CN103346144A - 用于60吉赫兹片上天线的井字形人工磁导体及实现方法 - Google Patents

Abstract

一种用于60吉赫兹片上天线的井字形人工磁导体。可用于毫米波集成电路、波导传输和片上天线等。利用CMOS集成电路工艺制作，由硅衬底、氧化硅缓冲层、金属层、氧化硅绝缘层和上面的功能电路层组成，金属层制成分布式井字形结构。应用于毫米波集成电路设计，特别是一种集成片上天线，实现将天线与硅衬底有效隔离，阻挡天线入射电磁波进入硅衬底。本发明提出的用于60吉赫兹片上天线的井字形人工磁导体作为毫米波片上辐射天线与硅衬底之间的隔离层，结构简单，兼容CMOS工艺，应用于60吉赫兹集成片上天线，能够降低硅衬底对天线入射电磁波信号的损耗。

Description

用于60吉赫兹片上天线的井字形人工磁导体及实现方法

技术领域

 本发明涉及毫米波集成电路和片上天线技术领域， 特别涉及一种60吉赫兹片上天线用人工磁导体结构及其实现方法。

背景技术

60吉赫兹频带短距离无线通信使无线个人局域网络（WPANs）产生了革命性的突破，在无线消费电子产品，高分辨率大容量媒体文件传输，移动分布式计算，无线游戏及快速传输超大文件等领域具有巨大市场前景。60吉赫兹频率的自由空间波长只有5毫米，因此采用很小体积的天线就可以实现无线数据的收发。因此，在单片集成电路芯片上集成低噪声放大器，混频器，变频器，检波器，调制器，收发器和天线，实现60吉赫兹频段的无线通信，可以有效减小无线通信收发系统的体积，使其结构紧凑，加工重复性好，可靠性高。

目前60吉赫兹和毫米波集成电路主要采用GaAs制造工艺，不仅工艺复杂，成本高，价格贵，而且砷（As）是一种有毒的物质，需要进行防护。采用CMOS集成电路工艺实现60吉赫兹和毫米波集成电路，能够大大降低成本，提高产量。但是CMOS工艺以硅材料做衬底，硅衬底不是完全绝缘的材料，具有一定的电导率，特别是工作在高频时不能达到理想的隔离效果，会产生漏电流，明显降低片上天线的辐射效率和增益。因此解决硅衬底的电磁波损耗是CMOS毫米波集成电路和片上天线发展的关键问题。

近10年来，业界一直致力于解决硅衬底损耗问题，曾先后提出了质子注入法、微机械方法、树脂层绝缘法和人工磁导体法等。

人工磁导体结构就是在硅衬底与功能电路层之间加入一个隔离层，降低硅衬底对高频电磁波的损耗。其隔离作用是由于人工磁导体的反射相位带隙特性，当入射波频率接近人工磁导体结构的谐振频率时，人工磁导体结构的表面阻抗很高，因此平面波入射到人工磁导体表面时其反射波与入射波相位差为0，当入射的电磁波频率使人工磁导体表面阻抗等于自由空间阻抗时，入射波与反射波的相位差为±90°，设计人工磁导体结构，使其入射波与反射波的相位差在±90°之间就可以实现对入射电磁波的隔离。

人工磁导体兼容CMOS工艺、成本低、结构简单，是一种很有发展前景的技术。

发明内容

本发明的目的是针对60吉赫兹毫米波集成电路和片上天线设计，解决硅衬底电磁波损耗问题，提供一种用于60吉赫兹片上天线的井字形人工磁导体，实现片上电路和硅衬底的绝缘，提高片上电路的工作稳定性和片上天线的效率与增益。

本发明提供的用于60吉赫兹片上天线的井字形人工磁导体包括：

硅衬底、氧化硅缓冲层、金属层、氧化硅绝缘层和功能电路层，从下到上依次堆叠制作。硅衬底位于下面，其上面覆盖一层氧化硅缓冲层，在氧化硅缓冲层上面蒸镀一层金属层，制成分布式井字形结构，在金属层上面覆盖一层氧化硅绝缘层，氧化硅绝缘层的上面为功能电路层。

所述的人工磁导体采用传统的CMOS工艺实现。

所述的金属层由CMOS工艺的第一金属层制作。

所述的金属层划分为N×N个单元，N的取值范围为6到11，每一个单元都是以200微米为边长的正方形，正方形的中间部位具有一个井字形开槽，每一个井字形开槽由四条条状槽线相互交叉形成，每一个条状槽线长80微米，宽5微米，每两条平行的槽线之间的距离为30微米。

所述的硅衬底厚度在280微米到320微米范围时，满足所述的人工磁导体中心频率60吉赫兹，带宽20吉赫兹的参数要求。

所述的氧化硅绝缘层其厚度为1.3微米。

 

