具光子带隙结构的硅基悬浮天线及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种硅基天线及其制造方法，特别是涉及关于一种具光子带隙结构的硅基悬浮天线及其制造方法。 

背景技术

频带介于3.1GHz～10.6GHz的超宽频带(Ultra-wideband，UWB)技术常应用于影像、车用雷达、通讯与测量等系统，作为短距离且兼具高速多媒体资讯的无线传输界面，形成了无缝隙通讯的重要技术环节。近年来，无线个人网络(WPAN)系统将其频带订定于超宽频带中，主要应用于10公尺以内个人空间范围的数字数据传输。此外，超宽频除了频宽高、传送速率快(最高可达500Mbps)以外，还具有低耗电量、安全性高、高速传输、低干扰、定位功能精准、低成本芯片结构等特色，适合无线个人网络与数字家电产品应用环境的需求。 

然而，在现有技术中，例如于PCB基板上制作平面式天线，其所制得的天线频宽较窄且辐射效率较低。并且，由于微带天线本身具有混附波(Spurious wave)与表面漏波(Surface Wave)效应，当现有微带天线于通讯系统收发信号时，会造成系统数据的判别错误或是影响整体的收发效率。 

另外，另一种现有天线，其是在一硅基板(高介电常数)上制作，相似地，该种现有天线的频宽同样很窄，且辐射效率也较低。 

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种创新且富有进步性的具光子带隙结构的硅基悬浮天线及其制造方法，以解决上述问题。 

为达上述目的，本发明提供一种具光子带隙结构的硅基悬浮天线的实施例，该硅基悬浮天线包括一硅基板及一无线通讯单元。该硅基板具有相对的一第一侧面及一第二侧面，该第一侧面具有多个规则性排列的凹穴，该第二 侧面具有一长度侧边。该无线通讯单元，设置于该第二侧面，该无线通讯单元包括一电极层、一间隔部及一F型结构。该电极层具有一平板部、一第一基部及至少一第二基部，该平板部的一侧面具有一槽口，该第一基部、该第二基部及该槽口间隔设置于该第二侧面且实质上平行该第二侧面的该长度侧边，该第一基部具有一本体及一延伸部，该延伸部自该本体延伸至该槽口中。该间隔部设置于该本体及该第二基部上。该F型结构具有一纵部，该纵部设置于该间隔部上，该F型结构实质上平行该第二侧面。 

本发明另提供一种具光子带隙结构的硅基悬浮天线的制造方法的实施例，其包括以下步骤：提供一硅基板，该硅基板具有相对的一第一侧面及一第二侧面，该第二侧面具有一长度侧边；分别于该第一侧面及该第二侧面定义一第一图样及一第二图样；根据该第二图样于该第二侧面形成一电极层，该电极层具有一平板部、一第一基部及至少一第二基部，该平板部的一侧面具有一槽口，该第一基部、该第二基部及该槽口间隔设置于该第二侧面且实质上平行该第二侧面的该长度侧边，该第一基部具有一本体及一延伸部，该延伸部自该本体延伸至该槽口中；形成一间隔部于该本体及该第二基部上；形成一F型结构，该F型结构具有一纵部，该纵部设置于该间隔部上，该F型结构实质上平行该第二侧面；及根据该第一图样于该第一侧面形成多个规则性排列的凹穴。 

