[发明专利]用于60吉赫兹片上天线的井字形人工磁导体及实现方法

说明书

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。