[發明專利]硅基太赫茲金屬波導工藝可靠性測試裝置及其測試方法

在審

• 申請號: 202110041962.1
• 申請日: 2021-01-13
• 公開（公告）號: CN112881469A
• 公開（公告）日: 2021-06-01
• 發明（設計）人: 楊瑾屏;李升;宋艷汝;李琪;朱忠博;劉志
• 申請（專利權）人: 上海科技大學
• 主分類號: G01N27/00
• 分類號: G01N27/00
• 代理公司: 上海申匯專利代理有限公司 31001
• 代理人: 徐俊;柏子雵

本發明提出一種通過測量金屬波導直流電阻低頻噪聲的方式檢驗硅基太赫茲金屬波導工藝可靠性的測試裝置和測試方法。所述測試裝置采用四線法直流電阻測量原理，其電路主要由直流電源，限流電阻，硅基太赫茲金屬波導，前置放大器，模擬數字變換器(ADC)組成。本發明通過制備分別包含濺射、刻蝕和共晶鍵合工藝步驟的硅基金屬波導結構模板，并對測得的低頻噪聲進行功率譜密度歸一化和噪聲參數的曲線擬合。實現了對硅基太赫茲波導結構的低頻背景噪聲，薄膜濺射工藝低頻噪聲，深硅刻蝕工藝低頻噪聲，共晶鍵合工藝低頻噪聲進行定量分析。

技術領域

本發明涉及一種硅基太赫茲金屬波導性能測試裝置和測試方法，尤其涉及一種通過測量金屬波導直流電阻低頻噪聲的方式檢驗硅基太赫茲金屬波導工藝可靠性的測試裝置和測試方法。

背景技術

太赫茲(THz)電磁波的頻率在0.1～10THz、波長為0.03～3mm，介于微波與遠紅外光之間。太赫茲波處于電磁波譜的特殊位置，因此它具有自己的獨特優勢：穿透性強、通信傳輸容量大、方向性好、適用于衛星間星際通信以及短距離的大氣通信。由于具有很低的傳輸損耗，金屬波導是太赫茲系統必不可少的器件之一。傳統上太赫茲波導采用機械加工的方法，具體包括計算機數控(CNC)加工和電鑄加工等。這些加工方法的精度較高，但對于結構復雜的波導部件如波紋喇叭天線等采用以上方法則存在加工困難、成本高，并且難以直接與其他部件進行集成的缺點。此外，為了保證加工精度，傳統機械加工通常采用逐個進行加工的方法。當需要加工陣列天線時，這種方式的效率就十分低下。硅刻蝕是半導體工業中一項重要技術，隨著硅刻蝕工藝的發展，硅襯底加工已經不再限制于表面，而是向著三維立體加工方向發展，可以實現高深寬比的深硅刻蝕技術更是廣泛的應用于各類微機電系統(MEMS)制備過程中。這種工藝很容易實現優于1微米的加工精度。因而，如果采用深硅刻蝕技術對硅基片進行孔洞、通道、腔體等復雜結構加工，并將其像三明治一樣多層堆疊起來構成一個整體，就可以實現滿足1.2THz以上工作頻率的應用需求的硅基金屬波導。這種堆疊金屬波導結構的實現方法在一定程度上克服了直接機械加工高頻陣列天線的很多缺點，同時可以方便的和波導結構或者單片微波集成電路(MMIC)進行集成。近十年來，已有基于深硅刻蝕堆疊結構的太赫茲陣列天線被成功設計和制備，并應用于宇宙微波背景(CMB)極化測量觀測中。

硅基太赫茲金屬波導需要的工藝流程基本步驟包括：1)在體硅片表面涂上光刻膠；2)通過紫外線照射，將掩膜板的圖形轉移至體硅片的光刻膠層；3)轉移的圖形處光刻膠已溶解，將其洗去；4)將上一步處理好的體硅片根據實際要求進行氫氧化鉀(KOH)溶液或深反應離子刻蝕(DRIE)刻蝕，形成喇叭、波紋、波導、盲文標記、劃片槽以及定位槽等功能結構；5)將刻蝕完畢的體硅片進行清洗，并對表面濺金；6)將對應的體硅片進行鍵合；7)按照劃片槽將鍵合好的體硅片劃開；8)對劃片側壁進行金屬化。

采用半導體深硅刻蝕工藝制造實現硅基太赫茲金屬波導在具有較好的太赫茲性能的同時也有一些缺點：就是其工藝和裝配的可靠性上目前還遠比不上傳統金屬波導。在半導體深硅刻蝕的各個加工步驟，如果使用的晶圓或者選用的刻蝕溶液品質不佳，就容易導致各種缺陷現象出現。缺陷的主要種類有毛刺、針孔、小島以及鉆蝕等,這些缺陷都會對金屬波導的質量產生影響。在硅片堆疊完成后，不管采用哪一種鍵合工藝，也都會對硅片器件的可靠性產生一定的影響。此外，內部的應力積累等也會導致出現金屬薄膜剝落，晶圓斷裂破碎等現象。傳統上要對這些工藝缺陷現象進行直觀觀測，采用方法是將可能存在缺陷部分的界面結構進行物理解離，然后放在電子顯微鏡或光學顯微鏡下進行掃描測量。但這類方法都是有損和破壞性測量方法，器件在進行解離后基本上就無法恢復成原來的形態。因而這種測量方法一般只能在對失效器件進行事后分析時采用。而且這類方法，也只能對缺陷現象的存在做出定性判斷，無法更進一步的對其工藝可靠性進行對比分析。

發明內容

本發明要解決的技術問題是：對采用半導體深硅刻蝕工藝制造實現硅基太赫茲金屬波導工藝缺陷進行觀測的方法都是有損和破壞性測量方法，并且只能對缺陷現象的存在做出定性判斷，無法更進一步的對其工藝可靠性進行對比分析。