附图说明

图1A至图9为本发明的实施例，其显示具光子带隙结构的硅基悬浮天线的制造步骤示意图；其中： 

图8B为本发明的实施例，其具光子带隙结构的硅基悬浮天线的剖视图； 

图8C为本发明的实施例，其显示具光子带隙结构的硅基悬浮天线的仰视图； 

图8D为本发明的实施例，其显示具光子带隙结构的硅基悬浮天线的F型结构局部放大图； 

图9为本发明的实施例，其显示具光子带隙结构的硅基悬浮天线的立体图； 

图10显示本发明三种不同类型天线结构的辐射效率结果图； 

图11显示本发明三种不同类型天线结构的频宽与反射系数结果图； 

图12显示本发明三种不同类型天线结构的最大增益结果图；及 

图13A、图13B显示本发明具光子带隙结构的硅基悬浮天线的方向增益场型图。 

主要元件符号说明 

1   具光子带隙结构的硅基悬浮天线

10  硅基板 

11  第一侧面 

12  第二侧面 

13  二氧化硅层 

14  氮化物层 

15  第一图样 

16  第二图样 

17  第一光致抗蚀剂 

18  第二光致抗蚀剂 

19  电极层 

20  间隔部 

21  第三光致抗蚀剂 

22  第三图样 

23  种子层 

24F 型结构 

25  第四光致抗蚀剂 

26  第四图样 

30  无线通讯单元 

111 凹穴 

121 第二侧面的一长度侧边 

191 平板部 

192 第一基部 

193 第二基部 

194 槽口 

195  本体 

196  延伸部 

197、198、199  导电层 

211  槽孔 

221  凹口 

241  纵部 

242  第一横部 

243  第二横部 

244  纵部的第一端 

245  纵部的第二端 

具体实施方式

图1A至图9为本发明的实施例，其显示具光子带隙结构的硅基悬浮天线的制造步骤示意图。配合参考图1A及图1B，其中图1A为本发明的实施例，其显示硅基板的俯视图，图1B显示图1A中沿1B-1B的剖视图。首先，提供一硅基板10，该硅基板10具有相对的一第一侧面11及一第二侧面12，该第二侧面12具有一长度侧边121。在本实施例中，该第一侧面11及该第二侧面12分别由内而外具有一层二氧化硅层13及一氮化物(nitride)层14。 

配合参考图2及图3，分别于该第一侧面11及该第二侧面12定义一第一图样15及一第二图样16。在本实施例中，是于该第一侧面11利用一第一光致抗蚀剂(photoresist mask)17定义该第一图样15(图2)；接着，利用反应式离子蚀刻系统(STS-RIE)进行干式蚀刻，移除该第二侧面12的该氮化物(nitride)层14，且根据该第一图样15移除该第一侧面11的部分该二氧化硅层13及该氮化物层14；利用一第二光致抗蚀剂18定义该第二图样16，然后再移除该第一光致抗蚀剂17(图3)。 

配合参考图3、图4A及图4B，其中图4A为本发明的实施例，其显示形成一电极层于硅基板的俯视图，图4B显示图4A中沿4B-4B的剖视图。根据该第二图样16于该第二侧面12形成一电极层19。其中，所形成的该电极层19具有一平板部191、一第一基部192及至少一第二基部193。在本实施例中，该电极层19具有二第二基部193。可理解的是，该电极层19可仅具有一第二基部193，例如仅具有转角位置之第二基部193而不具有中间部 分之第二基部193。该平板部191的一侧面具有一槽口194，该第一基部192、该等第二基部193及该槽口194间隔设置于该第二侧面12且实质上平行该第二侧面12的该长度侧边121，该第一基部192具有一本体195及一延伸部196，该延伸部196自该本体195延伸至该槽口194中。 

在本实施例中，该第一基部192及该等第二基部193沿该第二侧面12的该长度侧边121间隔设置于该第二侧面12，然而，该第一基部192及该等第二基部193与该第二侧面12的该长度侧边121可相隔一间距，且该第一基部192及该等第二基部193实质上平行该长度侧边121。 

较佳地，该电极层19利用掀离(life-off)制作工艺制作。在本实施例中，制作该电极层19包括以下步骤：根据该第二图样16(图3)以沉积方法依序形成多个导电层197、198、199(氮化钽(TaN)层、钽(Ta)层、铜(Cu)层)于该第二侧面12；及移除该第二光致抗蚀剂18(图4B)，以形成该电极层19。其中，沉积的导电层197、198、199原覆盖该第二光致抗蚀剂18及该第二图样16显露的二氧化硅层13，在进行掀离制作工艺以移除该第二光致抗蚀剂18时(利用丙酮)，位于该第二光致抗蚀剂18表面上的部分导电层197、198、199即会连同该第二光致抗蚀剂18被掀离移除，而留下的部分导电层197、198、199形成该电极层19的该平板部191、该第一基部192及该等第二基部193。 

