一种集成射频相变开关、天线和滤波器的器件及其制备方法与流程

1.本发明涉及半导体器件技术领域，具体涉及一种集成射频相变开关、天线和滤波器的器件及其制备方法。


背景技术：

2.射频开关在相控阵雷达、卫星通讯、电子对抗系统和移动通讯系统中都有着非常广泛的应用，作为连接终端和移动网络的载体，射频开关及前端扮演着非常重要的角色。随着移动通信的发展，下一代移动通讯技术，对数据传输速率和数据带宽提出了更高的要求，开始向着毫米波、太赫兹发展，因而，对射频开关也提出了更高的要求，包括在“开态”下低的插入损耗、在“关态”下高的隔离度、快的开关速度、高集成度、高功率容量等。
3.目前，比较成熟的射频开关技术主要有场效应管(field-effect transistor,fet)，pin二极管、微机电系统(micro-electro-mechanical systems,mems)等。但是这些开关均存在着制造成本高、难以与cmos工艺集成、可靠性低、激励电压高、功率容量低以及功耗高等问题。而相变材料微波开关表现出了明显的优势，具有高关/开比、速度快、尺寸小、低寄生电容优良特性，非常适合制备低损耗、集成化和小型化的射频开关。
4.通信或者雷达的收发前端模块，主要包括天线、开关和滤波器，随着应用的频段逐渐向毫米波甚至太赫兹发展，对可重构的模块或系统提出了更高需求。而在可重构系统中，射频开关、天线以及滤波器作为核心的射频前端器件被大量使用，设备越多，前端的数量就越多，这无疑会占用大量空间，同时增加成本。因此，急需要发展小型化、集成化的收发链路前端模块，射频开关、滤波器和天线的小型化集成将变得至关重要。


技术实现要素：

5.针对现有技术所存在的技术问题，本发明提供了一种集成射频相变开关、天线和滤波器的器件，该器件是在同一衬底上同时制备了射频开关、滤波器和天线器件且直接片内互联，连接损耗更小，集成度更高。
6.本发明采用如下技术方案来实现上述技术目的：本发明提供了一种集成射频相变开关、天线和滤波器的器件，至少包括衬底，所述衬底上开设有电磁波辐射缝隙和两排阵列化的金属通孔，所述阵列化的金属通孔形成基片集成波导siw传输结构，每个金属通孔为一个谐振腔，两排互相对立的金属通孔组成谐振器，通过多组谐振器实现滤波功能；电磁波辐射缝隙位于谐振器的末端且和最后一级siw的耦合系数等于滤波器最后两级siw的耦合系数，电磁波通过缝隙向外辐射实现天线功能；
7.所述衬底的一侧面还沉积有隔离层，所述隔离层上制备有基于相变材料的射频开关和金属层a，所述金属层a位于siw器件的金属通孔上方且所述金属通孔穿过隔离层与其连通作为siw器件的上层电极，所述金属层a还通过空气桥走线与射频开关连接。
8.作为一种优选的实施方式，所述衬底的厚度为50～100μm，所述隔离层的厚度为10～50nm。
9.作为一种优选的实施方式，所述衬底的材料包括但不限于高阻硅、氮化镓、磷化铟、砷化镓、sic、ga2o3；所述隔离层的材料包括但不限于氮化硅、氧化硅、氧化铝。
10.作为一种优选的实施方式，所述射频开关中的相变材料包括但不限于gete或gexsb1-xte。
11.作为一种优选的实施方式，制备有射频开关的衬底的正面还沉积有保护层，所述保护层用于保护器件不受外界影响，制作有滤波天线的衬底背面沉积有金属。
12.作为一种优选的实施方式，金属通孔的直径大小d为10～50μm，孔间距大小为10～200μm，两排siw孔之间的宽度为50um～1mm，电磁波辐射缝隙长l
ant
为100μm～1mm，缝隙宽w
ant
为5～100μm。
13.本发明还提供了上述集成射频相变开关、天线和滤波器的器件的制备方法，包括以下步骤：
14.在衬底上沉积隔离层，在隔离层上沉积金属层a并制备基于相变材料的射频开关同时将射频开关的射频端口电极与金属层a通过空气桥走线的形式连接；
15.在衬底上刻蚀两排通孔并沉积金属形成金属通孔，同时保证金属通孔与金属层a连通，每个金属通孔为一个谐振腔，两排互相对立的金属通孔组成谐振器，通过多组谐振器实现滤波功能；
