一种基于可调动电感片上谐振器的制备方法

技术领域

本发明属于电子器件技术领域，具体涉及一种用于射频集成电路的基于可调动电感片上谐振器的制备方法。

背景技术

谐振器在微波射频领域有着广泛的应用，是滤波器、振荡器和放大器等微波元件中关键的元件之一。随着集成电路的小型化的发展，紧凑性成为谐振器研究的追求目标，同时为了满足射频集成电路系统中多功能可重构的需求，可调谐技术成为谐振器的重要发展方向。传统分布参数的平面谐振器受限制于电磁波的波长具有较大的占地面积。而采用CMOS工艺下的集总元件(集总电感、集总电容)由于其品质因素不高，大多低于10，使得由其制备的集总LC谐振器损耗较大，性能表现不佳。

现有的可调谐振器通常通过加载在平面微带谐振器上的变容二极管实现，但是这种调谐方式调谐范围较窄，且损耗较大，并且由于占地面积的限制难以实现射频集成电路的集成化。而现有集总元件中虽然有基于动电感的片上螺旋电感器，其电感密度约为传统金属制备的片上电感器的1.5倍，品质因数能够达到12，但其有效电感值并未实现可调节的功能，并且其制备的工艺方法并不利于大规模的器件制备。将其应用在集总谐振器中尽管能够改善其性能，但缺乏一种简便、高效的调节机理，在提升性能的同时实现谐振频率的有效调节。

发明内容

为了改善集总LC谐振器损耗较大、谐振频率不可调节的问题，本发明提供一种基于可调动电感片上谐振器的制备方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于可调动电感片上谐振器的制备方法，操作步骤如下：

步骤1)：清洗衬底片

按标准化清洗工艺，清洗高阻硅衬底，并吹干；用丙酮溶液、甲醇溶液、异丙醇(IPA)溶液和去离子水清洗4寸高阻硅衬底，采用激光划片机将四寸的硅片切割成面积为1cm×1cm大小，并用氮气枪吹干，

步骤2)：

将化学气相沉积生长在镍箔上的多层石墨烯转移至高阻硅衬底的氧化硅层2表面，得到第一纳米材料层3；

步骤3)

将上述基片置于高真空扩散泵中，充分暴露在溴蒸气中，第一纳米材料层3被溴分子插层掺杂为第二纳米材料层4；

步骤4)：

第二纳米材料层4上采用旋转涂胶的方法涂上液相正性光刻胶，形成第一正性光刻胶层5；用掩模版进行套刻对准，遮挡住需要保留的光刻胶部分，曝光、显影需要去除的光刻胶部分，第一正性光刻胶层5刻蚀得到正性光刻胶块6；

步骤5)：

使用离子束刻蚀IBE设备，刻蚀掉第一正性光刻胶块6外暴露的第二纳米材料层4；将得到的基片放置在去胶液中去除第一正性光刻胶块6，得到第三纳米材料层7，第三纳米材料层7为图案层，包括平面螺旋电感18和MIM电容下极板19，

平面螺旋电感18的外圈伸出端和MIM电容下极板19串联连接；

步骤6)：

利用原子层沉积ALD，在氧化硅层2表面沉积第一介质隔离层8，将第三纳米材料层7全覆盖；

步骤7)：

对第一介质隔离层8表面进行成膜处理后，旋涂液相负性光刻胶，得到第一液相负性光刻胶层9，使用光刻机设备，用掩模版进行套刻对准，遮挡住需要保留的光刻胶部分，曝光、显影需要去除的光刻胶部分，将第一液相负性光刻胶层9刻蚀得到第一液相负性光刻胶块10，第一液相负性光刻胶块10的镂空窗口对应平面螺旋电感18，且镂空窗口上保留着连接块，连接块的延申端延申至镂空窗口的中心；

步骤8)：

采用电感耦合等离子体刻蚀ICP，通过第一液相负性光刻胶块10的镂空窗口，充分刻蚀第一介质隔离层8，使平面螺旋电感18的图案完全暴露出来，第一介质隔离层8刻蚀成为第二介质隔离层11，且第二介质隔离层11得到对应的介质连接块，使得介质连接块和平面螺旋电感18的每一圈插接；

