杜立群 ，齊磊杰 ，朱和卿 ，趙 雯 ，阮久福

（1.大連理工大學(xué)，精密與特種加工教育部重點實驗室，遼寧大連116024；2.大連理工大學(xué)，遼寧省微納米及系統(tǒng)重點實驗室，遼寧大連116024；3.合肥工業(yè)大學(xué)光電技術(shù)研究院，安徽合肥230009）

微波功率分配器（簡稱功分器）是一種將輸入 信號能量按設(shè)計比例進行分配輸出的器件，廣泛應(yīng)用于微波通信、微波測量、相控陣雷達等系統(tǒng)中，是現(xiàn)代射頻微波系統(tǒng)中的重要組成部分[1-3]?，F(xiàn)階段常用的功分器主要為微帶功分器和腔體功分器。微帶功分器具有體積小、功耗低、輸出端口隔離度高等優(yōu)點[4-5]，但是隨著射頻微波系統(tǒng)應(yīng)用頻率和集成化程度的提高，微帶功分器輸出微帶線之間會產(chǎn)生強烈的互耦，帶來嚴重的輻射損耗，使系統(tǒng)性能大幅下降。腔體功分器因在內(nèi)導(dǎo)體外圍加上了金屬腔作為屏蔽，解決了微帶功分器高頻工況下線間輻射損耗嚴重的問題，但同時也導(dǎo)致其外形尺寸相應(yīng)增加，難以滿足射頻微波系統(tǒng)集成化方向發(fā)展的需求。因此，研制體積小、損耗低、性能良好的腔體類功分器件顯得尤為必要。

Li等[6]設(shè)計了一款用于W波段的硅基T型功分器，并采用深反應(yīng)離子刻蝕（DRIE）技術(shù)完成了波導(dǎo)腔的加工。深反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)具有各向異性刻蝕能力突出、加工精度高、刻蝕深寬比大、自動化程度高等優(yōu)點[7]，但其難以加工出具有變截面形狀的器件，并且由于硅是脆性材料，在制作時易出現(xiàn)碎裂，導(dǎo)致制作失敗。孫玉潔等[8]設(shè)計了一款中心頻率為400 GHz、用于實現(xiàn)功率定向分配的波導(dǎo)型耦合器，并采用UV-LIGA工藝和犧牲層技術(shù)相結(jié)合的方法進行器件加工，其制作過程主要分為：耦合器上、下蓋制作及腔體結(jié)構(gòu)制作；制作完成后將上、下蓋和腔體結(jié)構(gòu)進行金屬化處理，再將上、下蓋和腔體結(jié)構(gòu)裝配在一起完成耦合器的制作，其制作過程較復(fù)雜，且需進行裝配，極易造成裝配誤差，導(dǎo)致加工出的耦合器性能不夠理想。

本文以UV-LIGA技術(shù)為基礎(chǔ)，采用正負膠相結(jié)合的方法，通過疊層光刻和微電鑄銅工藝，在金屬基底上制作出了同軸結(jié)構(gòu)的微射頻T形功分器，解決了現(xiàn)有制作方法中存在的加工形狀受限、基底易碎、制作流程繁瑣等問題，為微型功分器的制作提供了新思路。

1 微射頻T形功分器的制作

本文研制的微射頻T形功分器由外導(dǎo)體、內(nèi)導(dǎo)體、支撐體三部分組成（圖1）。根據(jù)設(shè)計要求和結(jié)構(gòu)特點，將該器件如圖2所示分為四層不同結(jié)構(gòu)進行疊層制作，各層高度依次為 60、40、60、50 μm。 微射頻T形功分器制作的大致流程為：以交聯(lián)后的SU-8膠膠膜作為支撐體，采用AZ 50XT正性光刻膠制作各層微電鑄用膠模；在制得的膠模內(nèi)進行微電鑄銅；電鑄完成后，用丙酮溶液將腔體內(nèi)的AZ 50XT光刻膠溶解掉，得到設(shè)計的微射頻T形功分器。具體的工藝流程見圖3。

1.1 基板預(yù)處理

依設(shè)計要求選用銅板作為微電鑄用的基底，由于設(shè)備限制，最終選用尺寸為64 mm×64 mm×3 mm的銅基板。為了保證后續(xù)制作過程中AZ 50XT膠膜的質(zhì)量和曝光時的對準精度，在正式制作結(jié)構(gòu)前需對基板進行研磨、拋光處理。

