楊士成，張 楠，黃海濤，賈旭洲

(中國空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

根據(jù)國家高分對地觀測系統(tǒng)發(fā)展規(guī)劃，到2020年，建成覆蓋微波、可見光、紅外、多光譜、超光譜、激光等觀測譜段的，高中低軌道結(jié)合的，具有全天時、全天候及全球觀測能力的大氣、陸地、海洋先進觀測體系，建立穩(wěn)定的運行系統(tǒng)，形成完整的對地觀測體系。在整個對地觀測體系中，云是最重要的也是最難確定的氣象要素之一，特別是上對流層的冰云，在地球表面覆蓋率高，對地球能量平衡、氣候變化以及天氣演變具有重要的影響。但冰云中冰晶尺寸一般為幾到幾千微米，微波、毫米波波長相比來說太長，傳統(tǒng)的遙感系統(tǒng)所采用的微波、毫米波對冰云不敏感，而紅外、可見光對冰云的穿透性又差，均不能有效探測冰云，亟需開展新的探測手段的研究。處在微波、毫米波和紅外、可見光中間的太赫茲波 100 GHz～10 THz的波長更接近冰云中主要粒子的尺寸，因此，太赫茲頻段的亮溫對冰云、冰水路徑和冰晶尺寸等主要探測要素非常敏感，該頻段已經(jīng)被認為是開展冰云探測的最佳頻段。本項目將以冰云探測需求為背景，利用太赫茲頻段探測儀器對冰水粒子的敏感性來直接測量冰水路徑、冰粒子的尺寸等重要特征參數(shù)，突破天底觀測模式的太赫茲冰云探測儀總體技術(shù)、高靈敏度混頻接收、高主波束效率反射面天線、探測儀定標和冰云探測正反演等關(guān)鍵技術(shù)，完成太赫茲冰云天底探測儀原理樣機的研制，并基于原理樣機開展測試和驗證試驗。本項目的研究工作不僅在氣候研究和提升數(shù)值天氣預報精確度等方面具有重要意義，還能引領(lǐng)太赫茲技術(shù)的發(fā)展，帶動太赫茲頻段核心器件、大氣探測反演算法以及有效載荷應用技術(shù)的研究，為發(fā)展實用新型星載太赫茲探測儀和實現(xiàn)我國的冰云探測能力提供全面的理論和技術(shù)基礎(chǔ)。

1 頻率選擇表面設計

太赫茲探測儀中的關(guān)鍵組件之一是頻率選擇表面(frequency selective surface, FSS)，該探測儀使用5組FSS，分別工作在243 GHz(V)、325 GHz(V)、448 GHz(V)、664 GHz(V)和664 GHz(H)。信號進入系統(tǒng)后依次由低頻到高頻進入不同頻率的FSS當中，被選擇的信號被送入對應頻率的接收機中，其余部分被反射到下一個頻率的FSS上，據(jù)此可以選擇出不同頻段的信息。對于太赫茲FSS，學術(shù)上已經(jīng)基于不同的平臺開展了很多研究工作[1-13]，近些年隨著5G的興起，F(xiàn)SS也開始應用在5G技術(shù)中[14-15]，本文在這些成果的基礎(chǔ)上進行太赫茲頻段新的探索。

探測器中664 GHz(H)FSS的工藝難度最大，因此本文將展示該FSS的制作工藝過程，其他頻點的FSS方法基本相同。664 GHz(H)FSS組件采用了硅基疊層金屬化結(jié)構(gòu)，三層平面均由硅晶圓金屬化而成；頂層與底層有“C”字形周期性圖形，厚度為0.05 mm，中間層呈環(huán)形，厚度為0.11 mm，側(cè)面圖如圖1所示。

圖1 三層FSS側(cè)視圖

單元的排列方式如圖2(b)所示，整個FSS中心單元的坐標原點為(0.0，0.0)。單元周期為0.28 mm，環(huán)縫隙的半徑為0.09 mm，縫隙寬度為0.05 mm，短路端的寬度為0.08 mm。