步骤9)：

将步骤8)得到的基片放置在去胶液中去除第一液相光刻胶块10，使得第二介质隔离层11位于基片的上层；

步骤10)：

对步骤9)得到的基片表面进行成膜处理，旋涂液相负性光刻胶，得到具有第二液相负性光刻胶层12，使用光刻机设备，用掩模版进行套刻对准，遮挡住需要保留的光刻胶部分，曝光、显影需要去除的光刻胶部分，得到第二液相负性光刻胶块13，第二液相负性光刻胶块13的镂空图案分别对应介质连接块和MIM电容下极板19的图案；

步骤11)：

在步骤10)得到的基片表面采用电子束蒸发沉积两层金属，金属层依次为镍金属层14和金金属层15，得到具有两层金属层的基片；

步骤12)：

将步骤11)得到的基片放置到去胶液中去除第二液相负性光刻胶块13以及上面沉积的镍金属层14和金金属层15，使得第二液相负性光刻胶块13的镂空图案上依次沉积镍金属层14和金金属层15，得到电感中心端口的金属接触电极16和MIM电容上极板17，且金属接触电极16和MIM电容上极板17的镍金属层14分别和第二介质隔离层11对应接触连接，至此上述基片形成片上谐振器；

使用时，通过对第三纳米材料层7施加直流偏压，实现整个片上谐振器谐振频率的功能调节，直流偏压的直流电源正极连接金属接触电极16，负极连接高阻硅衬底的高阻硅层1。

进一步，步骤12)得到的片上谐振器使用管式退火炉设备，进行退火处理，增加金属接触电极16和第三纳米材料层7的黏附度；退火温度400k、退火时间0.5～1h。

进一步，所述的第一纳米材料层3的厚度为200～600nm，在刻蚀镍箔的过程中湿化学刻蚀液可以为氯化铁或过硫酸铵，浓度为1～2mol/L。

进一步，所述第二纳米材料层4的插层掺杂利用气体扩散效应，发生装置为高真空扩散泵，使用高真空扩散泵的两区蒸汽传输方法，加热液态Br

进一步，所述矩形平面螺旋电感18的匝数为2～4匝，每匝的线圈宽度为5～15um，线圈间距为1～5um；MIM电容下极板面积为10×10um～30×50um。

进一步，所述第一介质隔离层8的厚度为0.3～1um的氧化铝层。

进一步，所述镍金属层14厚度为10～30nm；金金属层15厚度为200～500nm。

本发明的有益技术效果如下：

(1)本发明一种基于可调动电感片上谐振器的制备方法，通过对转移衬底的多层石墨烯进行插层掺杂，能够极大提升该部分的动电感和电导率，使得在后续步骤中利用此部分制备的集总电感具有较大的可调节的等效电感，同时制备集总电容实现两者的串联结构，插层掺杂的多层石墨烯能够有效减小的损耗，从而提升整个片上谐振器的性能。在谐振频率时回波损耗能够低于-15db，而插入损耗能够大于-2db。

(2)本发明一种基于可调动电感片上谐振器的制备方法得到的片上谐振器，通过对片上谐振器的插层石墨烯制备的电感串联电容下极板的结构施加不同的直流偏压，能够改变它的费米能级，进而实现动电感的调节，使整个器件的等效电感可以调节，达到片上谐振器的谐振频率可调节的功能。当施加直流电压在0～100伏特时，谐振频率的调节的最大范围可以达到5Ghz。相比于传统片上谐振器，在兼容半导体制备工艺的基础上创新的实现了谐振频率的高效调节，对于集成电路可重构功能的发展具有重大的意义。因此本发明提供了一种占地面积较小、性能可靠、具有高效调谐功能的片上谐振器。

(3)本发明采用与传统平面微带谐振器相比，能够极大减小占地面积，在k波段(18Ghz-26.5Ghz)能够缩小至少3/4的面积，并且具有更加高效的调谐方式，与采用传统CMOS工艺下的集总元件(集总电感、集总电容)制备的谐振器相比，在能够片上集成的同时能够有效减小器件的损耗，并实现谐振器的谐振频率可调谐功能。

