梁廣華，賈世旺，趙 飛，韓 威，徐亞新，莊治學(xué)，陳 雨，劉曉蘭，何 超

（中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，石家莊 050081）

1 引言

蘭格耦合器廣泛用于平衡放大器結(jié)構(gòu)中，相比于其他耦合器，采用蘭格耦合器所構(gòu)成的平衡放大器具有更寬的帶寬、更好的輸入、輸出駐波比以及更優(yōu)異的穩(wěn)定性[1]。

在制備工藝上，用于低頻段的蘭格耦合器的尺寸比較大，一般都是采用微帶線來制作指條，再利用金絲跳線去互連各指條。但在較高頻段中，如在Ka波段，由于蘭格耦合器的指條寬度和指條間距都非常小，無法實(shí)現(xiàn)金絲跳接，因此一般都采用介質(zhì)隔離或借助空氣橋技術(shù)來實(shí)現(xiàn)各指條間的互連[2]。對于介質(zhì)隔離型的蘭格耦合器，在商用MMIC工藝中，通常采用Si3N4（介電常數(shù)7.2）介質(zhì)來進(jìn)行隔離，這會在蘭格耦合器的指交之間形成較大的MIM電容，進(jìn)而影響蘭格耦合器的性能；對于空氣橋型的蘭格耦合器，在后期組裝過程中空氣橋的存在增加了組裝難度，造成成品率的降低。

苯并環(huán)丁烯（BCB）具有高熱穩(wěn)定性、低介電系數(shù)（2.6～3.4）、良好的平坦性和可加工性，是廣泛應(yīng)用的一種介質(zhì)材料，尤其是光敏BCB可以直接通過光刻技術(shù)實(shí)現(xiàn)圖形化，大大簡化了圖形化介質(zhì)層制備的工藝過程，得到了業(yè)內(nèi)越來越廣泛的關(guān)注[3-4]。

本文主要針對高頻應(yīng)用下的空氣橋型蘭格耦合器存在的可靠性問題，確定了一種基于光敏BCB技術(shù)的介質(zhì)橋蘭格耦合器的制備方法，從加工流程入手，研究了加工過程中影響介質(zhì)橋質(zhì)量的光敏BCB圖形化工藝和BCB固化工藝這兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，并對關(guān)鍵技術(shù)的重要因素進(jìn)行了分析和試驗(yàn)。

2 工藝流程

本文所加工制備的介質(zhì)橋蘭格耦合器結(jié)構(gòu)版圖如圖1所示。該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是線寬尺寸小、集成工藝多，集成了薄膜加工中的互連孔制備、高精密電阻制備、介質(zhì)橋制備等多種技術(shù)，加工難度大。

圖1 介質(zhì)橋蘭格耦合器結(jié)構(gòu)版圖

根據(jù)介質(zhì)橋蘭格耦合器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，我們按以下工藝流程（如圖2所示）進(jìn)行加工試驗(yàn)，主要包括激光打孔、濺射、光刻、電鍍、刻蝕、調(diào)阻、介質(zhì)層制備、連接橋制備等16個工藝步驟。

圖2 介質(zhì)橋蘭格耦合器制備工藝流程圖

3 關(guān)鍵技術(shù)及重要影響因素分析

3.1 光敏BCB圖形化工藝

介質(zhì)橋蘭格耦合器的制作與常規(guī)蘭格耦合器制作的主要區(qū)別在于增加了一層介質(zhì)作為絕緣層，實(shí)現(xiàn)指條間的互聯(lián)與絕緣。本研究選用光敏BCB作為介質(zhì)層材料，在進(jìn)行介質(zhì)層的圖形化時(shí)通過光刻工藝實(shí)現(xiàn)。光刻工藝是一個復(fù)雜的過程，包括涂膠、前烘、曝光、顯影等工藝步驟。我們針對光刻工藝中勻膠、曝光、顯影等關(guān)鍵步驟進(jìn)行研究分析。