本发明提供的井字型人工磁导体的实现方法，依次经过下述步骤：

第一、准备具有外延层的硅片做人工磁导体的硅衬底5；

第二、硅衬底5上面用CMOS的场氧化工艺生长氧化硅缓冲层4，作为人工磁导体的下介质层；

第三、对硅片进行退火，在氧化硅缓冲层4上面进行化学气相沉积氧化，然后利用CMOS工艺的第一金属层蒸镀金属层3；

第四、光刻金属层3，形成井字型小金属片7周期性阵列结构9，如图2和图3所示，在金属层3上制作小金属片7，在小金属片7上面刻蚀出井字型开槽8；每一个开槽的小金属片通过过孔6与硅衬底5相连并接地。 

第五、在金属层3上面进行化学气相沉积，形成氧化硅绝缘层2，氧化硅绝缘层2作为人工磁导体的上介质层。

第六、利用氧化硅绝缘层2上面的功能电路层1来制作波导器件和片上天线。

 

本发明基于CMOS集成电路工艺，在专用的EDA设计软件中确定氧化硅缓冲层4、小金属片7、过孔6、氧化硅绝缘层2和周期性阵列结构9的大小与位置，采用全定制方法设计，基于半导体工艺实现。

 

本发明的优点和积极效果：

本发明提供的60吉赫兹片上天线用井字型人工磁导体，具有反射相位带隙特性，中心工作频率为60吉赫兹，带宽达到了20.2吉赫兹，相对带宽大，在60吉赫兹片上集成天线应用领域具有明显的竞争优势。本发明提供的人工磁导体结构简单，面积小，每个单元面积仅为以200微米为边长的小正方形，完全兼容现行CMOS工艺。

 

附图说明

图1是一种用于60吉赫兹片上天线的井字形人工磁导体结构图；

图2是人工磁导体金属层小金属片7单元结构图；

图3是周期性排列的N×N井字型人工磁导体阵列9结构图；

图4是在功能电路层制备了片上天线的人工磁导体结构图。

 

具体实施方式

实施例1：

如图1所示，本发明提供的用于60吉赫兹片上天线的井字形人工磁导体，具体结构包括：

硅衬底、氧化硅缓冲层、金属层、氧化硅绝缘层和功能电路层，从下到上依次堆叠制作。硅衬底位于下面，其上面覆盖一层氧化硅缓冲层，在氧化硅缓冲层上面蒸镀一层金属层，制成分布式井字形结构，在金属层上面覆盖一层氧化硅绝缘层，氧化硅绝缘层的上面为功能电路层。

井字型人工磁导体采用传统的CMOS工艺实现。

硅衬底厚度在280微米到320微米范围时，满足所述的人工磁导体中心频率60吉赫兹，带宽20吉赫兹的参数要求。

井字型人工磁导体金属层由CMOS工艺的第一金属层制作，该金属层制作成分布式井字形结构。

整个金属层划分为N×N个单元，N的取值范围为6到11，每一个单元都是以200微米为边长的正方形，正方形的中间部位具有一个井字形开槽，每一个井字形开槽由四条条状槽线相互交叉形成，每一个条状槽线长80微米，宽5微米，每两条平行的槽线之间的距离为30微米。

氧化硅绝缘层其厚度为1.3微米。

 

实施例2:

本发明提供的用于60吉赫兹片上天线用井字型人工磁导体的实现方法，依次经过下述步骤：

第一、准备具有外延层的硅片做人工磁导体的硅衬底5；

第二、硅衬底5上面用CMOS的场氧化工艺生长氧化硅缓冲层4，作为人工磁导体的下介质层；

第三、对硅片进行退火，在氧化硅缓冲层4上面进行化学气相沉积氧化，然后利用CMOS工艺的第一金属层蒸镀金属层3；

第四、光刻金属层3，形成井字型小金属片7周期性阵列结构9，如图2和图3所示，在金属层3上制作小金属片7，在小金属片7上面刻蚀出井字型开槽；每一个开槽的小金属片通过过孔6与硅衬底5相连并接地。 

第五、在金属层3上面进行化学气相沉积，形成氧化硅绝缘层2，氧化硅绝缘层2作为人工磁导体的上介质层。

第六、利用氧化硅绝缘层2上面的功能电路层1来制作波导器件和片上天线。

 

实施例3:

如图3所示，N×N周期结构排列的用于60吉赫兹片上天线用井字型人工磁导体具体实现如下：

取N=7，实现7×7周期结构排列的用于60吉赫兹片上天线用井字型人工磁导体。

采用具有外延层的硅片作为井字型人工磁导体的硅衬底5，硅衬底5的厚度为300微米。

硅衬底5上面用CMOS的场氧化工艺生长氧化硅缓冲层4，用光刻的方法确定氧化硅缓冲层4的大小为以1.84毫米为边长的正方形，作为井字型人工磁导体的下介质层。

对硅片进行退火处理，在氧化硅缓冲层4上面进行化学气相沉积氧化，然后利用CMOS工艺的第一金属层蒸镀金属层3，利用光刻的方法形成7×7个以200微米为边长的正方形小金属片7，每个小金属片之间的间隙为55微米，7×7个小金属片7按行列周期式排列，如图3形成7×7个小金属片的方阵。

