專利名稱：高頻器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于微電子機(jī)械系統(tǒng)(Micro Electro Mechanical Systems，MEMS)的 高頻器件。
背景技術(shù)：
隨著 Si-CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor，互補(bǔ)型金屬氧化物 半導(dǎo)體)的小型化，晶體管屏蔽頻率已經(jīng)飛躍地提高到100GHz以上。因此，不言而喻，能夠 適用于主要在現(xiàn)有無線器件中使用的幾GHz頻帶，另外，期望能夠適用于60GHz以上的毫米 波段。這種應(yīng)用是所謂的RF-CM0S電路。利用CMOS將基帶部和RF前端部集成到一個芯片 上，能夠?qū)崿F(xiàn)成本的大幅度降低，從而促進(jìn)RF-CM0S電路的活躍發(fā)展。RF-CM0S電路發(fā)展中的一項任務(wù)例如是電感器。在RF-CM0S中，使用阻抗(從幾 Qcm 幾kQcm)比在化合物半導(dǎo)體中使用的半絕緣性GaAs基板的阻抗低的Si基板。因 此，在基板上形成有電感器的情況下，會產(chǎn)生該電感器與基板的電容性耦合以及渦流損耗 等。結(jié)果，CMOS片上電感器的Q值減小，這是實現(xiàn)RF-CM0S電路的低電力消耗和低成本的 障礙之一。作為提高包括電感器的高頻元件的Q值的試驗，已經(jīng)進(jìn)行了如下試驗。S卩，通過 將基板的一部分除去，試圖減小高頻元件與基板之間的寄生電容，或者試圖抑制渦流損耗。 例如，已經(jīng)報導(dǎo)了下面的示例(例如，C. Y. Chi和G. M. Rebeiz的"Planer microwave and millimeter—wave lumped elements and coupled-line filters using micromachining techniques，，IEEE Trans. Microwave Theory Tech. , vol. 43, No. 4,第 730-738 頁，1995)。 在本示例中，在通過使用氫氧化鉀從Si基板的背面進(jìn)行蝕刻而形成的隔膜上設(shè)置電感器。 因此，提高了諧振頻率，并且實現(xiàn)了高Q值(在30 40GHz下，Q值為50 60)。此外，下面 還有另一個示例(例如，日本專利公開公報特開2002-222912號)。在本示例中，在高頻多芯 片模塊(Multi Chip Module，MCM)中，通過深反應(yīng)離子蝕刻(De印 Reactive Ion Etching, DRIE)從基板的背面選擇性地除去基板，并在包含苯并環(huán)丁烯(benzocyclobuten，BCB)等 的有機(jī)薄膜(隔膜)上形成濾波器和天線。因此，實現(xiàn)了具有小損失的陡峭頻率特性。然而，通常，前述隔膜結(jié)構(gòu)(薄膜結(jié)構(gòu))的機(jī)械強(qiáng)度很弱。此外，在從背面除去基板 的蝕刻過程中對隔膜的損壞會使強(qiáng)度進(jìn)一步減小。特別地，在隔膜的設(shè)計膜厚較小或者設(shè) 計面積較大的情況下，裝配過程中的芯片處理變得困難，另外，隔膜本身對自身的支撐也很 困難。此外，例如，在電感器和天線的情況下，如果試圖實現(xiàn)必要的特性值，則元件尺寸幾乎 是唯一確定的。因此，在隔膜結(jié)構(gòu)上形成諸如電感器和天線等具有相對較大面積的元件的