整個FSS組件周期單元的有效口徑尺寸直徑為40 mm，如圖2(a)所示。加工精度要求：單層的厚度公差±0.005 mm，其他尺寸公差±0.004 mm。

(a)直徑尺寸 (b)單元尺寸

該組件的工藝制作難點主要有：1)最薄硅晶圓厚度僅50 μm，受制于材料本身強度，加工過程中極易造成材料碎裂，對工藝過程要求極高；2)需要在Ф40 mm范圍內(nèi)刻蝕出精度優(yōu)于±4 μm的 25 646個“C”形密集縫隙結(jié)構(gòu)；3)在垂直方向上需堆疊3層，對層間對位精度要求高。針對此產(chǎn)品的特殊結(jié)構(gòu)與工藝難點，通過優(yōu)化光刻參數(shù)、改進深硅刻蝕工藝并開發(fā)臨時鍵合工藝，完成了FSS組合件的研制。

2 工藝設計

制作基于硅晶圓的664 GHz(H)頻率選擇平面的工藝流程示意如圖3所示。首先進行硅晶圓的粘接，然后采用光刻的方法將“C”字網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到硅晶圓上，使用光刻膠作為掩膜進行ICP刻蝕，然后去光刻膠，再去除粘接劑，清洗后進行金屬化，最后完成3層硅晶圓鍵合。

圖3 頻率選擇平面制作流程

3 工藝過程

3.1 硅晶圓粘接

硅基產(chǎn)品通孔可以通過先刻盲孔后背面減薄的方式獲得，但是由于網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)密集，減薄后不容易清洗，因此本項目中頻率選擇平面的制作采用的是直接將超薄硅晶圓粘接于犧牲硅晶圓上一次性刻蝕完成。 在刻蝕過程中犧牲片的作用是傳遞熱量以及在通孔刻蝕完成后避免損傷設備底座。然而，由于ICP刻蝕腔室真空度較高，不到0.2 mTorr，且硅晶圓厚度太薄，粘接過程中密封在硅晶圓和犧牲片之間的起泡在真空度突然急劇下降時，極易導致超薄硅晶圓在推進ICP高真空室時炸裂，同時，粘接不均勻會導致硅晶圓表面的溫度分布均勻性變差，導致刻蝕速率不同，如圖4所示。

圖4 粘接問題導致的刻蝕不均勻和起泡炸裂

為保證超薄硅晶圓粘接后不鼓包、不凸起、不炸裂，粘接后的超薄硅晶圓與犧牲片之間應緊密貼合，無明顯氣泡。此時粘接操作應按以下步驟進行：將犧牲片放置于熱臺上，當熱臺到達設定值140 ℃后，在犧牲片上表面均勻涂抹粘接劑；等待5 min，使粘接劑充分熔融、并在自身流動性驅(qū)使下與犧牲片上表面充分潤濕，使各處粘接劑厚度趨于一致；以相同方法在超薄硅晶圓一面涂覆粘接劑；將超薄硅晶圓膠面朝下由犧牲片一側(cè)緩慢推至另一側(cè)，直至其外形與犧牲片外形完全重合；輕度按壓并適量旋轉(zhuǎn)超薄硅晶圓，將粘接界面中殘余空氣盡可能排出；等待約1 min，將粘接完成的硅晶圓由熱臺取下冷卻。

由于超薄硅晶圓力學強度較小、厚度極薄，粘接完成并冷卻后，硅晶圓正面在粘接劑內(nèi)應力的影響下應呈現(xiàn)凹凸不平，均勻的“馬賽克”，與光潔如鏡面，反射性極佳的原片差異巨大。在明亮處將“粘接體”超薄硅晶圓面向上左右適度旋轉(zhuǎn)，硅晶圓映出的物體影像應無扭曲或放大。任何形式的影像變形，都指向粘接界面存在雜質(zhì)、氣泡或粘接劑不平整，都應該重新進行粘接。然后將其放入ICP設備預真空室，如果沒有明顯不平整起泡或者炸裂，可以認為在高真空室也可以保持完整。