16.在衬底上开设电磁波辐射缝隙并保证缝隙槽和最后一级siw的耦合系数等于滤波器最后两级siw的耦合系数，完成siw滤波天线的制作。
17.作为一种优选的实施方式，siw滤波天线制作之前还包括在隔离层上沉积制作保护层，并将衬底背面减薄的步骤。
18.作为一种优选的实施方式，还包括在开设电磁波辐射缝隙前制作siw滤波天线背面金属的步骤，具体包括溅射种子层ti/au和电镀金两个步骤。
19.作为一种优选的实施方式，溅射的种子层ti的厚度为20～100nm，au的厚度为100～500nm，金的厚度为5～10μm。
20.本发明通过在衬底上开设两排阵列化的金属通孔制作基片集成波导siw传输结构实现滤波器功能，同时开设电磁波辐射缝隙并保证电磁波辐射缝隙和最后一级siw的耦合系数等于滤波器最后两级siw的耦合系数实现天线功能，沉积金属层a作为相变射频开关的加热电极并实现各器件的片内互联，集成度更高且连接损耗更小。
附图说明
21.图1为实施例1中所提供的一种集成射频相变开关、天线和滤波器的器件的结构示意图；
22.图2为实施例2步骤s1中衬底上沉积隔离层后的结构示意图；
23.图3为实施例2步骤s2中薄膜电阻制备完成后的结构示意图；
24.图4为实施例2步骤s3中金属层a制作完成后的结构示意图；
25.图5为实施例2步骤s4中阻隔层制作完成后的结构示意图；
26.图6为实施例2步骤s5中相变材料制作完成后的结构示意图；
27.图7为实施例2步骤s6中金属层b制作完成后的结构示意图；
28.图8为实施例2步骤s7中保护层制作完成后的结构示意图；
29.图9为实施例2步骤s8中背面减薄处理后的结构示意图；
30.图10为实施例2步骤s9中siw滤波天线通孔制作完成后的结构示意图；
31.图11为实施例2步骤s10中siw滤波天线背面沉积金属后的结构示意图；
32.图12为实施例2中siw滤波天线的结构示意图。
33.图中：
34.1衬底、2隔离层、3薄膜电阻、4金属层a、5阻隔层、6相变材料层、7金属层b、8保护层、9通孔、10金属、11电磁波辐射缝隙。
具体实施方式
35.目前，比较成熟的射频开关技术主要有场效应管(field-effect transistor,fet)、pin二极管、微机电系统(micro-electro-mechanical systems,mems)，其中场效应管(field-effect transistor,fet)、pin二极管是通过电压控制耗尽区的宽度控制沟道的开启实现开关功能，存在开态电阻大、插入损耗大等缺点，特别是开关阵列的场景，插入损耗问题将变得更加突出。而微机电系统(micro-electro-mechanical systems,mems)通过控制偏压电极和悬臂梁之间的电压来实现电极和悬梁臂之间的接触实现开关功能，其虽然具有高隔离度等优点，但是功耗问题非常突出，相对于场效应管和二极管，功耗大出两到三个量级。
36.现有的可重构系统中，为了实现天线的相位、方向图、极化方式、频率以及幅度之间的调控，在天线处设置了大量的开关，其中开关和天线通过匹配网络或者引线键合(wire-bonding)及焊接等方式实现连接，并且天线、开关和滤波器均作为独立器件制备，其中天线的馈电和各模块的互联带了额外的寄生和连接损耗，且这种损耗对于高频传输更加突出，加大了设计难度，严重影响整个模块的使用范围。
37.在可重构模块或者系统中，开关、滤波器和天线被大量使用，传统的场效应管和二极管存在开态电阻大、插入损耗大等缺点，而mems开关存在功耗大等问题，开关、天线和滤波器的连接通过匹配网络设计或者引线键合及焊接实现连接，这使得整个芯片存在面积大、连接损耗大等缺陷，且这种缺陷在毫米波和太赫兹波段更加突出。
38.基于此，本发明提出了采用相变材料制备射频开关，相变开关具有传输损耗低、开关速度快以及静态功耗为零等突出的优点，进一步在同一衬底上同时制备射频开关、滤波器和天线三种器件，实现这三种器件的单片集成，同时器件直接采用片内互联，连接损耗更小。
