一种微同轴结构、制备方法及电子机械器件

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种微同轴结构、制备方法及电子机械器件。

背景技术

毫米波/太赫兹电子系统在高性能雷达和空间通信等领域具有非常广阔的应用前景。为解决毫米波/太赫兹传输结构、器件及系统的小型化和轻量化问题，国内及国际上诸多知名科研机构都将射频微系统视为重点研究方向。其主流的研究方向主要是可以在微电子机械系统(MEMS)工艺的基础上，由多层电镀铜进行堆叠而成的多层金属结构，即微同轴结构。

现有微同轴结构通常采用叠层光刻胶牺牲层工艺加工得到，不同金属层之间堆叠的结合力较弱，结构较为松散，电学性能差，插入损耗高，可靠性差。

发明内容

鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的微同轴结构、制备方法及电子机械器件。

第一方面，提供一种微同轴结构的制备方法，包括：采用金属堆叠工艺制备微同轴结构；

对所述微同轴结构进行退火工艺处理，以将所述微同轴结构金属层原子之间的范德华键转变成金属键。

可选的，所述采用金属堆叠工艺制备微同轴结构包括：

在基体上多次循环且依次进行种子层溅射、光刻胶定义图形、金属层电镀以完成多层金属层的堆叠搭建，其中，光刻胶作为牺牲层填充于所述多层金属层之间的空隙内；

将所述牺牲层除去获得由多层金属堆叠的微同轴结构。

可选的，所述微同轴结构中需要搭建悬空的金属层时，通过介质层代替所述牺牲层对悬空的金属层进行支撑，所述退火工艺处理时所用退火温度在所述介质层的最高极限温度之下。

可选的，介质层材质为负性光刻胶；所述牺牲层材质为正性光刻胶。

可选的，所述介质层材质为环氧树脂SU-8光刻胶，退火温度为100-300℃；

或者，所述介质层材质为聚酰亚胺PI光刻胶，退火温度为100-450℃；

或者，所述介质层材质为苯并环丁烯BCB光刻胶，退火温度为100-500℃可选的，所述基体为表面进行氧化形成氧化层的硅片。

可选的，所述金属层材质为铜。

第二方面，提供一种微同轴结构，采用第一方面所述制备方法制成，所述微同轴结构的原子之间为金属键。

第三方面，提供一种电子机械器件，包括：第二方面所述的微同轴结构。

可选的，所述电子机械器件包括芯片、传输线。

本发明实施例中提供的技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本发明实施例提供的微同轴结构的制备方法，将采用金属堆叠工艺制成的微同轴结构进行退火工艺处理，增加金属之间的离子扩散，形成金属键，从而将不同金属层之间的范德华键转化成金属键，从而加强每层金属结构原子之间的作用力，进而加强金属层之间的结合强度；并且，采用本发明方法使微同轴结构的原子之间经退火工艺处理形成金属键，结构更加稳定，机械稳定性、电学性能更好，插入损耗相较于未进行退火工艺处理的微同轴结构明显降低。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明实施例中微同轴结构的制备方法流程图；

图2为本发明实施例中单层金属堆叠工艺流程图；

图3为本发明实施例中6层金属铜的微同轴堆叠结构分解图；

图4为本发明实施例中6层金属铜微同轴结构的分解图；

图5为本发明实施例中6层金属铜微同轴结构的截面图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。

在附图中示出了根据本公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

在本公开的上下文中，当将一层/元件称作位于另一层/元件“上”时，该层/元件可以直接位于该另一层/元件上，或者它们之间可以存在居中层/元件。另外，如果在一种朝向中一层/元件位于另一层/元件“上”，那么当调转朝向时，该层/元件可以位于该另一层/元件“下”。在本公开的上下文中，相似或者相同的部件可能会用相同或者相似的标号来表示。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合具体的实施方式对上述技术方案进行详细说明，应当理解本公开内容实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

本发明提供了一种微同轴结构的制备方法，包括：

采用金属堆叠工艺制备微同轴结构；

对所述微同轴结构进行退火工艺处理，以将所述微同轴结构金属层原子之间的范德华键转变成金属键。

具体来讲，所述微同轴结构的制备方法可分为三大步骤，请参考图1，图1为本发明实施例中微同轴结构的制备方法流程图，包括：

步骤S1：采用微同轴金属堆叠工艺进行多层金属层的微同轴堆叠搭建；

步骤S2：采用牺牲层释放工艺将所述多层金属层的间隙内填充的牺牲层除去，获得由多层金属层堆叠的微同轴结构；

步骤S3：对所述微同轴结构进行高温退火工艺处理，以将所述微同轴结构金属层原子之间的范德华键转变成金属键；

上述步骤S1、S2的操作可统称为采用金属堆叠工艺制备微同轴结构；

具体来讲，上述步骤S1包括：

在基体上多次循环进行单层金属堆叠工艺以实现多层金属层的堆叠搭建，请参考图2，图2为本发明实施例中单层金属堆叠工艺流程图，包括：

步骤S101：种子层溅射；

步骤S102：光刻胶定义图形；

步骤S103：金属层电镀；

在基体上多次循环且依次进行以上步骤S101、步骤S102、步骤S103以完成步骤S1中多层金属层的堆叠搭建，其中，光刻胶作为牺牲层填充于所述多层金属层之间的空隙内。