3.2 光刻

光刻目的是通過光敏膠將掩膜版上的圖形轉(zhuǎn)移至晶圓表面。光刻膠的選擇依據(jù)主要基于以下兩方面的需求：圖形精度要求和刻蝕保護需求。頻率選擇平面的圖形允許誤差為±4 μm，同時要求光刻膠在ICP刻蝕過程中，與刻蝕氣體不發(fā)生明顯的反應，最終優(yōu)選出AZ系列正性光刻膠用于FSS的制作。由于刻蝕的硅晶圓厚度僅為50 μm，ICP刻蝕時間可以適當縮短，且光刻膠在ICP刻蝕中的選擇比為1:100，因此本項目可以通過減小光刻膠厚度以增加光刻的精度?？梢詤⒖嫉墓に噮?shù)為：噴膠速度1.5 L/min，噴膠次數(shù)2，膠層厚度約為2 μm，前烘條件80 ℃烘烤 70 min，堅膜條件是90 ℃烘烤60～70 min。

3.3 ICP刻蝕

使用BOSCH工藝原理，由C4F8和SF6兩種氣體配合完成縫隙的刻蝕。經(jīng)分析影響刻蝕均勻性的主要原因是溫度，一方面硅晶圓本身在等離子轟擊下需要保持溫度，如果局部的溫度過高，會導致這部分的刻蝕速率過快，從而產(chǎn)生過刻蝕現(xiàn)象，在低刻蝕溫度下，刻蝕速率較低，因此可以更好的控制刻蝕速率；另一方面，需要保持等離子體的溫度，均勻覆蓋在硅晶圓表面。為了增加刻蝕的均勻性，減少溫度波動帶來的影響，將硅晶圓的溫度設定為10 ℃。同時，為了增加等離子體能量，將上蓋的溫度設定為45 ℃。經(jīng)過不斷優(yōu)化氣體流量和等離子功率，總時長為24 min為最優(yōu)，如圖5所示，刻蝕完成的硅晶圓，刻蝕均勻光亮,在高倍顯微鏡下測量，其結(jié)果如表1所列，偏差值均小于2 μm，優(yōu)于設計指標±4 μm。

(a) 全局圖

表1 周期性結(jié)構(gòu)實測尺寸

3.4 硅晶圓解粘接

解粘接是整個工序中非常重要的一步，直接決定了刻蝕后硅晶圓的完整性和清潔程度。由于周期性結(jié)構(gòu)眾多，直接在熱臺上熱解后，很難將超薄硅晶圓推下，且極易導致粘接劑堆積，清洗困難。因此，此處選擇了可以溶于水的粘接劑，在熱水中就可以快速溶解，特別適合超密周期結(jié)構(gòu)圖形的清洗。因此首先使用有機溶劑通過擦除或浸泡去除超薄硅晶圓表面的光刻膠膜，然后將整個粘接片浸入去離子水中煮沸，而后進行70 ℃水浴超聲。需要注意的是粘接劑不僅溶于熱水，同時也可溶于有機溶劑，因此超薄硅晶圓背面的粘接劑可以通過刻蝕孔洞或縫隙滲出，而后與有機溶劑和光刻膠的混合物發(fā)生復雜的反應，容易導致粘接劑硬化或結(jié)塊，加重清洗的難度，一旦有雜質(zhì)牢固附著其上，堵塞刻蝕出的縫隙，便會影響后續(xù)的金屬化，破壞刻蝕圖形的周期性，從而嚴重影響成品的性能。所以，在去除光刻膠膜時，應盡可能縮短有機溶劑與超薄硅晶圓和犧牲片的“粘接體”的接觸時間，此處約為30 s。

3.5 金屬化

經(jīng)解粘接可獲得成型的頻率選擇平面，但是為完成FSS的信號傳輸功能需對半成品進行金屬化，這里采用直流磁控濺射方式達成金屬膜層的沉積。直流磁控濺射實現(xiàn)的關(guān)鍵在于金屬層與硅晶圓之間附著力達標，而提高附著力的措施一方面是改進濺射前的清洗方式，獲得活性界面；二是選擇濺射金屬材料，控制工藝參數(shù)，提高膜層與硅晶圓之間的結(jié)合力。

