專利名稱：鐵電薄膜移相器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種新型鐵電薄膜移相器，屬于微波工程技術(shù)領(lǐng)域。
技術(shù)背景相控陣天線在雷達(dá)及通信系統(tǒng)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。在高精度相控陣列天線中，制作移相器的費(fèi)用約占整個(gè)相控陣列天線成本的40%。到目前為止， 研究得最為深入的移相器是基于鐵氧體材料或半導(dǎo)體器件設(shè)計(jì)制作的移相 器。基于鐵氧體材料制作的相控陣列天線體積大，功耗大，并且波束隨控制 信號(hào)的響應(yīng)也比較慢。故此在要求快速掃描的應(yīng)用領(lǐng)域存在明顯不足。由半 導(dǎo)體器件設(shè)計(jì)制作的相控陣列天線雖然可以滿足快速掃描的要求，但在微波 及毫米波頻段，它會(huì)產(chǎn)生較高的插入損耗，這樣限制了其功率承載能力的提 高。為了克服上述相控陣列天線的缺點(diǎn)，自二十世紀(jì)六十年代以來，鐵電材 料已被研究應(yīng)用于鐵電調(diào)制相控陣列天線的制作。和鐵氧體材料移相器及半 導(dǎo)體器件移相器相比，基于鐵電材料制作的移相器具有以下優(yōu)點(diǎn)掃描速度 快，體積小及重量輕。此外由于它們利用外加電場(chǎng)改變介電常數(shù)，所以功耗 也很低。到目前為止，在鐵電移相器應(yīng)用領(lǐng)域研究得最為廣泛的鐵電材料是鈦酸 鍶鋇薄膜(B^SiWTi03),分子式中;c/(1-x)是鋇與鍶組份的比例，其x值可從0變到1，相應(yīng)的鈦酸鍶鋇薄膜的居里轉(zhuǎn)變溫度點(diǎn)可從鈦酸鍶的居里溫度點(diǎn)(小 于0K)到鈦酸鋇薄膜的居里溫度點(diǎn)(400 K)。這樣通過調(diào)整鋇鍶組份的方法 可以選擇鈦酸鍶鋇薄膜的工作溫區(qū)，通常當(dāng)x取0.5左右時(shí)，鈦酸鍶鋇薄膜常被用來制作在室溫下工作的器件。在利用鐵電薄膜材料設(shè)計(jì)制作的移相器中，通常采用兩種結(jié)構(gòu)形式，微 帶線結(jié)構(gòu)和共面線結(jié)構(gòu)。尤其是以共面線周期性加載鐵電調(diào)制電容的方案報(bào) 導(dǎo)的最多。這種結(jié)構(gòu)有下述優(yōu)點(diǎn)鐵電薄膜只存在于制作可調(diào)電容的區(qū)域， 其余部分的鐵電薄膜均被腐蝕或者刻蝕掉，這樣做可以減少鐵電薄膜對(duì)整個(gè) 器件插入損耗的貢獻(xiàn)，此外，這種結(jié)構(gòu)還利于施加外加電壓。在共面線結(jié)構(gòu) 中，所加載的鐵電電容通常釆用平行板電容結(jié)構(gòu)或常規(guī)交叉指狀電容結(jié)構(gòu)。 前者采用下電極金屬層-鈦酸鍶鋇薄膜_上電極金屬層這種夾心三明治結(jié) 構(gòu)，上下電極間的距離就是鈦酸鍶鋇薄膜的厚度。平行板電容器工藝通常包 括如下幾個(gè)步驟1、沉積鉑電極前軀體，金屬鉑電極，沉積鐵電薄膜，氮化 硅絕緣層。鉑電極前軀體是為了讓金屬鉑電極能夠很好的和襯底基片結(jié)合；2、 光刻掩模，反應(yīng)離子束刻蝕氮化硅，氫氟酸溶液腐蝕鐵電薄膜到金屬鉑電極; 剝離光刻膠，反應(yīng)離子束刻蝕鉑電極。二次光刻掩模，氫氟酸腐蝕鉑電極前 軀體；3、剝離光刻膠，沉積氮化硅絕緣層；4、在氮化硅上光刻掩模，用反 應(yīng)離子束刻蝕氮化硅制作上接觸電極；剝離光刻膠，沉積上電極；5、光刻掩 模，隔離上電極。由于鈦酸鍶鋇薄膜的厚度通常在亞微米量級(jí)或者更薄，即 使在較小的外加電壓下亦可在鈦酸鍶鋇薄膜中產(chǎn)生較強(qiáng)的電場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)在 小電壓下具有較大調(diào)制能力的優(yōu)點(diǎn)。此外，外加電場(chǎng)可以較好地限制在鈦酸 鍶鋇薄膜中，提高了鈦酸鍶鋇薄膜調(diào)制能力的利用率。但在平行板電容器的 制作工藝中，需多次沉積絕緣層和金屬導(dǎo)電層，多次光刻掩模，多次反應(yīng)離 子束刻蝕及化學(xué)腐蝕。