一種片上集成硅基折疊式天線的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明(“一種片上集成硅基折疊式天線”)公開了片上可集成的天線，該天線運用于集成電路系統(tǒng)的可集成超寬帶天線。本發(fā)明的主要特點是選取的材料為硅基襯底以及其上淀積的中間層和頂層鋁金屬。主要平面結(jié)構(gòu)采用折疊式結(jié)構(gòu)和用于對天線輻射性能進行調(diào)節(jié)的金屬網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)與傳統(tǒng)CMOS平面工藝的完全兼容；能夠?qū)崿F(xiàn)6-8GHz帶寬內(nèi)的寬帶信號的發(fā)射與接收；實現(xiàn)了與發(fā)射端功率放大器和接收端低噪聲放大器的阻抗匹配，即50歐姆；提供了一定的傳輸效率和較好的傳輸損耗特性；本發(fā)明對天線的輻射方向圖在一定程度上實現(xiàn)了可調(diào)；針對應用于不同系統(tǒng)中的片上天線，本發(fā)明都有一定程度上的可適用性。
【專利說明】一種片上集成硅基折疊式天線

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及硅基可集成天線，具體地說，與集成電路（1C)可以片上集成的超寬帶 天線。

【背景技術(shù)】
[0002] 片上天線主要實現(xiàn)集成電路中無線傳輸系統(tǒng)的信號發(fā)射與接收。其實現(xiàn)功能類似 于傳統(tǒng)天線功能，需要實現(xiàn)電磁波的發(fā)射與接收，同時，需要完成發(fā)射端與功率放大器的阻 抗匹配以及接收端與低噪聲放大器的阻抗匹配。其關(guān)鍵參數(shù)為發(fā)射與接收時工作帶寬，即 工作頻率范圍；以及無線傳輸時的能量損耗。
[0003] 片上天線的主要特點是實現(xiàn)與現(xiàn)有CMOS工藝的兼容，在同一個芯片中實現(xiàn)天線 與集成電路的集成，節(jié)省互連與面積消耗。由于傳統(tǒng)的天線對材料要求較為固定，一般為金 屬材料，如鐵、鋁等；并且對形狀要求較為嚴格，一般為三維結(jié)構(gòu)，這與集成電路（1C)的平 面工藝存在矛盾。因此，現(xiàn)有的解決方案多為大面積的折疊結(jié)構(gòu)，或者更多的采用片外天線 結(jié)構(gòu)，即采用電路芯片與天線分離，再通過管腳和導線的互連實現(xiàn)無線傳輸。
[0004] 傳統(tǒng)分離結(jié)構(gòu)主要存在的問題是，無法集成，與CMOS工藝兼容性差。CMOS工藝為 平面工藝，即通過摻雜、光刻、刻蝕、淀積等步驟實現(xiàn)多層平面結(jié)構(gòu)，采用的主要材料為硅基 襯底、二氧化硅、鋁或者銅等金屬，形成薄層結(jié)構(gòu)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)中與CMOS工藝兼容性問題和硅基材料下的面積消耗過大問 題，提供了一種硅基工藝下，利用頂層金屬實現(xiàn)的折疊式片上天線，很好的實現(xiàn)了工藝兼容 和電磁波發(fā)射和接收。
[0006] 為解決上述問題，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案：
[0007] 片上利用CMOS工藝中的頂層金屬，一般為鋁或者銅，作為金屬材料，利用該層薄 膜型金屬，作為電流載體，實現(xiàn)基本的振蕩和電磁波發(fā)射結(jié)構(gòu)功能。所述片上天線采用鏡面 堆成的折疊式結(jié)構(gòu)，利用金屬的寬度和厚度，實現(xiàn)相應帶寬下的頻率匹配和阻抗匹配，通過 調(diào)節(jié)該結(jié)構(gòu)的占空比等參數(shù)，得到目標帶寬和阻抗。所述結(jié)構(gòu)利用硅基襯底和淀積的二氧 化硅，實現(xiàn)介質(zhì)隔離，本發(fā)明所述片上天線通過摻雜、光刻、刻蝕等CMOS步驟，從工藝上實 現(xiàn)印刷制造。
[0008] 本發(fā)明一種實例所述片上天線，所用材料為鋁，其其導電常數(shù)為3. 72e+7S/m，襯底 為相對介電常數(shù)是11. 9的硅，硅襯底厚度為260um。
[0009] 本發(fā)明一種實例所述片上天線，采用一對或兩對折疊式結(jié)構(gòu)，金屬寬度、金屬間 隔、以及基本結(jié)構(gòu)重復組數(shù)均可調(diào)。
[0010] 本發(fā)明一種實例所述片上天線，實現(xiàn)了 6-8GHZ的寬帶匹配，和50ohm的阻抗匹 配。為了達成該性能，采用金屬寬度為l〇um，重復單元寬為140um，高為450um，天線對相距 150um，金屬厚度為4um，總長1950um，金屬凸塊為150um*150um。
[0011] 本發(fā)明一種實例所述片上天線，使用信號為帶寬范圍為6-8GHz的高斯波脈沖信 號或其它寬帶信號，通過脈沖的有無判斷傳輸數(shù)據(jù)為數(shù)字信號的〇或者1，對于非開關(guān)調(diào)制 的信號，本發(fā)明所述天線也具有普適性。
[0012] 本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明提供了片上可集成的天線，能夠?qū)崿F(xiàn)與傳統(tǒng)CMOS平 面工藝的完全兼容；能夠?qū)崿F(xiàn)6-SGHz帶寬內(nèi)的寬帶信號的發(fā)射與接收；實現(xiàn)了與發(fā)射端功 率放大器和接收端低噪聲放大器的阻抗匹配，即50ohm ;提供了一定的傳輸效率和較好的 傳輸損耗特性；提供了天線輻射方向圖可調(diào)的實現(xiàn)技術(shù)，并有利于改善運用于不同電路結(jié) 構(gòu)中的天線輻射效率的實現(xiàn)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013] 附圖1為射頻收發(fā)信號結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)成；
[0014] 附圖2為提出的結(jié)構(gòu)的整體構(gòu)造，折疊結(jié)構(gòu)制作于頂層，下面是作為可調(diào)部分的 金屬網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，再下面是接地的金屬層，以上三個部分之間通過標準CMOS工藝的二氧化硅 進行隔離；
[0015] 附圖3為提出結(jié)構(gòu)的一個實例的具體參數(shù)情況，其中，a = 100um，b = 140um，h = 1950um，w = 450um，d = 10um ;
[0016] 附圖4為實例的網(wǎng)格處理情況，該實例簡單處理為用線寬為lOum的條狀金屬縱 橫排列，組成中間較疏四周較密的規(guī)整網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，其中縱向77條，橫向37條，縱向的77條 金屬中，處于中間的29條與相鄰金屬條直接的距離為20um，兩側(cè)各24條金屬之間距離為 10um ;橫向金屬的中間13條與相鄰金屬條直接間距為20um，上下兩側(cè)各12條金屬之間距 離為10um。注：間距較大的金屬條與間距較小金屬條相鄰時其間距取20um。
[0017] 附圖5為所提出結(jié)構(gòu)的實例加工之后的照片。
[0018] 附圖6為實例所示的結(jié)構(gòu)在距離為150um時得到的傳輸增益曲線。