3情況下，就強(qiáng)度問題而言會使產(chǎn)率下降。要解決這種情況，就存在應(yīng)當(dāng)增大布線設(shè)計尺寸， 例如，應(yīng)當(dāng)增加隔膜厚度的缺點。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述缺點，在本發(fā)明中，期望提供一種具有機(jī)械強(qiáng)度得到提高的隔膜結(jié)構(gòu)的 高頻器件。本發(fā)明實施例提供第一高頻器件，其包括基板，它具有開口 ；第一介電層，它由 對所述基板的材料具有蝕刻選擇性的材料形成，并被設(shè)置在所述基板上并覆蓋所述開口 ； 第二介電層，它位于所述第一介電層上；以及高頻元件，它被設(shè)置在所述第二介電層上與所 述開口相對的位置處。在所述第一高頻器件中，在所述基板與作為元件形成層的所述第二介電層之間設(shè) 置有阻擋層(第一介電層)。因此，在從所述基板的背面?zhèn)冗M(jìn)行蝕刻從而形成所述開口時， 不會損壞所述元件形成層(第二介電層)。本發(fā)明實施例提供了第二高頻器件，其包括基板，它具有開口 ；介電層，它被設(shè) 置在所述基板上且覆蓋所述開口 ；高頻元件，它被設(shè)置在所述介電層上與所述開口相對的 位置處；以及加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，它用于所述介電層且與所述基板一體形成，并具有將所述開口的內(nèi) 部分成多個區(qū)域的圖形。在所述第二高頻器件中，通過所述開口中的與所述基板一體形成的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，增 大了作為器件形成層的所述介電層的機(jī)械強(qiáng)度。根據(jù)本發(fā)明實施例的第一高頻器件，作為阻擋層的所述第一介電層設(shè)置在所述基 板與作為元件形成層的所述第二介電層之間。這樣，能夠防止所述元件形成層(第二介電 層)被在所述基板中形成所述開口時進(jìn)行的蝕刻損壞。因此，提高了機(jī)械強(qiáng)度，并且提高了
制造產(chǎn)率。根據(jù)本發(fā)明實施例的第二高頻器件，在所述基板的開口中設(shè)有與所述基板一體形 成的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，并且所述開口的內(nèi)部被分成多個區(qū)域。因此，與所述第一高頻器件中一樣， 提高了所述元件形成層(介電層)的機(jī)械強(qiáng)度，并且提高了制造產(chǎn)率。下面的說明將更全面地顯示出本發(fā)明的其他和進(jìn)一步的目的、特征及優(yōu)點。


圖1是本發(fā)明第一實施例的高頻器件的平面圖和截面圖。圖2A 圖2C是圖示了圖1所示的高頻器件的制造方法示例的截面圖。圖3A 圖3C是圖示了圖2A 圖2C后續(xù)步驟的截面圖。圖4A和圖4B是圖示了圖1所示的高頻器件的電感和Q值以及比較例的電感和Q 值的特性圖。圖5是本發(fā)明第二實施例的高頻器件的平面圖和截面圖。圖6是本發(fā)明第三實施例的高頻器件的平面圖和截面圖。圖7是本發(fā)明第四實施例的高頻器件的截面圖。圖8是圖示了高頻器件裝配示例的截面圖。圖9是圖示了高頻器件變形例的平面圖和截面圖。
具體實施例方式下面參照

本發(fā)明的實施例，說明的順序如下第一實施例(1)整體結(jié)構(gòu)(2)制造方法第二實施例具有加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的高頻器件的整體結(jié)構(gòu)第三實施例具有作為高頻元件的天線的高頻器件第四實施例裝配示例1.第一實施例(1)整體結(jié)構(gòu)圖1圖示了本發(fā)明第一實施例的高頻器件1的結(jié)構(gòu)。圖1中的部分㈧圖示了俯 視時高頻器件1的平面結(jié)構(gòu)。圖1中的部分(B)圖示了沿圖1的部分(A)中的線I-I得到 的截面結(jié)構(gòu)。圖1中的部分(C)圖示了仰視時高頻器件1的平面結(jié)構(gòu)。