圖1 微射頻T形功分器三維示意圖

圖2 A-A截面圖

圖3 微射頻T形功分器制作流程圖

1.2 制作背面對準標記點

在制作過程中，由于正性光刻膠透光度低，采用正面對準的方法會降低光刻時的對準精度，因此本文采用制作背面對準標記點的方法來提高各層之間的對準精度。標記點主要通過掩蔽層光刻工藝、濕法腐蝕工藝制作，其工藝流程見圖4。首先，利用掩蔽層光刻工藝制作出標記點的圖形；然后，利用濕法腐蝕工藝對圖形化后的基板進行刻蝕；最后，去除掩蔽層制得標記點圖形。圖5是去除掩蔽層后得到的標記點。

圖4 背面刻蝕流程圖

圖5 刻蝕得到的標記點（×40）

1.3 制作各層微結(jié)構(gòu)

（1）第一層：首先，在清洗干凈的銅基板表面制作出高度約為60 μm的SU-8膠膠膜；接著，通過光刻形成用于支撐內(nèi)導(dǎo)體的SU-8膠柱條；然后，制作一層高度略高于60 μm的AZ 50XT正性光刻膠膠膜，并通過光刻工藝制作出第一層外導(dǎo)體膠模，隨后進行微電鑄銅。電鑄完成后，需進行平坦化處理，以去除鑄層不均勻部分。

（2）第二層：首先，清洗結(jié)構(gòu)表面并烘干，再濺射金屬種子層，隨后用AZ 703光刻膠做掩蔽層刻蝕掉裸露的金屬；接著，用甩膠機勻一層厚度約為40 μm的AZ 50XT光刻膠，通過特定的掩膜版進行分次曝光、顯影，制作出內(nèi)導(dǎo)體和第二層外導(dǎo)體膠模結(jié)構(gòu)；最后，進行微電鑄銅。電鑄完成后，進行研磨處理，以去除鑄層的不均勻部分，研磨后還需清洗、烘干。

（3）第三層：首先，制作出一層高度約為 60 μm的AZ 50XT膠膜；接著，通過特定的掩膜版進行分次曝光、顯影，制得第三層電鑄用膠模，然后進行微電鑄銅。電鑄完成后，再進行后續(xù)處理。

（4）第四層：首先，清洗結(jié)構(gòu)表面并烘干，再濺射一層金屬種子層，用AZ 703光刻膠做掩蔽層刻蝕掉多余的金屬，將AZ 50XT光刻膠厚度勻至約50 μm，通過光刻和微電鑄工藝制作出第四層外導(dǎo)體，在電鑄完成后進行磨平處理；最后，用丙酮溶液溶解腔體內(nèi)的AZ 50XT膠膜，得到所設(shè)計的微射頻T形功分器。該功分器的SEM圖見圖6。

圖6 微射頻T形功分器SEM圖

2 工藝問題及討論

2.1 AZ 50XT膠膜側(cè)壁的陡直性

各層微電鑄用膠膜厚度均為數(shù)十微米，膠膜厚度大，與薄膠膜的制作過程相比，厚膠膜制作過程中存在多種非線性畸變因素[9]，導(dǎo)致難以獲得側(cè)壁陡直的AZ 50XT膠模。針對該問題，采取如下的解決方法：

（1）預(yù)曝光。曝光劑量的選擇和膠膜厚度密切相關(guān)。由于無法準確獲得前烘后膠膜的厚度，曝光劑量就不能準確控制，光刻后膠膜側(cè)壁的陡直性就差。利用正性光刻膠被紫外光照射到的地方在隨后的顯影過程中會溶解在顯影液中的特性，提出了如圖7所示的預(yù)曝光的方法，其詳細步驟如下：① 用帶有特定圖案的掩膜版光刻出基準點，并測量膠膜厚度；②計算光刻基準點時所用曝光劑量；③ 根據(jù)步驟②所得數(shù)據(jù)估算出光刻微結(jié)構(gòu)時所需的曝光劑量；④光刻微結(jié)構(gòu)。

圖7 預(yù)曝光示意圖

（2）分次曝光。波長一定的紫外光在AZ 50XT光刻膠中傳播時，光刻膠中的光引發(fā)劑吸收光子能量發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，光強不斷被削弱。假定前烘后的AZ 50XT光刻膠為均勻介質(zhì)，根據(jù)Lambert經(jīng)驗公式，可得到光強在AZ 50XT中的傳播公式[10]：