39.下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明，以使本领域的技术人员更加清楚地理解本发明。以下各实施例，仅用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。基于本发明中的具体实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的情况下，所获得的其他所有实施例，都属于本发明的保护范围。
40.实施例1
41.本实施例提供一种集成射频相变开关、天线和滤波器的器件，如图1所示，至少包括衬底1，衬底1上开设有电磁波辐射缝隙11和两排阵列化的金属通孔，阵列化的金属通孔形成基片集成波导siw传输结构，每个金属通孔为一个谐振腔，两排互相对立的金属通孔组成谐振器，通过多组谐振器实现滤波功能；电磁波辐射缝隙11位于谐振器的末端且和最后
一级siw的耦合系数等于滤波器最后两级siw的耦合系数，电磁波通过缝隙向外辐射实现天线功能；通过上述结构同时实现了滤波器和天线功能。
42.进一步，衬底的一侧面沉积有隔离层2，隔离层2上制备有基于相变材料的射频开关和金属层a4，金属层a4位于siw器件的金属通孔上方且金属通孔穿过隔离层2与其连通作为siw器件的上层电极，金属层a4还通过空气桥走线与射频开关连接。各器件通过金属通孔和金属层a4实现了片内互联，连接损耗更低。
43.通常情况下，衬底1的厚度为50～100μm，隔离层的厚度为10～50nm。
44.进一步，衬底1的材料可选用高阻硅、氮化镓、磷化铟、砷化镓等，还可选用sic、ga2o3。
45.进一步，隔离层2的目的在于保障器件和衬底之间更好的隔离效果，避免器件在工作中受到衬底的漏电和导热带来器件性能方面的影响，因此，衬底选用绝缘性能佳的材料，包括但不限于氮化硅、氧化硅、氧化铝。
46.相变材料(phase change material，pcm)可分为有机和无机相变材料。亦可分为水合盐相变材料和蜡质相变材料，如可采用gete或gexsb1-xte。
47.通常情况下，为了保护器件不受外界影响，制备有射频开关的衬底的正面通常还沉积有保护层8，保护层8采用绝缘性能和导热性能均较佳的材料，如sin。制作有滤波天线的衬底背面沉积有金属10。
48.通常情况下，金属通孔的直径大小d为10～50μm，孔间距大小为10～200μm，两排siw孔之间的宽度为50um～1mm，电磁波辐射缝隙长l
ant
为100μm～1mm，缝隙宽w
ant
为5～100μm。
49.本发明将射频相变开关、天线和滤波器进行单片集成，在衬底的正面制备相变材料开关，在衬底及背面制备滤波天线同时实现滤波器和天线的功能，最后在同一衬底上实现滤波器、天线和开关的集成，各模块的馈电互联可通过背孔实现，滤波及天线单元基于siw原理，射频相变开关基于pcm材料实现。
50.实施例2
51.本实施例提供一种集成射频相变开关、天线和滤波器的制备方法，参见图2～12，具体包括以下步骤：
52.s1，沉积隔离层2
53.为防止衬底对相变开关器件性能有影响，首先在衬底1上制作一层绝缘材料，厚度在10～50nm之间，用于实现相变开关器件与衬底之间的隔离，具体参见图2。沉积的材料包括氮化硅、氧化硅一级氧化铝等介质材料，以此来保障器件与衬底之间更好的隔离效果，避免器件在工作中由于衬底的漏电和导热带来器件性能方面的影响。
54.s2，薄膜电阻3制备
55.薄膜电阻(tfr)3采用溅射和剥离工艺实现其合金图形，同时薄膜电阻3材料为相变开关器件的一侧电极，其方阻选择为50ω，具体参见图3。在制作薄膜电阻之前，为了保证器件区域干净，先采用氧等离子进行表面处理5min，然后采用盐酸清洗去除表面氧化物盐酸清洗1min(hcl:h2o体积比为1：10)，再采用光刻工艺制作出图形，然后溅射50nm的薄膜电阻材料。溅射完成后采用剥离工艺保留器件区域的薄膜电阻材料，剥离工艺采用湿法溶液丙酮、剥离液、异丙醇和超纯水依次进行清洗。