附图说明

图1为本发明实施例1制备的基于可调动电感片上谐振器的立体示意图；

图2为本发明实施例1制备的基于可调动电感片上谐振器可调方案实施的状态图；

图3为本发明的高阻硅衬底的立体结构图；

图4为本发明步骤2)形成的结构示意图；

图5为本发明步骤3)形成的结构示意图；

图6为本发明步骤4)形成的结构示意图；

图7为本发明步骤4)形成的结构示意图；

图8为本发明步骤5)形成的结构示意图；

图9为本发明步骤5)形成的结构示意图；

图10为本发明步骤6)形成的结构示意图；

图11为本发明步骤6)形成的结构示意图；

图12为本发明步骤7)形成的结构示意图；

图13为本发明步骤7)形成的结构示意图；

图14为本发明步骤8)形成的结构示意图；

图15为本发明步骤9)形成的结构示意图；

图16为本发明步骤10)形成的结构示意图；

图17为本发明步骤10)形成的结构示意图；

图18为本发明步骤11)形成的结构示意图；

图19为本发明实施例2制备的基于可调动电感片上谐振器的立体示意图；

图20为本发明实施例2制备的基于可调动电感片上谐振器可调方案实施的状态图；

图21为一种可调动电感片上谐振器的等效集总电路的结构示意图；

图22为本发明第三纳米材料层的电感部分和电容极板部分的立体结构和结构参数示意图；

其中：衬底高阻硅层1、衬底氧化硅层2、第一纳米材料层3、第二纳米材料层4、正性光刻胶层5、正性光刻胶块6、第一介质隔离层8、第一负性光刻胶层9、第一液性负性光刻胶块10、第二介质隔离层11、第二负性光刻胶层12、第二液性负性光刻胶块13、镍金属层14、金金属层15、金属接触电极16、MIM电容上极板17、平面螺旋电感18、MIM电容下极板19。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

参见图1和图22，本实施例1提供的基于可调动电感片上谐振器的电感部分为两匝线圈的矩形平面螺旋电感，线圈内径d2为17um，外径d1为66um，线圈W宽度为8um，矩形MIM电容极板的面积W1×L1为25um×40um。为了实现器件谐振频率可调节的功能，实施示意图参见图2。

本实施例1用于集成电路的基于可调动电感片上谐振器的制备操作步骤如下：

(1)转移纳米材料(1.1)清洗高阻硅衬底

用丙酮溶液、甲醇溶液、异丙醇(IPA)溶液和去离子水清洗4寸高阻硅衬底，高阻硅衬底包括衬高阻硅层1和衬底氧化硅层2，采用激光划片机将四寸的硅片切割成面积为1cm×1cm大小，并用氮气枪吹干，参见图3。

(1.2)热释放胶带转移纳米材料

需要转移的纳米材料是利用化学气相沉积生长在镍箔上的多层石墨烯，厚度为250nm,将镍箔切割成1cm×1cm大小，并在多层石墨烯上平整地粘连热释放胶带，将镍箔朝下放置到湿化学刻蚀剂中刻蚀镍箔，湿化学刻蚀剂选择摩尔质量浓度为1.5mol/L的氯化铁溶液,反应三小时后将镍箔刻蚀完。再将高阻硅衬底放置于加热台加热，将多层石墨烯粘连到衬底表面，几分钟后多层石墨烯会与热释放胶带脱离。在转移过程中要保持平稳，保持薄膜的完整性，在基片表面形成一层完整的第一纳米材料层3，参见图4。

(2)对纳米材料层进行插层掺杂

将基片放置在高真空扩散泵中，通入氮气排出空气，再将反应管道中的氮气抽至低真空状态(0.05pa)，加热液态溴使溴蒸气进入反应管道，将第一纳米材料层3充分暴露在溴蒸气中，反应时间为1h，利用气体的扩散效应，得到被溴分子插层掺杂的第二纳米材料层4，参见图5。