式中:α為AZ 50XT對紫外光的吸收系數(shù)；z為AZ 50XT膠膜的厚度 （方向與光傳播方向相同）；I0為AZ 50XT膠膜上表面光強的大??；I（z）為 AZ 50XT膠厚度為z時光強的大小。

則曝光劑量為：

式中：J（z）為AZ 50XT膠厚度為z時的實際曝光劑量大?。籺為曝光時間。

由式（1）和式（2）可得，在相同曝光時間下，隨著膠厚的增加，AZ 50XT膠膜內(nèi)部實際曝光劑量呈指數(shù)遞減。在制作過程中，各層膠膜都很厚且AZ 50XT光刻膠的光吸收系數(shù)較大，若按常規(guī)的一次曝光方式進行曝光，需增大曝光劑量。由于光刻機的曝光光強無法改變，需延長曝光時間。長時間的曝光，一方面會加劇衍射效應(yīng)，另一方面會使膠膜頂部的曝光劑量過大，導(dǎo)致頂層膠膜被“燒焦”，而頂層被“燒焦”的膠膜在隨后的顯影過程中會阻礙顯影。這兩方面的共同作用，導(dǎo)致光刻后膠膜溝道側(cè)壁陡直性差、膠膜溝道邊緣發(fā)黑（圖8a）。鑒于以上原因，本文提出了分次曝光的方法，使得每次的曝光劑量控制在合適范圍內(nèi)，減小了衍射效應(yīng)，解決了頂部膠膜被燒焦的問題，從而獲得側(cè)壁陡直的膠膜微結(jié)構(gòu)（圖8b）。

圖8 工藝改進前、后的膠膜

2.2 內(nèi)導(dǎo)體與支撐體界面的結(jié)合性能

采用改進后的光刻工藝可獲得側(cè)壁陡直性良好的膠膜微結(jié)構(gòu)，再在膠膜微結(jié)構(gòu)內(nèi)進行精密微電鑄，制作出微射頻T形功分器。但是，由于內(nèi)導(dǎo)體和支撐體之間結(jié)合強度不夠，在隨后的釋放過程中易出現(xiàn)如圖9所示的內(nèi)導(dǎo)體與支撐體分離現(xiàn)象。

圖9 內(nèi)導(dǎo)體與支撐體分離

為了增強內(nèi)導(dǎo)體與支撐體之間的結(jié)合強度，采取如下的措施：

（1）選用合適的種子層材料。支撐體和內(nèi)導(dǎo)體通過種子層聯(lián)接起來，因此支撐體和內(nèi)導(dǎo)體之間的結(jié)合力問題可歸結(jié)為支撐體和種子層之間的結(jié)合力問題。制作功分器的材料為金屬銅，而銅具有良好的導(dǎo)電性，較適于作為種子層，但由于金屬銅和SU-8支撐體之間粘附強度較低，在后處理過程中易出現(xiàn)內(nèi)導(dǎo)體和支撐體分離的情況。因此，需尋找一種與SU-8膠粘附強度較高的金屬作為種子層。表1是MEMS工藝中常用金屬的物理特性及其與SU-8膠之間的粘附強度[11]，可見，金屬鈦和SU-8膠之間的結(jié)合強度最高，因此在隨后的工藝中選擇鈦作為金屬種子層。

表1 SU-8膠和典型金屬之間的粘附強度

（2）氧等離子體處理。氧等離子體可破壞SU-8膠的分子結(jié)構(gòu)，將大量氧原子和少量氮原子引入SU-8膠膜表面，從而生成酯基、羰基、氮-氧等含氧基團，增強了SU-8膠膜表面的極性和可潤濕性；同時，濺射和刻蝕作用改變了SU-8膠膜表面形貌，使表面粗糙度值變大，增大了接觸面積[12-13]。改性后的SU-8膠膜表面自由能明顯提高，有利于提高種子層和SU-8膠膜之間的結(jié)合強度。

采用上述工藝后，內(nèi)導(dǎo)體和SU-8支撐體之間的結(jié)合強度得到了明顯提高，內(nèi)導(dǎo)體和支撐體分離問題得到了有效解決（圖10）。