3.1.1 勻膠工藝

目前常用的涂膠工藝一般是旋轉(zhuǎn)涂膠工藝，其相較于刮涂、噴涂法等方法具有工藝簡單、便于控制、對設(shè)備依賴度低等優(yōu)勢。旋涂工藝的基本原理是勻膠托盤在旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生離心力，將滴在基板上的膠液鋪展到整個基板表面并甩掉多余的膠液，在膠表面張力和旋轉(zhuǎn)離心力的共同作用下，膠液擴(kuò)展成厚度均勻的光刻膠薄膜[5]。旋轉(zhuǎn)勻膠是決定膜厚的關(guān)鍵步驟，不同的光刻膠由于自身粘性和厚度要求不同，選取的旋轉(zhuǎn)涂膠條件也是不同的。

本研究中光敏型BCB介質(zhì)采用旋涂的方式制備在基底上，根據(jù)蘭格耦合器的設(shè)計(jì)要求，介質(zhì)橋下的介質(zhì)層厚度定為8μm，且對介質(zhì)厚度均勻性要求較高。

旋涂法勻膠過程分為兩步，第一步是在低速下旋轉(zhuǎn)，其作用是使滴的BCB膠液鋪展開；第二步是高速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速越高膠膜厚度越薄。

由于低速階段對膜層厚度沒有影響，不在此做實(shí)驗(yàn)研究，統(tǒng)一選用轉(zhuǎn)速為500 rpm、時(shí)間為6 s的參數(shù)進(jìn)行。專門針對高速階段中的轉(zhuǎn)速進(jìn)行試驗(yàn)優(yōu)化，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 BCB勻膠參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

通過以上試驗(yàn)可以得出旋轉(zhuǎn)速度2500 rpm、時(shí)間40 s時(shí)BCB的厚度以及厚度均勻性滿足設(shè)計(jì)需求。

3.1.2 曝光以及顯影工藝

本研究中采用的光敏BCB為負(fù)性，即紫外光照射過的BCB膠膜區(qū)域會留存下來，未被照射過的區(qū)域在顯影時(shí)會被去除。由于曝光以及顯影的效果評判都要在顯影之后進(jìn)行，因此兩部分的試驗(yàn)研究同時(shí)進(jìn)行。

曝光工藝中曝光時(shí)間是關(guān)鍵影響參數(shù)，對曝光時(shí)間進(jìn)行試驗(yàn)研究，試驗(yàn)選用15 μm線條圖形。顯影使用的是BCB專用的顯影液，顯影時(shí)間2～4 min，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同曝光時(shí)間下BCB線條照片

曝光時(shí)間過短，會導(dǎo)致BCB膜層交聯(lián)不夠，顯影時(shí)的側(cè)腐蝕過大而導(dǎo)致細(xì)線條脫落，如圖3（a）所示。當(dāng)曝光時(shí)間過長時(shí)，會由于紫外線在基板表面反射而導(dǎo)致細(xì)線條底部留有殘膠不能顯影干凈，如圖3（e）和（f）所示。綜合以上結(jié)果，可以得出針對8 μm厚的BCB膠膜采用7～8 s的曝光時(shí)間比較合適。

針對線條底部發(fā)彩的現(xiàn)象進(jìn)行研究分析，發(fā)現(xiàn)彩色實(shí)為BCB顯影液的殘留，如圖4（a）所示。對此進(jìn)行工藝改進(jìn)，在顯影之后浸泡清洗液，并選用RIE干法處理，很好地去除掉線條中的彩色痕跡，結(jié)果如圖4（b）所示。

圖4 顯影后處理對照

3.2 固化工藝

已涂敷好的BCB介質(zhì)膜必須進(jìn)行固化，通過熱固化中的化學(xué)反應(yīng)使分子基團(tuán)結(jié)構(gòu)變化，從而獲得良好的耐高溫性能和抗刻蝕能力，可以經(jīng)受住后續(xù)工藝中濺射、光刻、電鍍、刻蝕等工藝中化學(xué)液、機(jī)械力、等離子的沖擊。由于BCB介質(zhì)的骨架中含有硅基，而在固化過程中氧會和硅基發(fā)生反應(yīng)，對BCB介質(zhì)膜的強(qiáng)度產(chǎn)生影響，因此BCB介質(zhì)層的固化過程需要控制氧氣的含量。在本研究中通過真空共晶爐的充氮?dú)夤δ軄硖峁┢涔袒璧膮捬鯕夥铡?/p>