(3)正性光刻制备电感和电容下极板(3.1)涂胶、套刻对准、曝光、显影

使用六甲基硅胺烷(HMDS)对第二纳米材料层4表面进行成膜处理，所述六甲基硅胺烷(HMDS)起到了粘附促进剂的作用。在第二纳米材料层4上采用旋转涂胶的方法涂上液相正性光刻胶，形成一层正性光刻胶层5。具体操作是：将高阻硅衬底置于真空吸盘上，旋涂六甲基硅胺烷(HMDS)，先以500rpm的慢速旋转10s，再加速到5000rpm旋转60s，接着滴入液相正性光刻胶，先以500rpm的慢速旋转10s，再加速到5000rpm旋转60s，最终得到均匀的正性光刻胶层5，参见图6；再经过软烘，在100摄氏度下烘60秒，目的是去除液相正性光刻胶中的溶剂，提高粘附性和负性光刻胶的均匀性。接着，使用i线接触式光刻机，i线是指波长为365nm的紫外线，曝光将掩膜版上的两匝的平面螺旋电感图案和串联的MIM电容下极板图案转移至正性光刻胶层上，然后在显影液AZ400K中去除不需要的光刻胶部分，在纳米材料层上得到正性光刻胶块6，参见图7。

(3.2)离子束刻蚀(IBE)

在真空系统中采用真空系统中利用分子气体等离子的定向高能离子束来进行物理刻蚀，在工作真空度为1×10-4Pa下，采用Ar+离子束刻蚀10min刻蚀掉正性光刻胶块6外暴露的第二纳米材料层4，得到形成电感线圈串联电容下极板的第三纳米材料层7，参见图8。(3.3)去除第一液相正性光刻胶块

将基片放置在丙酮中去除正性光刻胶块6，得到形成平面螺旋电感18串联MIM电容下极板19的第三纳米材料层7，参见图9。

(4)原子层沉积(ALD)方法沉积介质隔离层

参见图9和图10，在基片上的第三纳米材料层7上，利用原子层沉积(ALD)方法沉积350nm的氧化铝第一介质隔离层8。介质隔离层的作用是将平面螺旋电感中心线圈引出，并且作为MIM电容上、下极板之间的电介质。得到第三纳米材料层7被氧化铝完全包裹覆盖的基片，参见图10和图11。

(5)在介质隔离层上开窗口(5.1)确定窗口图案

使用六甲基硅胺烷(HMDS)对第一介质隔离层8表面进行成膜处理，所述六甲基硅胺烷(HMDS)起到了粘附促进剂的作用。在第一介质隔离层8上采用旋转涂胶的方法涂上液相负性光刻胶，形成第一负性光刻胶层9。具体操作是：将高阻硅衬底置于真空吸盘上，旋涂六甲基硅胺烷(HMDS)，先以500rpm的慢速旋转10s，再加速到5000rpm旋转60s，接着滴入液相负性光刻胶，先以500rpm的慢速旋转10s，再加速到5000rpm旋转60s，最终得到均匀的第一负性光刻胶层9，参见图12。液相负性光刻胶被涂第一介质隔离层8表面后要在80℃软烘100s，以去除光刻胶中的溶剂，提高粘附性。接着，使用i线接触式光刻机进行套刻，由于氧化铝介质隔离层是透明的，使掩膜版上的窗口图案对准第一介质隔离层8下的第三纳米材料层7的平面螺旋电感18区域，然后曝光、显影，得到最上层为第一液性负性光刻胶块10和暴露的窗口图案的氧化铝第一介质隔离层8的基片，参见图13。

(5.2)电感耦合等离子体刻蚀(ICP)

采用电感耦合等离子体刻蚀(ICP)，在工作真空度为1×10-4Pa下，通过三氟甲烷充分刻蚀暴露的窗口图案的氧化铝第一介质隔离层8，使第三纳米材料层7的平面螺旋电感18部分完全暴露出来，参见图14。

