где D – диаметр отверстия [м], Н – толщина подложки [м]. С внешней стороны двумерной структуры расположены слои поглощающего материала, выполненные, например, в виде подложек на основе легированного кремния толщиной Н с двусторонней металлизацией плоскостей, причем слои металлизации электрически соединены с соответствующими слоями металлизации собственно фильтра.
Способ изготовления СВЧ фильтра предусматривает формирование сквозных отверстий в подложке высокоомного кремния методом сухого травления, двустороннюю металлизацию, формирование микрополосковых входной и выходной линии передачи методами фотолитографии и монтаж полученного модуля после резки подложки на металлическое основание. Сухое травление проводят в три этапа. На первом этапе выполняют сухое травление изотропное с образованием фаски на границе «поверхность – отверстие» с размерами не более 0,3 диаметра отверстия. На втором этапе – сухое травление по Бошу с образованием отверстия ортогонального поверхностям подложки. На третьем этапе – сухое травление по Бошу с эффектом нотчинга с образованием фаски с противоположной стороны подложки с размерами не более 0,3 диаметра отверстия. Сухое травление по Бошу с эффектом нотчинга с образованием фаски с противоположной стороны подложки проводят последовательно с контролем под микроскопом либо дифракционным методом in situ.
Формирование сквозных отверстий выполняют через металлическую маску. После формирования сквозных отверстий металлическую маску удаляют методом селективного травления. На противоположной стороне относительно маски перед сухим травлением формируют по растворной технологии полимерное пленкообразующее покрытие толщиной не менее 3 мкм с модулем Юнга покрытия не менее 120 МПа. После формирования сквозных отверстий пленкообразующее покрытие также удаляют методом селективного травления. В качестве полимерного пленкообразующего покрытия используют полиимиды, кардовые полиимиды и/или полиэфиримиды, образующие после формирования сквозного отверстия свободную мембрану.
cт
п
Двустороннюю металлизацию формируют на основе тонкой пленки золота и слоистой структуры из, по меньшей мере, двух переходных металлов IV периода периодической системы химических элементов. Толщина гальванически осажденного слоя золота составляет не менее 2 мкм. Толщина слоистой структуры составляет не менее 2,5-3,5 мкм. Слоистую структуру формируют методом двустороннего магнетронного распыления и конденсации металлов в вакууме на поверхностях подложки и внутри отверстий. Толщина металлизации стенок отверстий, полученной методом двустороннего магнетронного распыления выбирается из соотношения , где h – толщина металлизации стенок отверстий [м], h – толщина металлизации поверхностей [м]. Двустороннюю металлизацию формируют на основе структуры титан – медь – золото, с возможным использованием подслоя никеля между слоями меди и золота. Также, возможно формирование двусторонней металлизации на основе структуры хром – медь – золото.
пр
пр.исх.
Si
2
При формировании входной и выходной линии передачи методами фотолитографии фоторезист наносят способом распыления. Фильтр монтируют на металлическое, например, коваровое основание методом вакуумной бесфлюсовой пайки или посадкой на токопроводящий клей, например, контактол. Толщина токопроводящего клея или припоя выбирается из соотношения  где h – толщина припоя или токопроводящего клея после монтажа [м], S – площадь фильтра [м], h – толщина припоя или токопроводящего клея до монтажа [м], D – диаметр отверстий [м], H – толщина кремниевой подложки [м], n – количество отверстий.
Предложенный СВЧ фильтр и способ его изготовления поясняются следующими изображениями:
фиг. 1 – пример ранее известной конструкции фильтра на основе интегрированного в подложку волновода (вид сверху);
фиг. 1-1 – частотная характеристика фильтра по фиг.1;
кр
фиг. 2 – зависимость критической частоты f периодической структуры от диаметра металлизированных отверстий D и шага структуры – a и аппроксимирующая ее прямая;
фиг. 3 – конструкция предлагаемого фильтра на основе интегрированного в подложку волновода с двумерной структурой (вид сверху);
фиг. 3-1 – частотная характеристика фильтра по фиг. 3;
фиг. 4 – вариант конструкции предлагаемого фильтра на основе интегрированного в подложку волновода с двумерной структурой (вид сверху);
фиг. 5 – вариант конструкции предлагаемого фильтра на основе интегрированного в подложку волновода с двумерной структурой (вид сверху);
фиг. 6 – вариант конструкции предлагаемого фильтра на основе интегрированного в подложку волновода со слоями поглощающего материала (вид сверху);
фиг. 7 – фотография заготовок СВЧ фильтров со сформированными сквозными отверстиями;
фиг. 8 – фотография подложки с заготовками СВЧ фильтров;
фиг. 9 – фотография СВЧ фильтра.