所述的小金属片7，上面刻蚀出井字型开槽8，每一个井字型开槽由四条条状槽线相互交叉形成，每一个条状槽线长80微米，宽5微米，每两条平行的槽线之间的中心距离为30微米，每一个开槽的小金属片7通过过孔6与硅衬底5相连并接地。 

在金属层3上面进行化学气相沉积氧化，形成氧化硅绝缘层2，氧化硅绝缘层2作为人工磁导体的上介质层，厚度为1.3微米。

实现的7×7矩阵结构井字型人工磁导体的中心工作频率为60吉赫兹，带宽20.5吉赫兹，相对带宽34%。

 

实施例4：

所述的一种60吉赫兹片上天线用井字型人工磁导体的应用实例如下：

如图4所示，一种6×6周期结构排列的60吉赫兹片上天线用井字型人工磁导体阵列具体实现如下：

采用具有外延层的硅片作为井字型人工磁导体的硅衬底5，硅衬底5的厚度为300微米。

硅衬底5上面用CMOS的场氧化工艺生长氧化硅缓冲层4，用光刻的方法确定氧化硅缓冲层4的大小为以1.585毫米为边长的正方形，作为井字型人工磁导体的下介质层。

对硅片进行退火处理，在氧化硅缓冲层4上面进行化学气相沉积氧化，然后利用CMOS工艺的第一金属层蒸镀金属层3，利用光刻的方法形成6×6个以200微米为边长的正方形小金属片7，每个小金属片之间的间隙为55微米，6×6个小金属片7按行列周期式排列，如图4形成6×6个小金属片7的方阵。

所述的小金属片7，上面刻蚀出井字型开槽8，每一个井字型开槽由四条条状槽线相互交叉形成，每一个条状槽线长80微米，宽5微米，每两条平行的槽线之间的中心距离为30微米，每一个开槽的小金属片7通过过孔6与硅衬底5相连并接地。 

在金属层3上面进行化学气相沉积氧化，形成氧化硅绝缘层2，氧化硅绝缘层2作为人工磁导体的上介质层，厚度为1.3微米，形成6×6矩阵结构的人工磁导体10。

利用CMOS工艺的顶层金属层蒸镀金属，利用光刻的方法形成单极子天线11，然后制备天线焊接节点13，和接地节点12，接地节点14。

Claims (7)

1.一种用于60吉赫兹片上天线的井字形人工磁导体，其特征在于该人工磁导体包括：

硅衬底、氧化硅缓冲层、金属层、氧化硅绝缘层和功能电路层，从下到上依次堆叠制作；硅衬底位于下面，其上面覆盖一层氧化硅缓冲层，在氧化硅缓冲层上面蒸镀一层金属层，制成分布式井字形结构，在金属层上面覆盖一层氧化硅绝缘层，氧化硅绝缘层的上面为功能电路层。

2.根据权利要求1所述的人工磁导体，其特征在于，所述的人工磁导体采用传统的CMOS工艺实现。

3.根据权利要求1所述的人工磁导体，其特征在于，所述的金属层由CMOS工艺的第一金属层制作。

4.根据权利要求1至3任一项所述的人工磁导体，其特征在于，所述的金属层划分为N×N个单元，各单元之间间隔55微米，每一个单元都是以200微米为边长的正方形，正方形的中间部位具有一个井字形开槽，每一个井字形开槽由四条条状槽线相互交叉形成，每一个条状槽线长80微米，宽5微米，每两条平行的槽线之间的距离为30微米。

5.根据权利要求1至3任一项所述的人工磁导体，其特征在于，所述的硅衬底厚度在280微米到320微米范围时，满足所述的人工磁导体中心频率60吉赫兹，带宽20吉赫兹的参数要求。

6.根据权利要求1至3任一项所述的人工磁导体，其特征在于，所述的氧化硅绝缘层厚度为1.3微米。

7.一种用于60吉赫兹片上天线的井字型人工磁导体的实现方法，依次经过下述步骤：

第一、准备具有外延层的硅片做人工磁导体的硅衬底；

第二、硅衬底上面用CMOS的场氧化工艺生长氧化硅缓冲层，作为人工磁导体的下介质层；

第三、对硅片进行退火，在氧化硅缓冲层上面进行化学气相沉积氧化，然后利用CMOS工艺的第一金属层蒸镀金属层；

第四、光刻金属层，形成井字型小金属片周期性阵列结构，在金属层上制作小金属片，在小金属片上面刻蚀出井字型开槽；每一个开槽的小金属片通过过孔与硅衬底相连并接地；

第五、在金属层上面进行化学气相沉积，形成氧化硅绝缘层，氧化硅绝缘层作为人工磁导体的上介质层；

第六、利用氧化硅绝缘层上面的功能电路层来制作波导器件和片上天线。

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