過多的工藝步驟直接影響器件的成品率及制作成本， 另外由于沉積絕緣層和導(dǎo)電層所需要的生長(zhǎng)溫度不同，這對(duì)平行板電容器制作過程中的前后工藝步驟的兼容性提出苛刻的條件。如在沉積鈦酸鍶鋇薄膜 的過程中會(huì)給下電極質(zhì)量的退化帶來難以接受的損傷，從而降低整個(gè)器件的 性能。常規(guī)交叉指狀電容結(jié)構(gòu)制作工藝流程簡(jiǎn)單、易于加工、便于和電路集 成。但該結(jié)構(gòu)自身具有較大的邊緣電容，不能充分利用鈦酸鍶鋇薄膜的調(diào)制 能力，通常幾微米量級(jí)的叉指間距導(dǎo)致在同樣的外加電壓下產(chǎn)生較弱的調(diào)制 電場(chǎng)。利用該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制作的鐵電電容調(diào)制能力弱。 實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供一種鐵電薄膜移相器，以提高鐵電電容器的 調(diào)制能力，使利用該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制作的移相器可在較低的外加電壓下實(shí)現(xiàn)較強(qiáng) 的移相能力。為達(dá)到上述實(shí)用新型目的，本實(shí)用新型提供的技術(shù)方案是 一種鐵電薄 膜移相器，包括共面線結(jié)構(gòu)，共面線結(jié)構(gòu)包括常規(guī)導(dǎo)電薄膜構(gòu)成的傳輸線及 其兩側(cè)的接地面，接地面與傳輸線之間是等寬的縫，傳輸線和其兩側(cè)的接地 面上相互周期性地設(shè)置有叉指狀電容結(jié)構(gòu)，所述導(dǎo)電薄膜直接沉積在襯底基 片上，在傳輸線和接地面的相互叉指之間的夾縫內(nèi)設(shè)有鐵電薄膜。所述的鐵電材料為鈦酸鍶鋇。所述的導(dǎo)電薄膜和鐵電薄膜的厚度在2- 5 0微米，叉指間距在l - 1 0 微米，叉指長(zhǎng)度在l 0 - 1 0 0 0微米。所述的襯底材料為氧化鎂、氧化鋁或鋁酸鑭材料制成。 在新型叉指電容結(jié)構(gòu)中，導(dǎo)電薄膜的厚度通常在微米量級(jí)，主要是為減 小移相器在高頻段工作時(shí)的導(dǎo)體損耗，鐵電薄膜位于叉指之間，而不是位于 常規(guī)交叉指狀電容的叉指下面，這將非常有利于把外加電場(chǎng)高度限制在鐵電薄膜中，從而顯著地提高了鐵電薄膜的調(diào)制能力，使得利用該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制作 的移相器具有在小電壓下具有大移相能力的優(yōu)點(diǎn)?；诒緦?shí)用新型交叉指狀 電容的鐵電薄膜移相器具有制作工藝流程簡(jiǎn)單、鐵電薄膜的調(diào)制能力利用率 高、結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸較小等優(yōu)點(diǎn)。本實(shí)用新型交叉指狀電容結(jié)構(gòu)兼顧了常規(guī) 交叉指狀電容制作工藝簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)及平行板電容器結(jié)構(gòu)能夠把外加電場(chǎng)高度 集中在鐵電薄膜當(dāng)中，從而在小電壓下實(shí)現(xiàn)大移相能力的優(yōu)點(diǎn)，具有潛在的 廣泛的應(yīng)用前景。

圖1是本實(shí)用新型共面線周期性加載鐵電電容結(jié)構(gòu)的移相器版圖； 圖2是圖1的A—A剖面圖； 圖3是圖1中標(biāo)號(hào)33處叉指狀電容結(jié)構(gòu)的放大圖； 圖4是圖3的B^B剖面圖； 圖5是常規(guī)交叉指狀電容結(jié)構(gòu)的俯視圖； 圖6是常規(guī)交叉指狀電容結(jié)構(gòu)的截面圖。
具體實(shí)施方式