(5.3)去除第一液相光刻胶块

将基片放置在丙酮中去除第一负性光刻胶块10，得到被开窗口的第二介质隔离层11，参见图15。

(6)制备电容上极板和器件接触电极(6.1)确定电容上极板以及接触电极图案

使用六甲基硅胺烷(HMDS)对整个基片表面进行成膜处理，所述六甲基硅胺烷(HMDS)起到了粘附促进剂的作用。在基片表面上采用旋转涂胶的方法涂上液相负性光刻胶，形成第二负性光刻胶层12。具体操作是：将高阻硅衬底置于真空吸盘上，旋涂六甲基硅胺烷(HMDS)，先以500rpm的慢速旋转10s，再加速到5000rpm旋转60s，接着滴入液相负性光刻胶，先以500rpm的慢速旋转10s，再加速到5000rpm旋转60s，最终得到均匀的第二负性光刻胶层12，参见图16。

液相负性光刻胶被涂在基片表面后要在80℃软烘100s，以去除光刻胶中的溶剂，提高粘附性。接着，使用i线接触式光刻机进行套刻，由于氧化铝介质隔离层是透明的，使掩膜版上的接触电极图案一端对准平面螺旋电感18中心端口，另一端对准电感中心端口的引出位置，并使电容上极板图案对准MIM电容下极板19，然后曝光、显影，得到最上层为第二液性负性光刻胶块13的基片，参见图17。

(6.2)电子束蒸发沉积两层金属

在第二液性负性光刻胶块13和第二介质隔离层11上采用电子束蒸发沉积两层金属，金属层依次为镍金属层14和金金属层15，镍金属层厚度为20nm，金金属层厚度为500nm，得到具有两层金属层的基片，参见图18。

(6.3)制备电容上极板以及金属接触电极

将基片放置到丙酮中去除第二液相负性光刻胶块13以及上面沉积的镍金属层14和金金属层15，得到形成平面螺旋电感18中心端口的金属接触电极16和MIM电容上极板17，参见图1。

(7)退火

使用管式退火炉设备对基片进行退火处理，退火炉主要由管腔和温控系统组成。将样品放入退火炉中，设置好退火温度为300℃-600℃、退火时间为40s-150s。通过退火过程增加金属接触电极和纳米材料层6的黏附度；减小不同材料之间的间距，从而达到减少接触电阻的效果，提升整个器件的性能。

(8)偏置电压调控器件动电感

根据场效应原理，通过对纳米材料层和基板的接地板之间施加垂直偏压，能够改变纳米材料的表面载流子浓度，进而能够对其费米能级进行调控，而对于插层掺杂的多层石墨烯薄膜，其费米能能级的大小直接影响动电感大小。通过对平面螺旋电感18中心端口的金属接触电极16连接直流电源的正极，高阻硅衬底的高阻硅层1连接直流电源的负极，改变直流电源的输出电压，能够有效调节动电感大小，从而对整个器件的等效电感实现调节。从而实现整个片上谐振器谐振频率可调节的功能，参见图2。

图21为一种可调动电感片上谐振器的等效集总电路。通过等效集总电路模型对片上谐振器进行计算仿真分析,当施加偏置电压调控插层掺杂的多层石墨烯的费米能级时在0.2ev～1.4ev范围变化，谐振频率变化范围为6.8Ghz～10.5Ghz；S11由-12db降低至-19db，而插入损耗则由-2db提升至-1db。

实施例2

本实施例2提供的一种基于可调动电感片上谐振器制备方法与实施例1相同，其电感部分为三匝线圈的矩形平面螺旋电感，线圈内径为20um，外径为54um，线圈宽度为6um，矩形MIM电容极板的面积为20um×30um，参见图19；其可调方式的实现与实施例1相同，参见图20。通过等效集总电路模型34对片上谐振器进行计算仿真分析，当施加偏置电压调控插层掺杂的多层石墨烯的费米能级时在0.2ev～1.3ev范围变化，谐振频率变化范围为9.4Ghz～12.7Ghz；S11在-11.1db降低至-17.8db，而插入损耗则由-2.4db提升至-1.2db。本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。