На фиг. 1 приведён пример конструкции трёхрезонаторного СВЧ фильтра на основе интегрированного в подложку волновода, сформированного подложкой высокоомного кремния. СВЧ фильтр включает двустороннюю металлизацию и сквозные металлизированные отверстия, соединяющие слои металлизации, ограничивающие резонансные объемы фильтра, входную и выходную линии передачи. Электрические характеристики данного фильтра подобны характеристикам фильтра на объемных резонаторах и содержат паразитные полосы пропускания. Частотная зависимость коэффициента передачи – K фильтра по фиг. 1 показана на фиг. 1-1, на частотах вблизи f=21 ГГц расположена рабочая полоса пропускания, на частотах выше 32 ГГц имеются паразитные полосы пропускания.
кр
кр
кр
Для того чтобы обеспечить подавление паразитных полос пропускания выполняют металлизированные отверстия по внешним сторонам фильтра в виде двумерной структуры, обеспечивающей распространение электромагнитных волн на частотах паразитных полос пропускания с затуханием на частотах рабочей полосы пропускания фильтра. Анализ периодической двумерной структуры металлизированных отверстий привёл к зависимости критической частоты периодической структуры f [Гц] от диаметра металлизированных отверстий D [м] и шага структуры – a [м], приведённой на фиг.2, где ε – относительная диэлектрическая проницаемость подложки, μ – относительная магнитная проницаемость подложки, c – скорость света в вакууме [м/с]. На частотах f≤f происходит затухание электромагнитных волн в периодической структуре, а на частотах f≥f – распространение.
кр
п
п
кр
пар
пар
кр
График прямой, аппроксимирующей зависимость критической частоты периодической структуры f [Гц] от диаметра металлизированных отверстий D [м] также приведён на фиг. 2. Приближённо данная зависимость выражается соотношением ∙ используя которую выбирают шаг металлизированных отверстий – a [м] и диаметр металлизированных отверстий – D [м] так, чтобы частоты в рабочей полосе пропускания фильтра f были f<f, а частоты паразитных полос пропускания f были f>f. В этом случае будет происходить затухание электромагнитных волн на частотах паразитных полос пропускания за счёт рассеяния в периодической структуре, в то время как на частотах рабочей полосы пропускания затухание из-за рассеяния на периодической структуре будет отсутствовать. На фиг. 3 приведён пример конструкции трёхрезонаторного фильтра при выборе . На фиг. 3-1 приведена частотная зависимость коэффициента передачи – К фильтра, рабочая полоса пропускания расположена на частотах вблизи f=20 ГГц. Сравнение зависимостей на фиг. 1-1 и фиг. 3-1 показывает, что у фильтра по фиг. 3 паразитные полосы пропускания подавлены.
Уменьшение соотношения D/a приведёт к расширению частотной области распространения, то есть к расширению области подавления паразитных полос пропускания. Следовательно, целесообразно уменьшать D/a и, соответственно, при заданном значении величины – a [м] уменьшать величину – D [м]. С другой стороны, увеличение толщины подложки – H [м] приводит к увеличению собственной добротности резонаторов СВЧ фильтра за счёт уменьшения вклада потерь в металле, поэтому целесообразно увеличивать значение толщины – H [м]. Одновременно, для улучшения электрических параметров выгодно уменьшать соотношение D/H, однако уменьшение соотношения D/H усложнит способ изготовления СВЧ фильтра. Основываясь на перечисленных выше выводах, принято, что размеры сквозного отверстия должны быть предпочтительно выбраны из соотношения , где D – диаметр [м], Н – толщина подложки [м].