經(jīng)選擇，清洗可以借鑒硅晶圓的標準清洗步驟SC1和SC2，即在NH3OH、H2O2、H2O混合溶液中，75 ℃條件下超聲清洗；然后在HCl、H2O2、H2O混合溶液中，75 ℃條件下超聲清洗；最后經(jīng)脫水、干燥完成整個清洗流程。

濺射膜層結(jié)構(gòu)設定為NiCr-Au，其中NiCr層厚度約500 ?，Au層厚度約2 500 ?。濺射參數(shù)為：本底真空度優(yōu)于1×10-6mbar；等離子清洗工藝壓力為5×10-2mbar，氬氣流量為100 sccm，RF功率為400 W，清洗時間180 s；濺射溫度200 ℃±5 ℃；烘烤時間為15～25 min；濺射NiCr層時載片臺運動速率為770～790 mm/min；濺射Au層時載片臺運動速率為490～510 mm/min；濺射功率1 000 W。金屬化完成后的2片“C”形周期性硅晶圓和1片環(huán)狀硅晶圓如圖6所示。

圖6 金屬化完成的3只硅晶圓組件：2片“C”字網(wǎng)硅晶圓，1片中環(huán)

3.6 鍵合

鍵合是將分散的三層硅晶圓堆疊為一體化FSS的關(guān)鍵工序,尤其是超薄硅晶圓的鍵合[16-18]。在664 GHz(H)的工作頻率下，濺射金層已經(jīng)可以滿足趨附深度的要求。濺射金層可以最大的保持原始硅晶圓的粗糙度，經(jīng)過清洗即可完成優(yōu)良的鍵合。

在鍵合前，3片待鍵合硅晶圓已經(jīng)在ICP階段完成切割，這樣可以通過光刻保證產(chǎn)品外形尺寸的精確性，但是缺點就是無法使用標準尺寸的鍵合設備。由于鍵合的基本原理就是溫度、壓力、時間和對位，因此本項目中使用了特殊的工裝，可以將非標尺寸的3片硅晶圓對位，固定并在高壓200 Mpa和低溫85 ℃下完成3片硅晶圓的鍵合，該鍵合方法已經(jīng)申請專利，此處不再做具體介紹，圖7展示了“C”字形硅晶圓的良好對位效果。

圖7 上下兩層“C”字形硅晶圓的良好對位效果

3.7 組裝

為了方便FSS的安裝，多層硅晶圓鍵合完成之后，本項目設計了金屬支架，使用銷釘將FSS的方向確定到框架上，然后使用蓋板和墊片壓緊整個FSS結(jié)構(gòu)。圖8展示了組裝后的FSS正面圖和側(cè)面圖。

3.8 測試

為了測量664 GHz FSS的性能，該項目同步投產(chǎn)了測試架，該測試架可以將FSS按照特定的角度安裝，配合饋源和矢量網(wǎng)絡分析儀進行測試，如圖9(a)所示，測試結(jié)果顯示在664 GHz頻率下，插入損耗約為2 dB,如圖9(b)所示。未來通過改進測試工裝，可以對旋轉(zhuǎn)角度和俯仰角度進行修正，以期獲得更好的測試結(jié)果。

(a) 正視圖 (b)側(cè)視圖

(a) 測試工裝 (b) 測試結(jié)果

4 結(jié)論

本文給出了太赫茲冰云天底探測儀中使用的關(guān)鍵組件664 GHz(H)太赫茲FSS的設計、工藝設計和工藝過程。該FSS使用3層硅晶圓，最薄的硅晶圓厚度為50 μm，在Ф40 mm范圍內(nèi)刻蝕出了25 646個“C”形密集縫隙結(jié)構(gòu)，縫隙圖形周期為0.15 mm。3片硅晶圓制作完成之后，創(chuàng)新性地使用特殊的工裝，完成了對非標尺寸多層硅晶圓的一次性鍵合，并組裝成最終產(chǎn)品，驗證了超薄多層太赫茲FSS的制作工藝能力。