高頻器件1具有如 下結(jié)構(gòu)在基板11上依次層疊有作為隔膜的阻擋層12以及介電層13。在介電層13(元件 形成層)上形成有高頻元件14。在基板11中，通過除去基板11的一部分形成有開口 15?；?1例如是硅基板。基板11可由諸如合成石英、玻璃、金屬、樹脂和樹脂膜等 其他材料制成。阻擋層12 (第一介電層)由包含例如硅(Si)的介電材料形成。在蝕刻基板11時 阻擋層12的材料相對于基板11具有選擇性就足夠了，并且根據(jù)基板11的材料對阻擋層12 的材料進(jìn)行適當(dāng)選擇。蝕刻是指諸如深反應(yīng)離子蝕刻(De印Reactive Ion Etching, DRIE) 等干式蝕刻，但不限于此。例如，也可以使用濕式蝕刻。作為元件形成層的介電層13(第二介電層)由有機(jī)材料或無機(jī)材料形成?？紤] 尺寸、膜厚和所需高頻特性等來選擇材料。對于有機(jī)材料，例如能夠使用諸如苯并環(huán)丁烯 (BCB)、聚酰亞胺(PI)、聚對二甲苯(parylene)和類金剛石碳(diamond-like carbon,DLC) 等低介電常數(shù)材料。對于無機(jī)材料，例如使用主要成分例如為Si02或SiN的材料。有機(jī)材 料具有高頻特性高以及容易形成厚膜等優(yōu)點。此外，無機(jī)材料具有如下優(yōu)點盡管難以形成 厚膜，但由于與Si的熱膨脹差很小因而不易產(chǎn)生應(yīng)力。高頻元件14是由例如AlCu等金屬材料形成的線圈狀電感器14A。在此情況下，電 感器14A具有兩層結(jié)構(gòu)，但也可以具有一層結(jié)構(gòu)。高頻元件14形成在與形成于基板11中 的開口 15相對的位置處(在開口 15中)。下面，參照圖2A 圖2C以及圖3A 圖3C說明高頻器件1的制造方法。(2)制造方法首先，如圖2A所示，在基板11上形成阻擋層12。在此情況下，由于基板11的材料 是硅，因而形成對硅具有蝕刻選擇性的氧化硅膜作為阻擋層12。具體地，例如，在1000°C下 對厚度為0. 6mm的硅基板11進(jìn)行加熱，從而在水蒸氣氣氛下通過熱氧化，在基板11的正面上形成厚度為3 ym的氧化硅膜。接著，對基板11 一側(cè)(背面)上的氧化硅層進(jìn)行研磨，并 將其除去，從而得到例如厚度為0. 5mm的基板11。因此，在基板11的正面上形成了由氧化 硅膜構(gòu)成的阻擋層12。隨后，如圖2B所示，例如，在阻擋層12上沉積AlCu。通過例如干式蝕刻將生成物 形成為給定形狀，由此形成作為第一層的金屬布線14a。隨后，如圖2C所示，在阻擋層12和 金屬布線14a上形成介電層13。在此情況下，使用例如作為在高頻下具有低損耗的低介電 常數(shù)材料的BCB，通過旋轉(zhuǎn)涂敷方法形成介電層13。接著，如圖3A所示，在介電層13中形成到達(dá)金屬布線14a的通孔16a和16b。此 后，如圖3B所示，在通孔16a和16b中以及介電層13上形成作為第二層的金屬布線14c。 具體地，例如，與金屬布線14a相同，沉積AlCu，并通過光刻和干式蝕刻形成電感器的線圈 狀圖形。此時，金屬布線14c通過過孔接觸部14b與金屬布線14a電連接。最后，如圖3C所示，從基板11的背面?zhèn)刃纬砷_口 15。具體地，例如，在基板11的 背面上形成硬掩模。此后，例如通過深反應(yīng)離子蝕刻(De印Reactive Ion Etching,DRIE) 對基板11進(jìn)行蝕刻，從而形成開口 15并得到所需的隔膜結(jié)構(gòu)。對于蝕刻條件，使用通常被 稱作B0SCH處理的如下方法通過交替地重復(fù)進(jìn)行利用SF6氣體的蝕刻步驟以及利用C4F8 的鈍化步驟來獲得垂直加工形狀。此時，阻擋層12存在于基板11和介電層13之間。因此， 蝕刻在阻擋層12中停止，并且不會損壞介電層13。蝕刻方法不限于上述方法，也可以采用 使用四甲基氫氧化銨水溶液(TMAH)等的濕式蝕刻方法。