【具體實施方式】
[0019] 下面通過【具體實施方式】結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0020] 本發(fā)明的主要發(fā)明構(gòu)思是：利用CMOS工藝中的頂層金屬，一般為鋁或者銅，作為 金屬材料，采用鏡面堆成的折疊式結(jié)構(gòu)，利用金屬的寬度和厚度，實現(xiàn)相應帶寬下的頻率匹 配和阻抗匹配；同時，利用硅基襯底和淀積的二氧化硅，實現(xiàn)介質(zhì)隔離；將CMOS工藝中的底 層金屬設置為地端，改變頂層金屬與底層金屬之間金屬層的占空比來調(diào)節(jié)和改善天線的輻 射方向圖。
[0021] 本發(fā)明所示天線如附圖2所示，天線主體結(jié)構(gòu)由鋁構(gòu)成，其導電常數(shù)為3. 72e+7S/ m，襯底為相對介電常數(shù)是11. 9的硅。用于演示的實例如附圖3所示，其中的具體參數(shù)如下： a = 100um，b = 140um，h = 1950um，w = 450um，金屬線寬 d = 10um.娃襯底厚度為 260um， 折疊的金屬結(jié)構(gòu)厚度是4um。
[0022] 本發(fā)明所述天線的實例實現(xiàn)的傳輸特性曲線如附圖6所示，傳輸天線在工作頻率 范圍內(nèi)匹配到50歐姆。在頻率5. 86GHz tolO. 08GHz，傳輸增益s21>-20dB。在這個頻率 范圍，回損（return loss，sll)滿足小于-10dB的條件。S21最大值-5. 88dB出現(xiàn)在頻率 為 L 66GHz 時。
[0023] 天線傳輸增益的計算如下式：

【權(quán)利要求】
1. 一種用于集成電路制作工藝的片上天線設計，其結(jié)構(gòu)為單極天線，其主要部分包括 制作在頂層金屬上的折疊天線結(jié)構(gòu)； 作為地端的底層金屬層； 以及用于調(diào)節(jié)天線輻射性能的中間金屬層網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，主要天線結(jié)構(gòu)為折疊結(jié)構(gòu)，制作于CMOS工藝的最頂層 金屬。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的結(jié)構(gòu)，以底層金屬為地端，接到0電平。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的結(jié)構(gòu)，對中間層金屬進行網(wǎng)格化處理，此種處理視對片上天 線的具體要求而定，包括且不限于將中間金屬層制作為規(guī)則排列和不規(guī)則分布的孔狀結(jié) 構(gòu)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的結(jié)構(gòu)，其用于集成電路芯片內(nèi)部的無線信號傳輸以及芯片與 外部的信號傳輸。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的結(jié)構(gòu)，通過金屬網(wǎng)格的疏密和金屬在該層分布，即改變中間 層金屬的占空比，來調(diào)節(jié)天線的輻射方向圖，中間金屬層的層數(shù)和處理方式視天線需要實 現(xiàn)的性能而定。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的結(jié)構(gòu)，金屬層的處理一般為中間金屬層中的一層或者幾層。
【文檔編號】H01L23/66GK104112902SQ201310140554
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2013年4月19日 優(yōu)先權(quán)日:2013年4月19日
【發(fā)明者】王小軍 申請人:北京大學深圳研究生院