56.s3，金属层a4制作
57.金属层a4用于作为相变开关的加热电极、siw器件的上层电极，金属层a采用ti/au叠层金属，金属厚度约为1μm，参见图4。其具体的可通过光刻、金属沉积和剥离工艺实现，剥离工艺采用湿法溶液丙酮、剥离液、异丙醇和超纯水依次进行清洗。
58.s4，阻隔层(barrier)5制作
59.在薄膜电阻材料制作完成之后要制作一层阻隔层5来实现薄膜与后续制作的相变材料的隔离，参见图5。该阻隔层5对器件的性能影响较大，需要导热小、绝缘性好和介电常数小的材料，包括但不限于氮化硅、氮化铝，沉积的厚度为100～200nm。
60.s5，相变材料层(pcm)6的制作
61.采用光刻机制作光刻图形，然后利用溅射和剥离工艺制作50～200nm厚度的相变材料，参见图6，相变材料包括但不限于gete或gexsb1-xte。
62.s6，金属层b 7制作
63.金属层b 7用于相变开关的射频端口电极和连接器件的空气桥走线，参见图7，可采用ti/au叠层金属，金属厚度1～3μm，可通过光刻、金属沉积和剥离工艺实现。
64.s7，保护层8制作
65.采用等离子体增强化学气相沉积(pecvd)沉积sin正面保护层8，厚度约为100～200nm，参见图8，该步骤的目的是保护正面制作的器件不受到外界影响，该层保护层需要高的绝缘性能很好的导热材料。
66.s8，背面减薄
67.将衬底从背面采用机械和化学抛光减薄至50～100μm，该步骤包括粘片和减薄两个步骤，减薄后的结构参见图9。粘片工艺是将片子的正面利用高温石蜡与载片粘在一起，粘片的目的一方面是在后续背面工艺过程中保护正面图形不被破坏，另一方面是由于衬底减薄后机械强度会下降，保证了减薄片在后续背面工艺中不会发生碎裂。
68.s9，siw滤波天线通孔9制作
69.制作完相变开关后，通过在外延衬底上刻蚀通孔9并沉积金属制作金属通孔，参见图10，利用阵列化的通孔制作基片集成波导siw传输结构，在siw的基础上再制作滤波天线。背孔可使用金属ni作为刻蚀孔的掩模版，衬底使用sf6干法刻蚀，外延层使用bcl3或者cl2+n2刻蚀，最后使用hno3作为刻蚀后清洗及ni金属掩膜去除，其中siw孔直径大小d为10～50μm，孔间距大小为10～200μm，两排siw孔之间的宽度为50μm～1mm。
70.s10，siw滤波天线背面金属10
71.首先使用o2等离子体和盐酸清洗去除表面氧化物，使用金属ni作为刻蚀孔的掩模版，然后溅射种子层ti/au，ti的厚度为20～100nm，au的厚度为100～500nm，最后电镀金，金的厚度为5～10μm，参见图11。
72.s11，siw滤波天线的制作
73.滤波器采用微带线转siw进行馈电，天线采用缝隙天线原理，在谐振器的末端开矩形电磁波辐射缝隙11实现电磁波的辐射，缝隙l
ant
为100um～1mm，缝隙宽w
ant
为5um～100um(siw滤波天线的结构参见图12)，只需要满足缝隙槽和最后一级siw的耦合系数等于滤波器最后两级siw的耦合系数，就可以完成滤波器和天线两个功能，即使用siw实现滤波天线一体化集成。
74.采用上述方法将射频开关、滤波器和天线在同一衬底上制备，连接方式直接采用片内互联，连接距离更短，连接损耗更小，且整个芯片面积小、集成度高。