如上所述，本實施例的高頻器件1具有隔膜結(jié)構(gòu)，其中，在基板11上形成有阻擋層 12、介電層13和高頻元件14(電感器14A)，并且在基板11的與高頻元件14相對的位置處 設(shè)有開口 15。圖4A和圖4B圖示了具有開口 15的高頻器件1與不具有開口(沒有隔膜結(jié) 構(gòu))的器件(比較例)之間的電感系數(shù)(圖4A)和Q值(圖4B)的比較。在圖4A中，比較 例的電感系數(shù)隨著頻率的增大而逐漸增大，而高頻器件1的電感系數(shù)幾乎恒定。在圖4B中， 發(fā)現(xiàn)在頻率5GHz附近，比較例的Q值出現(xiàn)約40的峰值，而高頻器件1的Q值不斷增大，直 到約8GHz以上的頻率該Q值達(dá)到70。從上述結(jié)果能夠發(fā)現(xiàn)，在包括基板11中設(shè)有開口 15 的隔膜結(jié)構(gòu)的情況下，器件能夠用在較寬的頻率范圍內(nèi)，特別是高頻區(qū)域內(nèi)。此外，在本實施例的高頻器件1中，在基板11與介電層13之間設(shè)有阻擋層12。因 此，在基板11中形成開口 15時，蝕刻在阻擋層12中停止。因此，在不損壞隔膜17中所包 含的介電層13的情況下，能夠提高隔膜17的機(jī)械強(qiáng)度。因此，能夠提高制造產(chǎn)率。此外，可以獨立于基板11的蝕刻條件自由地設(shè)定介電層13的材料和膜厚等。第二實施例圖5圖示了本發(fā)明第二實施例的高頻器件2的截面結(jié)構(gòu)。圖5中的部分㈧圖示 了高頻器件2的截面結(jié)構(gòu)。圖5中的部分(B)和部分(C)圖示了仰視時高頻器件2的平面 結(jié)構(gòu)。本實施例適于隔膜17(阻擋層12和介電層13)有必要具有較大面積的情況。與第 一實施例相同的元件被賦予相同的附圖標(biāo)記，并不再贅述。與第一實施例類似地，高頻器件2具有在基板11上的阻擋層12、介電層13和高頻 元件14(電感器14A)，但與第一實施例不同的是高頻器件2具有位于開口 15中的加強(qiáng)結(jié) 構(gòu)18。加強(qiáng)結(jié)構(gòu)18與基板11 一體成型，并且例如通過上述DRIE方法與基板11中的開口 15同時形成。在由于留下基板11的部分作為加強(qiáng)結(jié)構(gòu)18而在高頻元件14中產(chǎn)生特性劣化的情況下，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)18的圖形被形成為使特性劣化最小化的結(jié)構(gòu)。開口 15的內(nèi)部(S卩，介電層13上的高頻元件14)被加強(qiáng)結(jié)構(gòu)18的圖形分成多個 區(qū)域。在此情況下，例如，該圖形具有自開口 15中央的放射狀(圖5中的部分(B))，或者具 有將開口 15分成四等份的十字形狀(圖5中的部分(C))。因此，能夠降低渦流的發(fā)生，并 能夠抑制Q值的下降。其他結(jié)構(gòu)與第一實施例的結(jié)構(gòu)實質(zhì)上相同。在電感器14A需要較高電感系數(shù)的情況下，可以增大電感器14A的環(huán)路直徑。這 樣，隔膜17(即，開口 15)的面積應(yīng)該隨著環(huán)路直徑的增大而增大。然而，如果單純地增大 隔膜17的面積，則會使機(jī)械強(qiáng)度下降。在本實施例的高頻器件2中，在對基板11進(jìn)行蝕刻來形成開口 15時，將開口 15 中的部分基板留下以設(shè)置加強(qiáng)結(jié)構(gòu)18。加強(qiáng)結(jié)構(gòu)18的圖形將隔膜17分成多個小區(qū)域。因 此，能夠抑制會導(dǎo)致彎曲和斷裂的機(jī)械強(qiáng)度的下降。因此，在高頻器件2包括較大面積的隔 膜17的情況下，可獲得所需的機(jī)械強(qiáng)度，并能夠提高制造產(chǎn)率。