具体来讲，以6层铜质微同轴结构为例，常规的制备方法是先在硅片上进行氧化形成氧化层，然后在氧化硅膜层上进行种子层溅射，再进行光刻来定义图形，再进行电镀，在进行化学机械研磨，以此完成单层的结构制备，整体微同轴结构是由多步前面描述的流程进行多次循环进行搭建，最后进行光刻胶释放得到的。这样的微同轴结构由多层电镀铜进行堆叠而成，多层铜与铜之间的连接是由范德华力进行连接，结构比较松散，可靠性较差，引起的高频插损较大，亟待改善。

采用本发明方法制备6层金属铜微同轴结构，执行步骤S1，采用金属堆叠工艺进行6层金属层的微同轴结构堆叠；

执行步骤S101，以硅片1为基体，先在硅片1表面进行氧化形成氧化硅膜层，然后在氧化硅膜层上进行种子层溅射，所述种子层可采用铜离子层；种子层溅射可以采用现有技术的制备工艺，在此不作累述；

执行步骤S102，在种子层溅射完成后，再通过光刻胶来定义图形，光刻胶来定义图形可以采用现有技术的制备工艺，在此不作累述；

执行步骤S103，利用电镀工艺将金属铜层制备在光刻胶定义的图形上，至此完成单层金属铜的制备，电镀工艺可以采用现有技术的制备工艺，在此不作累述；

重复上述步骤S101、步骤S102、步骤S103的操作完成6层金属铜微同轴堆叠搭建；其中，光刻胶作为牺牲层2填充于所述6层金属铜之间的空隙内；执行步骤S2，采用牺牲层释放工艺将所述牺牲层2除去，获得由6层金属铜堆叠的6层金属铜微同轴结构。在工艺过程中，牺牲层2起到支撑金属层的作用，除去牺牲层2留下所需形状的空腔，可获得金属层微同轴结构。牺牲层释放工艺的原理是利用刻蚀选择性较好的化学腐蚀剂对作为牺牲层的光刻胶进行腐蚀，去除牺牲层的同时保留金属层材料，所述光刻胶的去除工艺可以采用现有技术的制备工艺，在此不作累述；

执行步骤S3，对所述6层金属铜微同轴结构进行高温退火工艺处理，以将所述6层金属铜原子之间的范德华键转变成金属键。在执行步骤S3前，6层铜与铜之间由范德华力进行连接，结构比较松散，可靠性较差，引起的高频插损较大；在执行步骤S3后，通过退火工艺增加铜层之间的离子扩散，形成金属键，至此，所述6层金属微同轴结构金属层原子之间的范德华键转变成金属键，退火工艺加强了铜层原子之间的作用力，从而加强了铜层之间的结合强度，退火工艺改善后的微同轴结构，相较于未退火之前的微同轴结构，结构更加稳定，机械稳定性更好，电学性能更好，相同条件下插入损耗明显降低，特别是用于高频信号传输时，例如对于频率在10-50GHZ的信号的传输，经高温退火工艺处理得到的6层金属铜微同轴结构相较于未经退火处理的6层金属铜微同轴结构的插入损耗降低至20％以下。

具体来讲，当所述微同轴结构中需要搭建悬空的金属铜，请参考图3，图3为本发明实施例中的6层金属铜的堆叠结构分解图,图中的Cu1表示第1层金属铜、Cu2表示第2层金属铜、Cu3表示第3层金属铜、Cu4表示第4层金属铜、Cu5表示第5层金属铜、Cu6表示第6层金属铜，6层金属铜微同轴结构需要在第4层中部搭建悬空的金属铜，以此获得具有悬空金属层的6层金属铜微同轴结构，此时通过介质层3代替所述牺牲层2的光刻胶对悬空的金属层进行支撑，形成矩形的铜质外导体中引入悬空的内导体及其介质支撑结构。

具体来讲，所述退火工艺处理时所用退火温度在所述介质层的最高极限温度之下。最高极限温度是介质层材料在出现失效之前能够达到的最高温度，也就是在退火温度下，介质层材料不变。

在可选的实施方式中，所述介质层材质为负性光刻胶。介质层材质可采用环氧树脂SU-8光刻胶，此时退火温度为100-300℃；或者，所述介质层材质为聚酰亚胺PI光刻胶，退火温度为100-450℃；或者，所述介质层材质为苯并环丁烯BCB光刻胶，退火温度为100-500℃。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种微同轴结构，如图4、5所示，图4为本发明实施例中6层金属铜微同轴结构的分解图；图5为本发明实施例中6层金属铜微同轴结构的截面图，所述微同轴结构的原子之间为金属键，具有金属键的微同轴结构，相较于通过范德华力进行连接的微同轴结构，具有稳定，机械稳定性好，电学性能好，相同条件下插入损耗明显降低。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种电子机械器件，包括：6层金属铜微同轴结构；具体来说，所述电子机械器件包括：芯片、传输线，例如在所述微同轴结构外部包裹绝缘线制作而成的传输线。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的部件或步骤。位于部件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的部件。本发明可以借助于包括有若干不同部件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。