75.在此有必要指出的是，以上实施例仅限于对本发明的技术方案做进一步的阐述和说明，并不是对本发明的技术方案的进一步的限制，本发明的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种集成射频相变开关、天线和滤波器的器件，其特征在于，至少包括衬底，所述衬底上开设有电磁波辐射缝隙和两排阵列化的金属通孔，所述阵列化的金属通孔形成基片集成波导siw，每个金属通孔为一个谐振腔，两排互相对立的金属通孔组成谐振器，通过多组谐振器实现滤波功能；电磁波辐射缝隙位于谐振器的末端且和最后一级siw的耦合系数等于滤波器最后两级siw的耦合系数，电磁波通过缝隙向外辐射实现天线功能；所述衬底的一侧面沉积有隔离层，所述隔离层上制备有基于相变材料的射频开关和金属层a，所述金属层a位于siw器件的金属通孔上方且所述金属通孔穿过隔离层与其连通作为siw器件的上层电极，所述金属层a还通过空气桥走线与射频开关连接。2.根据权利要求1所述的集成射频相变开关、天线和滤波器的器件，其特征在于，所述衬底的厚度为50～100μm，所述隔离层的厚度为10～50nm。3.根据权利要求1或2所述的集成射频相变开关、天线和滤波器的器件，其特征在于，所述衬底的材料包括但不限于高阻硅、氮化镓、磷化铟、砷化镓、sic、ga2o3；所述隔离层的材料包括但不限于氮化硅、氧化硅、氧化铝。4.根据权利要求1所述的集成射频相变开关、天线和滤波器的器件，其特征在于，所述射频开关中的相变材料包括但不限于gete或gexsb1-xte。5.根据权利要求1所述的集成射频相变开关、天线和滤波器的器件，其特征在于，制备有射频开关的衬底的正面还沉积有保护层，所述保护层用于保护器件不受外界影响，制作有滤波天线的衬底背面沉积有金属。6.根据权利要求1所述的集成射频相变开关、天线和滤波器的器件，其特征在于，金属通孔的直径大小d为10～50μm，孔间距大小为10～200μm，两排siw孔之间的宽度为50um～1mm，电磁波辐射缝隙长l
ant
为100μm～1mm，缝隙宽w
ant
为5～100μm。7.权利要求1～6任一项所述的集成射频相变开关、天线和滤波器的器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：在衬底上沉积隔离层，在隔离层上沉积金属层a并制备基于相变材料的射频开关同时将射频开关的射频端口电极与金属层a通过空气桥走线的形式连接；在衬底上刻蚀两排通孔并沉积金属形成金属通孔，同时保证金属通孔与金属层a连通，每个金属通孔为一个谐振腔，两排互相对立的金属通孔组成谐振器，通过多组谐振器实现滤波功能；在衬底上开设电磁波辐射缝隙并保证缝隙槽和最后一级siw的耦合系数等于滤波器最后两级siw的耦合系数，完成siw滤波天线的制作。8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，siw滤波天线制作之前还包括在隔离层上沉积制作保护层，并将衬底背面减薄的步骤。9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括在开设电磁波辐射缝隙前制作siw滤波天线背面金属的步骤，具体包括溅射种子层ti/au和电镀金两个步骤。10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，溅射的种子层ti的厚度为20～100nm，au的厚度为100～500nm，金的厚度为5～10μm。

技术总结
本发明涉及一种集成射频相变开关、天线和滤波器的器件。该器件至少包括衬底，衬底上开设有电磁波辐射缝隙和两排阵列化的金属通孔，每个金属通孔为一个谐振腔，两排互相对立的金属通孔组成谐振器，通过多组谐振器实现滤波功能；电磁波辐射缝隙位于谐振器的末端且和最后一级SIW的耦合系数等于滤波器最后两级SIW的耦合系数，电磁波通过缝隙向外辐射实现天线功能；衬底的一侧面沉积有隔离层，隔离层上制备有基于相变材料的射频开关和作为SIW器件上层电极的金属层A，金属层A通过空气桥走线与射频开关连接。本发明在同一衬底上实现滤波器、天线和开关的集成，各模块的馈电互联通过背孔实现，集成度更高且连接损耗更小。集成度更高且连接损耗更小。集成度更高且连接损耗更小。


技术研发人员：吴畅 郭涛 刘捷龙
受保护的技术使用者：湖北九峰山实验室
技术研发日：2023.06.27
技术公布日：2023/10/6