此外，通過設(shè)置加強(qiáng)結(jié)構(gòu) 18，同時也能提高芯片自身的機(jī)械強(qiáng)度。因此，能夠使裝配時的處理變得容易。與第一實施 例一樣，通過在基板11與介電層13之間設(shè)置阻擋層12，防止了蝕刻對介電層13的損壞。第三實施例圖6圖示了本發(fā)明第三實施例的高頻器件3。圖6中的部分㈧圖示了俯視時高 頻器件3的平面結(jié)構(gòu)。圖6中的部分(B)圖示了沿圖6的部分(A)中的線II-II得到的截 面結(jié)構(gòu)。圖6中的部分(C)圖示了仰視時高頻器件3的平面結(jié)構(gòu)。高頻器件3包括作為高頻元件14的天線14B。天線14B是由線狀輻射元件14d、 向輻射元件14d供電的供電線14e以及GND區(qū)域14f構(gòu)成的倒F型片上天線。加強(qiáng)結(jié)構(gòu)18 具有與輻射元件14d的長度方向垂直的圖形，并且將輻射元件14d分成多個區(qū)域。因此，在 抑制了對于天線14B的方向性和頻率變化的影響的同時，能夠提高隔膜17的強(qiáng)度。其他結(jié) 構(gòu)與第一實施例的結(jié)構(gòu)實質(zhì)上相同。第四實施例圖7圖示了第四實施例的高頻器件4。在第二實施例中，阻擋層12與加強(qiáng)結(jié)構(gòu)18 一起設(shè)置。在本實施例中，沒有設(shè)置阻擋層12，而僅設(shè)置了加強(qiáng)結(jié)構(gòu)18。在此情況下，開口 15不必是貫穿基板11的開口，也可以具有溝槽結(jié)構(gòu)或凹部結(jié)構(gòu)。通過采用這種結(jié)構(gòu)，能夠 提高隔膜17的機(jī)械強(qiáng)度。裝配示例圖8圖示了將例如高頻器件2裝配到印刷電路板(Printed Circuit board, PCB) 23上的示例。出于耐環(huán)境性和長期可靠性考慮，期望以氣密密封狀態(tài)裝配高頻器件2。 因此，在隔膜17的上方，利用由例如玻璃、石英和硅等制成的基板來設(shè)置晶片級封裝的蓋 層19以密封隔膜17。在隔膜17下方的基板11中，例如形成有穿透電極(TSV) 20。禾Ij用穿 透電極20和焊接突起21將芯片裝配到PCB 23上。此后，利用模塑樹脂22進(jìn)行氣密密封。 高頻器件2的裝配方法不限于上述方法。不言而喻，能夠使用各種氣密密封方法的組合進(jìn) 行裝配。已經(jīng)參照第一 第四實施例以及裝配示例對本發(fā)明進(jìn)行了說明，但本發(fā)明不限于 上述實施例，而是可以進(jìn)行各種變形。例如，在上述實施例中，高頻元件14設(shè)置在與開口 15 中的區(qū)域相對的位置處。然而，高頻元件14可以從開口 15伸出，只要高頻元件14的特性
7實質(zhì)上不受影響即可。另外，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)18的圖形不限于上述實施例的圖形，也可以采用其他圖形。此外， 高頻元件14的形式不限于電感器14A和天線14B，也可以采用如電容器和高頻傳輸線等其 他形式。圖9圖示了例如適用于共面波導(dǎo)的高頻器件5。圖9中的部分(A)圖示了俯視時 高頻器件5的平面結(jié)構(gòu)。圖9中的部分(B)圖示了沿圖9的部分(A)中的線III-III得到 的截面結(jié)構(gòu)。圖9中的部分(C)圖示了仰視時高頻器件5的平面結(jié)構(gòu)。具體地，在高頻區(qū) 域中，由作為基板材料的Si所引起的介電損耗的影響很大。于是，通過將共面波導(dǎo)14C的 中心導(dǎo)體14h以及中心導(dǎo)體14h兩側(cè)的槽14g和14i附近形成為隔膜結(jié)構(gòu)，能夠抑制損耗。 此時，該隔膜結(jié)構(gòu)在波導(dǎo)方向上延伸。因此，通過形成與波導(dǎo)方向垂直的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)18，能夠 保持隔膜的強(qiáng)度。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，依據(jù)設(shè)計要求和其它因素，可以在本發(fā)明所附的權(quán)利 要求或其等同物的范圍內(nèi)進(jìn)行各種修改、組合、次組合及改變。