參照?qǐng)D1、 2、 3、 4，本實(shí)用新型的鐵電薄膜移相器，包括共面線結(jié)構(gòu)， 共面線結(jié)構(gòu)包括常規(guī)導(dǎo)電薄膜構(gòu)成的傳輸線21及其兩側(cè)的接地面22，接地面 22與傳輸線21之間是等寬的縫，傳輸線21和其兩側(cè)的接地面22上相互周期 性地設(shè)置有叉指狀電容結(jié)構(gòu)33，所述導(dǎo)電薄膜2直接沉積在襯底基片1上， 在傳輸線21和接地面22的相互叉指之間的夾縫內(nèi)設(shè)有鐵電薄膜3。本實(shí)施例 的鐵電薄膜材料為鈦酸鍶鋇。本實(shí)用新型的共面線周期性加載新型交叉指狀電容結(jié)構(gòu)的移相器制作工藝如下(1)在襯底基片1上沉積導(dǎo)電薄膜材料2; (2)光刻掩模后，氬離子刻蝕或者濕法腐蝕形成共面線結(jié)構(gòu)(傳輸線21和接地面22)及周期性加載的 交叉指狀電容結(jié)構(gòu)33; (3)在交叉指狀電容區(qū)域沉積微米量級(jí)的鐵電薄膜3，形成共面線周期性加載新型交叉指狀電容結(jié)構(gòu)的移相器，加載電容為新型交 叉指狀電容。即在共面線上周期性加載新型交叉指狀電容。和平行板結(jié)構(gòu)電 容周期性加載共面線移相器的制作工藝相比，新型交叉指狀電容周期性加載 共面線結(jié)構(gòu)移相器的制作工藝要簡(jiǎn)單得多。顯而易見，新型交叉指狀電容周 期性加載共面線結(jié)構(gòu)移相器的制作工藝要經(jīng)濟(jì)得多。本實(shí)用新型中提到的共面線結(jié)構(gòu)指的是上層導(dǎo)體構(gòu)成的幾何結(jié)構(gòu)。共面線結(jié)構(gòu)為 一條傳輸線和兩個(gè)位于傳輸線兩側(cè)的接地面，接地面和傳輸線共同附著在基片的同一平面上，接地面與傳輸線之間是等寬度的縫。傳輸線和 接地面可由常規(guī)金屬薄膜(如金、銀、銅、鉑)或者超導(dǎo)薄膜構(gòu)成。襯底材料可以氧化鎂(MgO)、氧化鋁(A1203)和鋁酸鑭(LaA103)等常用基片材 料。
權(quán)利要求1. 一種鐵電薄膜移相器，包括共面線結(jié)構(gòu)，共面線結(jié)構(gòu)包括導(dǎo)電薄膜構(gòu)成的傳輸線及其兩側(cè)的接地面，接地面與傳輸線之間是等寬的縫，傳輸線和其兩側(cè)的接地面上相互周期性地設(shè)置有叉指狀結(jié)構(gòu)，其特征在于所述導(dǎo)電薄膜直接設(shè)附于襯底基片上，在傳輸線和接地面的相互叉指之間的夾縫內(nèi)設(shè)有鐵電薄膜。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的移相器，其特征在于所述的鐵電材料為鈦 酸鍶鋇。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的移相器，其特征在于所述的導(dǎo)電薄膜 和鐵電薄膜的厚度在5 — 5 0微米，叉指間距在l - 1 0微米，叉指長(zhǎng)度在1 0 - 1 0 0 0微米。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的移相器，其特征在于所述的襯底材料為氧 化鎂、氧化鋁或鋁酸鑭材料制成。
專利摘要本實(shí)用新型屬于微波工程技術(shù)領(lǐng)域的一種鐵電薄膜移相器，包括共面線結(jié)構(gòu)，共面線結(jié)構(gòu)包括常規(guī)導(dǎo)電薄膜構(gòu)成的傳輸線及其兩側(cè)的接地面，接地面與傳輸線之間是等寬的縫，傳輸線和其兩側(cè)的接地面上相互周期性地設(shè)置有叉指狀電容結(jié)構(gòu)，所述導(dǎo)電薄膜直接設(shè)附于襯底基片上，在傳輸線和接地面的相互叉指之間的夾縫內(nèi)設(shè)有鐵電薄膜。本實(shí)用新型交叉指狀電容結(jié)構(gòu)兼顧了常規(guī)交叉指狀電容制作工藝簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)及平行板電容器結(jié)構(gòu)能夠把外加電場(chǎng)高度集中在鐵電薄膜當(dāng)中，從而在小電壓下實(shí)現(xiàn)大移相能力的優(yōu)點(diǎn)，具有潛在的廣泛的實(shí)用前景。
文檔編號(hào)H01P1/18GK201117767SQ20072009084
公開日2008年9月17日 申請(qǐng)日期2007年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月27日
發(fā)明者劉躍敏, 周魯英, 孫立功, 孟慶端, 普杰信, 葳 田, 馬建偉 申請(qǐng)人:河南科技大學(xué)