圖10 內(nèi)導(dǎo)體與支撐體結(jié)合良好

2.3 鑄層高度的測量

由圖2可知，本文研制的微射頻T形功分器對各層微結(jié)構(gòu)高度有嚴格要求，因此在各層微結(jié)構(gòu)制作完成后需對其高度進行測量。利用AZ 50XT正性光刻膠被紫外光照射到的地方在隨后的顯影過程中會溶解于顯影液中的特性，本文采用在各層微結(jié)構(gòu)電鑄完成后增加一次光刻的方法，將測量高度用基準點裸露出來，進而測量各層微結(jié)構(gòu)的高度。該方法的示意圖見圖11。

2.4 種子層側(cè)蝕

微射頻T形功分器在制作過程中需濺射兩層金屬種子層，如果在微結(jié)構(gòu)制作完成后再用濕法腐蝕工藝去除種子層，由于要制作的微射頻T形功分器為半封閉腔體結(jié)構(gòu)，腐蝕液難以進入結(jié)構(gòu)內(nèi)部，將導(dǎo)致處理結(jié)果不夠理想。本文在制作過程中將種子層刻蝕工序放置于種子層制作完成后，降低了后處理的難度，但同時也帶來了新的問題：種子層的刻蝕速率過快，刻蝕終點不易掌握，易造成種子層產(chǎn)生側(cè)蝕，在細線寬處甚至出現(xiàn)了刻蝕對穿現(xiàn)象（圖12）。由于采用疊層制作，種子層的側(cè)蝕量過大，在下一層膠膜光刻過程中會有部分紫外光直接照射到上一層膠膜，造成上一層一定厚度的膠膜被曝光，顯影時這部分膠膜會溶解于顯影液中并形成空腔，在隨后的電鑄過程中，這些空腔被金屬鑄層填充（圖13），會降低器件的使用性能。

圖11 測量微結(jié)構(gòu)高度示意圖

圖12 細線寬刻蝕對穿現(xiàn)象

圖13 過度刻蝕造成的多鑄

為了解決上述問題，采用如下的工藝方法：

（1）縮放掩膜版尺寸。設(shè)計掩膜版時，在器件設(shè)計尺寸的基礎(chǔ)上加上側(cè)蝕尺寸，用于抵消腐蝕過程中產(chǎn)生的側(cè)蝕。在前期的制作過程中發(fā)現(xiàn)，掩蔽層膠膜線寬會影響種子層的側(cè)蝕量，膠膜線寬與種子層側(cè)蝕量之間呈負相關(guān)關(guān)系。因此，在設(shè)計掩膜版時，針對不同線寬的圖形進行了不同尺寸的縮放。

（2）增加掩蔽層膠膜厚度。采用縮放過尺寸的掩膜版后，制得的種子層多數(shù)符合設(shè)計要求，但仍有部分結(jié)構(gòu)的種子層出現(xiàn)過度刻蝕問題。由圖14可見，由于在刻蝕過程中掩蔽層膠膜產(chǎn)生了“起膠”現(xiàn)象，導(dǎo)致種子層過度刻蝕。通過文獻了解到，采用增加掩蔽層膠膜厚度的方法可解決硅干法刻蝕過程中細線條膠膜處出現(xiàn)的扒膠問題[14]。因此，本文借鑒該方法解決了刻蝕過程中出現(xiàn)的“起膠”問題。采用改進工藝得到的種子層見圖15。

圖14 掩蔽層膠膜“起膠”現(xiàn)象

3 結(jié)束語

為了滿足射頻微波系統(tǒng)對小型化功分器件的需求，本文提出了以光刻和微電鑄工藝為基礎(chǔ)，采用正負膠相結(jié)合措施在金屬基底上制作微射頻T形功分器的方法，研究了該功分器的制作工藝流程，并解決了制作過程中遇到的工藝難題，包括：支撐體與內(nèi)導(dǎo)體之間結(jié)合性、正性光刻厚膠光刻精度低、種子層側(cè)蝕等問題，最終制作出結(jié)構(gòu)尺寸為7700 μm×3900 μm×210 μm、最小線寬為 40 μm 的微射頻T形功分器。本文提出的工藝方法克服了現(xiàn)有方法制作微射頻T形功分器時存在的繁瑣工藝流程局限，為微型功分器的制作提供了一種可行的工藝參考方案。