權(quán)利要求
1.一種高頻器件，其包括基板，它具有開口 ；第一介電層，它由對所述基板的材料具有蝕刻選擇性的材料形成，并被設(shè)置在所述基 板上且覆蓋所述開口；第二介電層，它位于所述第一介電層上；以及高頻元件，它被設(shè)置在所述第二介電層上與所述開口相對的位置處。
2.如權(quán)利要求1所述的高頻器件，所述高頻器件在所述基板的開口中具有用于所述第 一介電層和所述第二介電層的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。
3.如權(quán)利要求1所述的高頻器件，其中，與所述基板一體形成有加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，并且所述加 強(qiáng)結(jié)構(gòu)具有將所述開口的內(nèi)部分成多個區(qū)域的圖形。
4.如權(quán)利要求1所述的高頻器件，其中，所述高頻元件是電感器、天線、電容器或者傳 輸線。
5.如權(quán)利要求4所述的高頻器件，其中，所述高頻元件是電感器，并且所述加強(qiáng)結(jié)構(gòu)具 有將所述開口的內(nèi)部從中央分成多個區(qū)域的放射狀圖形。
6.如權(quán)利要求4所述的高頻器件，其中，所述高頻元件是具有線狀輻射元件的天線，并 且所述加強(qiáng)結(jié)構(gòu)具有與所述輻射元件的長度方向垂直的圖形。
7.如權(quán)利要求1所述的高頻器件，其中，所述基板由導(dǎo)電材料形成。
8.如權(quán)利要求1所述的高頻器件，其中，所述第二介電層由有機(jī)材料形成。
9.如權(quán)利要求8所述的高頻器件，其中，所述有機(jī)材料是苯并環(huán)丁烯、聚對二甲苯或聚 酰亞胺。
10.如權(quán)利要求1所述的高頻器件，其中，所述介電層由無機(jī)材料形成。
11.如權(quán)利要求10所述的高頻器件，其中，所述無機(jī)材料是氧化硅或氮化硅。
12.—種高頻器件，其包括基板，它具有開口 ；介電層，它被設(shè)置在所述基板上且覆蓋所述開口 ；高頻元件，它被設(shè)置在所述介電層上與所述開口相對的位置處；以及加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，它用于所述介電層且與所述基板一體形成，并具有將所述開口的內(nèi)部分成 多個區(qū)域的圖形。
全文摘要
本發(fā)明公開了具有機(jī)械強(qiáng)度得到提高的隔膜結(jié)構(gòu)的高頻器件。所述高頻器件包括基板，它具有開口；第一介電層，它由對所述基板的材料具有蝕刻選擇性的材料形成，并被設(shè)置在所述基板上且覆蓋所述開口；第二介電層，它位于所述第一介電層上；以及高頻元件，它被設(shè)置在所述第二介電層上與所述開口相對的位置處。因此，提高了機(jī)械強(qiáng)度，并且提高了制造產(chǎn)率。
文檔編號H01P1/203GK102005439SQ20101025868
公開日2011年4月6日 申請日期2010年8月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月27日
發(fā)明者外崎峰廣, 御手洗俊, 池田浩一 申請人:索尼公司