参考图5及图6，形成一间隔部20于该第一基部192的该本体195及该等第二基部193上。在本实施例中，形成该间隔部20包括以下步骤：利用一第三光致抗蚀剂21于该第二侧面12及该电极层19定义一第三图样22，该第三光致抗蚀剂21具有两个槽孔211，该等槽孔211位于该本体195及该等第二基部193上方相对位置；及以电镀沉积方法于该等槽孔211中形成该间隔部20，其中该间隔部20未填满该等槽孔211。 

配合参考图6及图7A至图7C，形成一F型结构24，其中图7A为本发明的实施例，其显示形成一具F型图样的光致抗蚀剂于种子层的剖视图，图7B显示形成该F型结构24后的剖视图，图7C显示图7B局部的俯视图。该F型结构24具有一纵部241，其中该纵部241设置于该间隔部20上，且该F型结构24实质上平行该第二侧面12。该电极层19、该间隔部20及该F型结构24形成一无线通讯单元30。在本实施例中，形成该F型结构24包括以下步骤：形成一种子层23，该种子层23覆盖该第三光致抗蚀剂21及该间隔部20，该种子层23于该间隔部20上方相对位置具有三个凹口221；利 用一第四光致抗蚀剂25于该种子层23上定义一第四图样26，该第四图样26相应该F型结构24的图样；及根据该第四图样26以电镀沉积方法于该种子层23上形成该F型结构24。 

配合参考图2、图7C、图8A及图8B、图9，其中图8A为本发明的实施例，其显示具光子带隙结构的硅基悬浮天线的俯视图，图8B显示图8A中沿8B-8B的剖视图；图9为本发明的实施例，其显示具光子带隙结构的硅基悬浮天线的立体图。根据该第一图样15于该第一侧面11形成多个规则性排列的凹穴111。在本实施例中，其是根据该第一图样15于该第一侧面11移除部分该氮化物层14、部分该二氧化硅层13及部分硅基板10，以形成该等凹穴111，并利用丙酮溶液以浸泡方式移除该第三光致抗蚀剂21及该第四光致抗蚀剂25。其中，该种子层23极薄(小于1微米)，因此在移除该第三光致抗蚀剂21及该第四光致抗蚀剂25的同时，相应该第四图样26以外的部分该种子层23会连同该第三光致抗蚀剂21及该第四光致抗蚀剂25被掀离移除(效果与掀离制作工艺相同)，以制作完成本发明的具光子带隙结构的硅基悬浮天线1。 

再配合参考图8A、图8B及图9，在本发明的具光子带隙结构的硅基悬浮天线1中，该F型结构24通过该间隔部20、该第一基部192及该等第二基部193支撑，使得该F型结构24悬浮于该二氧化硅层13的上方一距离。 

在本实施例中，该等凹穴111是利用氢氧化钾(KOH)以蚀刻方式形成，且相对于垂直该第一侧面11的剖面，该等凹穴111的形状为梯形(如图8B所示)。其中，该等凹穴111作为该硅基悬浮天线1的光子带隙结构。 

配合参考图8A至图8D为本发明的实施例，其分别显示具光子带隙结构的硅基悬浮天线的俯视图、剖视图、仰视图及F型结构局部放大图。该硅基悬浮天线1包括一硅基板10及一无线通讯单元30。该硅基板10具有相对的一第一侧面11及一第二侧面12，该第一侧面11具有多个规则性排列的凹穴111，该第二侧面12具有一长度侧边121。其中，相对于垂直该第一侧面11的剖面，该等凹穴111的形状为梯形(图8C)。 

在本实施例中，该等凹穴111的开口为正方形，每一凹穴111的开口的边长r为1.764至2.156毫米(mm)之间，每一凹穴111的开口的边长r较佳为1.96毫米；每一凹穴111具有一深度t，该深度t为315至385微米(μm)之间，该凹穴111的深度t较佳为350微米。 