Частотная характеристика фильтра в части увеличения подавления паразитных полос пропускания на требуемых частотах может быть скорректирована изменением геометрии двумерной структуры, а также введением слоев поглощающего материала с её внешних сторон. На фиг. 4 приведён вариант конструкции фильтра, в котором периодическая структура образована двумя рядами металлизированных отверстий. На фиг. 5 приведён вариант конструкции фильтра, в котором внешний ряд металлизированных отверстий имеет переменный шаг. На фиг. 6 приведён вариант конструкции СВЧ фильтра, в котором с внешних сторон структуры расположены слои поглощающего материала, выполненные в виде подложек на основе легированного кремния толщиной H [м] с двусторонней металлизацией плоскостей. Слои металлизации электрически соединены с соответствующими слоями металлизации собственно фильтра, обеспечивают поглощение электромагнитного поля, рассеянного на металлизированных отверстиях, и препятствуют появлению нежелательных отражений от внешних границ фильтра.
Изготовление СВЧ фильтра предложенной конструкции предусматривает формирование сквозных отверстий в подложке высокоомного кремния последовательным сухим травлением в три этапа. На первом этапе выполняют изотропное сухое травление с образованием фаски на границе «поверхность – отверстие» с размерами не более 0,3 диаметра отверстия. На втором этапе – сухое травление по Бошу с образованием отверстия, ортогонального поверхностям подложки. На третьем этапе – сухое травление по Бошу с эффектом нотчинга с образованием фаски с противоположной стороны подложки с размерами не более 0,3 диаметра отверстия. Сухое травление по Бошу с эффектом нотчинга с образованием фаски с противоположной стороны подложки проводят последовательно с контролем под микроскопом либо дифракционным методом in situ.
Сквозные отверстия формируют через контактную маску, например, маску алюминия. На противоположной стороне относительно маски перед сухим травлением формируют по растворной технологии полимерное плёнкообразующее покрытие толщиной не менее 3 мкм с модулем Юнга покрытия не менее 120 МПа. В качестве полимерного пленкообразующего покрытия используют полиимиды, кардовые полиимиды и/или полиэфиримиды, образующие после формирования сквозного отверстия свободную мембрану. Предложенная последовательность операций выбрана исходя из обеспечения наилучшей технологичности изготовления изделия.
cт
п
После формирования сквозных отверстий описанным выше образом выполняют двустороннюю металлизацию. Двустороннюю металлизацию формируют на основе тонкой пленки золота и слоистой структуры из, по меньшей мере, двух переходных металлов IV периода периодической системы химических элементов. Предложено формировать двустороннюю металлизацию на основе структуры титан – медь – золото. При этом, возможно использовать между слоями меди и золота подслой никеля. Возможно формирование двусторонней металлизации на основе структуры хром – медь – золото. Толщина слоистой структуры составит не менее 2,5-3,5 мкм при толщине гальванически осажденного слоя золота не менее 2 мкм. Слоистую структуру из двух и более металлов формируют методом двустороннего магнетронного распыления и конденсации металлов в вакууме на поверхностях подложки и внутри отверстий. Итоговую толщину металлизации стенок отверстий, полученную методом двустороннего магнетронного распыления выбирают из соотношения , где h – толщина металлизации стенок отверстий [м], h – толщина металлизации поверхностей [м]. Предложенная последовательность операций, также, выбрана исходя из обеспечения наилучшей технологичности изготовления изделия.
Далее методами фотолитографии – нанесением фоторезиста распылением (спреевое нанесение) формируют микрополосковые входную и выходную линии передачи. Излишки фоторезиста удаляют с обратной стороны подложки химико-механической обработкой. После формирования микрополосковых линий передачи методом селективного травления (например, в травителе алюминия) удаляют контактную металлическую маску и плёнкообразующее покрытие.
После резки подложки выполняют монтаж СВЧ фильтра на металлическое основание. Фильтр монтируют, по преимуществу, на коваровое основание методом вакуумной бесфлюсовой пайки или посадкой на токопроводящий клей (контактол). При этом, толщину контактола или припоя выбирают из оптимального соотношения , где hпр – толщина припоя или токопроводящего клея после монтажа [м], S – площадь кремниевого фильтра [м2], hпр.исх. – hпр.исх. – толщина припоя или токопроводящего клея до монтажа [м], D – диаметр отверстий [м], HSi – толщина кремниевой подложки [м], n – количество отверстий.