根據(jù)BCB推薦參數(shù)設(shè)置不同的固化曲線，對BCB固化工藝進(jìn)行研究。通過在固化后的BCB膜層上面制作新的金屬膜層，并進(jìn)行熱處理觀察膜層的褶皺情況來判斷膜層是否固化完全。結(jié)果如表2所示。

表2 不同固化曲線下介質(zhì)的固化效果

如果膜層固化不完全，如表2中第一種固化方案，在后期表面再制作金屬膜層后加熱處理會出現(xiàn)褶皺的情況，如圖5（a）所示；而固化完全的膜層在后期熱處理時(shí)依舊平坦，如圖5（b）所示。

圖5 不同固化曲線下BCB的固化效果

同時(shí)考慮到蘭格耦合器后期的組裝工藝，譬如選用金錫共晶工藝（金錫共晶的溫度是280～300℃）較高的固化溫度將有利于電路的可靠性，因此BCB的最優(yōu)固化工藝條件是在真空共晶爐充氮?dú)夂笙仍?50℃下加熱15 min，而后在300℃下繼續(xù)固化60 min。

考慮到后續(xù)工藝中涉及到的腐蝕溶液，將固化后的BCB介質(zhì)層樣品分別浸泡于去膠液、濕法腐蝕液、顯影液、丙酮等腐蝕溶液中，并模擬后續(xù)的工藝環(huán)境，以此檢驗(yàn)介質(zhì)層在后續(xù)工藝過程中的抗腐蝕能力和穩(wěn)定性。通過試驗(yàn)驗(yàn)證，固化好后的BCB介質(zhì)層表面沒有出現(xiàn)針孔、損壞等情況，說明介質(zhì)層的抗刻蝕能力較好，能夠滿足后續(xù)工藝過程的使用要求，選取的介質(zhì)層最優(yōu)固化參數(shù)滿足介質(zhì)層完全固化的要求。

4 試驗(yàn)樣件

根據(jù)以上工藝流程及實(shí)驗(yàn)優(yōu)化的BCB光刻及固化工藝參數(shù)，在Al2O3陶瓷上制備出了基于BCB介質(zhì)橋的蘭格耦合器（如圖6所示），并用測量顯微鏡和臺階儀對蘭格耦合器中的線寬和介質(zhì)厚度進(jìn)行了測試。介質(zhì)層厚度 8.1 μm，線條精度優(yōu)于±2 μm。

圖6 蘭格耦合器實(shí)物照片

該型蘭格耦合器設(shè)計(jì)使用頻段是9～11 GHz，且在該頻帶范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)3 dB分路。使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對蘭格耦合器樣件進(jìn)行S參數(shù)測試，測試結(jié)果如圖7所示，從圖中可以看出，在設(shè)計(jì)頻帶范圍內(nèi)S21為2.9～2.95dB，S11優(yōu)于16dB，電性能滿足設(shè)計(jì)使用要求。

圖7 蘭格耦合器S參數(shù)

5 結(jié)束語

BCB是一種廣泛應(yīng)用的介質(zhì)膜層，具有良好的介電性能和可加工性，采用光敏BCB介質(zhì)制備介質(zhì)橋替代空氣橋可大大提高蘭格耦合器的可靠性。通過對光敏BCB加工工藝流程中的光刻和固化等重要影響因素進(jìn)行分析研究，確定了蘭格耦合器的加工流程，最終制備出基于BCB介質(zhì)橋的蘭格耦合器樣件，對基于BCB介質(zhì)膜層的薄膜電路加工具有借鑒意義。