相对于该第一侧面11的长度方向，相邻凹穴111间具有一第一间隔k；相对于该第一侧面111的宽度方向相邻凹穴111间具有一第二间隔p；该等凹穴111与该第一侧面11的相对两个长度侧边及一宽度侧边间分别具有一第三间隔q、一第四间隔s及一第五间隔y。在本实施例中，该第一间隔k及该第二间隔p分别为0.306至0.374毫米之间及0.126至0.154毫米之间；该第三间隔q、该第四间隔s及该第五间隔y分别为0.306至0.374毫米之间、0.45至0.55毫米之间及0.54至0.66毫米之间。较佳地，该第一间隔k及该第二间隔p分别为0.34毫米及0.14毫米；该第三间隔q、该第四间隔s及该第五间隔y分别为0.34、0.50毫米及0.6毫米。 

该无线通讯单元30设置于该第二侧面12，该无线通讯单元30包括一电极层19、一间隔部20及一F型结构24。在本实施例中，该电极层19为接地-讯号-接地(Ground-Signal-Ground，GSG)底电极，其依序包括多个导电层197、198、199(氮化钽(TaN)层、钽(Ta)层、铜(Cu)层)，其中该等导电层197、198、199较佳的厚度分别为900-1100埃 150-250埃及1800-2200埃。 

在本实施例中，该电极层19具有一平板部191、一第一基部192及一第二基部193。该平板部191的一侧面具有一槽口194，该第一基部192、该等第二基部193及该槽口194间隔设置于该第二侧面12且实质上平行该第二侧面12的一长度侧边121，该第一基部192具有一本体195及一延伸部196，该延伸部196自该本体195延伸至该槽口194中。其中，两个接地点G设置于该平板部191且位于该槽口194的两个侧，且该硅基悬浮天线1的一共面波导(Coplanar Waveguide，CPW)馈入点S设置于该延伸部196(参考图4A)。 

较佳地，该平板部191的长度m及宽度n分别为16.2至19.8毫米之间及6.3至7.7毫米之间；该延伸部196的长度f及宽度e分别为0.54至0.66毫米之间及0.05至0.15毫米之间。在本实施例中，该平板部191的长度m及宽度n分别为18毫米及7.0毫米；该延伸部196的长度f及宽度e分别为0.6毫米及0.1毫米。 

该槽口194与该第二表面12的该长度侧边121距离u较佳为0.09至0.11毫米之间；该槽口194的宽度w及深度z分别为0.18至0.30毫米之间及0.135至0.165毫米之间。在本实施例中，该槽口194与该第二表面12的该长度侧边121距离u为0.10毫米之间；该槽口194的宽度w及深度z分别为0.20毫米及0.15毫米。另外，该延伸部196与该槽口194之间具有一等距间距g， 该等距间距g较佳为0.03至0.08毫米之间，在本实施例中，该等距间距g为0.05毫米。 

该间隔部20设置于该本体195及该等第二基部193上，较佳地，该间隔部20为铜材质。该F型结构24具有一纵部241、一第一横部242及一第二横部243。其中，该纵部241通过一种子层23(在此为铜材质)设置于该间隔部20上，且该F型结构24实质上平行该第二侧面12。较佳地，该F型结构24为铜材质。 

该F型结构24具有一厚度、一最大长度a及一最大宽度b，较佳地，该厚度、该最大长度a及该最大宽度b分别为5.0至7.0微米之间、6.3至7.7毫米之间及3.4至3.8毫米之间。在本实施例中，该厚度、该最大长度a及该最大宽度b分别为6.0微米、7.0毫米及3.6毫米，并且，该F型结构24与该硅基板10的该二氧化硅层13的间隔h为11.88至14.52微米之间，较佳地，该F型结构24与该硅基板10的该二氧化硅层13的间隔h为13.2微米。 

该F型结构24的该纵部241另包括相对的一第一端244及一第二端245，其中该第一横部242连接于该纵部241的该第二端245，该第二横部243连接于该纵部241的该第一端244与该第二端245之间。较佳地，该第二横部243的宽度d为0.45至0.55毫米之间，在本实施例中，该第二横部243的宽度d为0.5毫米；该第二横部243与该纵部241的该第一端244的端面间的距离c为0.81至0.99毫米之间，在本实施例中，该第二横部243与该纵部241的该第一端244的端面间的距离c为0.9毫米。 

本发明的具光子带隙结构的硅基悬浮天线1可适用于3.1GHz～10.6GHz的超宽频带(Ultra-wideband，UWB)的应用(应用于影像、车用雷达、通讯与测量等系统)，在商业上可开发作为短距离且兼具高速多媒体资讯的无线传输界面，例如，无线个人网络(WPAN)系统的数字数据传输。此外，本发明的具光子带隙结构的硅基悬浮天线1具有超宽频带的频宽高、传送速率快、低耗电量、安全性高、高速传输、低干扰、定位功能精准、低成本芯片结构等特色。 

参考图10，其显示三种不同类型天线结构的辐射效率结果图，其中该三种不同类型天线结构分别为未具周期性结构的平面天线(A天线)、未具周期性结构的悬浮天线(B天线)及本发明具光子带隙结构(周期性结构)的硅基悬 浮天线1(C天线)。曲线L1至L3分别表示A天线至C天线的辐射效率曲线。结果显示，在共振频率为5.1GHz下C天线(本发明)的辐射效率高达91％，优于A天线的84％(共振频率为4.9GHz)及B天线的87％(共振频率为5.1GHz)。 

参考图11，其显示A天线至C天线的频宽与反射损失(S11，Return loss)结果图。曲线L4至L6分别表示A天线至C天线的反射损失曲线。结果显示，在共振频率约为4.9GHz下，A天线的反射损失约为-15.9dB，频宽约为28％(4.6GHz～6.1GHz)；在共振频率约为5.1GHz下，B天线的反射损失约为-15.8dB，频宽约为31％(4.6GHz～6.3GHz)；在共振频率约为5.1GHz下，C天线(本发明)的反射损失约为-41.6dB，频宽约为36％(4.6GHz～6.6GHz)。因此，C天线(本发明)的反射损失及频宽皆优于A天线及B天线。 

参考图12，其显示该三种不同类型天线结构的最大增益结果图。曲线L7至L9分别表示A天线至C天线的最大增益曲线。结果显示，在共振频率约为4.9GHz下，A天线的最大增益约为1.8dB；在共振频率约为5.1GHz下，B天线的最大增益约为2.0dB；在共振频率约为5.1GHz下，C天线(本发明)的最大增益约为2.3dB。因此，C天线(本发明)的最大增益优于A天线及B天线。 

参考图13A、图13B，其显示本发明具光子带隙结构的硅基悬浮天线的方向增益场型图。图13A表示球座标中x-z平面的方向增益场型，曲线L10至L11分别表示相应球座标中的ψ角及θ角的增益曲线；图13B表示球座标中y-z平面的方向增益场型，曲线L112至L13分别表示相应球座标中的ψ角及θ角的增益曲线。由图13A、图13B的方向增益场型结果显示，本发明的具光子带隙结构的硅基悬浮天线1，在x-z平面及在y-z平面中皆具有对称的增益，其为极佳的全向性天线。 

本发明的具光子带隙结构的硅基悬浮天线可利用集成电路薄膜制作工艺、面型微加工(Surface Micromachining)制作工艺及体型微加工(BulkMicromachining)制作工艺，于该硅基板的第一侧面形成多个规则性排列的凹穴(光子带隙结构)，其具有以下增进功效： 

1.悬浮的F型结构可增加天线的频宽，且可提高元件的辐射效率。 

2.通过硅基板的凹穴(光子带隙结构)的最佳化设计，可抑制天线的混附波(Spurious wave)，以提升天线的辐射效率与增益。 

3.运用体型微加工(Bulk Micromachining)技术蚀刻硅基板以形成具有所需深度(空气层深度)的多个规则性排列的凹穴，以降低硅基板的等效介电常数，进而增加天线的频宽。 

上述实施例仅为说明本发明的原理及其功效，并非限制本发明。因此熟悉此技术的人士对上述实施例进行修改及变化仍不脱本发明的精神。本发明的权利范围应如附上的权利要求所列。