铁电薄膜移相器制造技术

本实用新型专利技术属于微波工程技术领域的一种铁电薄膜移相器，包括共面线结构，共面线结构包括常规导电薄膜构成的传输线及其两侧的接地面，接地面与传输线之间是等宽的缝，传输线和其两侧的接地面上相互周期性地设置有叉指状电容结构，所述导电薄膜直接设附于衬底基片上，在传输线和接地面的相互叉指之间的夹缝内设有铁电薄膜。本实用新型专利技术交叉指状电容结构兼顾了常规交叉指状电容制作工艺简单的优点及平行板电容器结构能够把外加电场高度集中在铁电薄膜当中，从而在小电压下实现大移相能力的优点，具有潜在的广泛的实用前景。（*该技术在2017年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种新型铁电薄膜移相器，属于微波工程
技术背景相控阵天线在雷达及通信系统领域有着广泛的应用。在高精度相控阵列天线中，制作移相器的费用约占整个相控阵列天线成本的40%。到目前为止， 研究得最为深入的移相器是基于铁氧体材料或半导体器件设计制作的移相 器。基于铁氧体材料制作的相控阵列天线体积大，功耗大，并且波束随控制 信号的响应也比较慢。故此在要求快速扫描的应用领域存在明显不足。由半 导体器件设计制作的相控阵列天线虽然可以满足快速扫描的要求，但在微波 及毫米波频段，它会产生较高的插入损耗，这样限制了其功率承载能力的提 高。为了克服上述相控阵列天线的缺点，自二十世纪六十年代以来，铁电材 料已被研究应用于铁电调制相控阵列天线的制作。和铁氧体材料移相器及半 导体器件移相器相比，基于铁电材料制作的移相器具有以下优点扫描速度 快，体积小及重量轻。此外由于它们利用外加电场改变介电常数，所以功耗 也很低。到目前为止，在铁电移相器应用领域研究得最为广泛的铁电材料是钛酸 锶钡薄膜(B^SiWTi03),分子式中;c/(1-x)是钡与锶组份的比例，其x值可从0变到1，相应的钛酸锶钡薄膜的居里转变温度点可从钛酸锶的居里温度点(小 于0K)到钛酸钡薄膜的居里温度点(400 K)。这样通过调整钡锶组份的方法 可以选择钛酸锶钡薄膜的工作温区，通常当x取0.5左右时，钛酸锶钡薄膜常被用来制作在室温下工作的器件。在利用铁电薄膜材料设计制作的移相器中，通常采用两种结构形式，微 带线结构和共面线结构。尤其是以共面线周期性加载铁电调制电容的方案报 导的最多。这种结构有下述优点铁电薄膜只存在于制作可调电容的区域， 其余部分的铁电薄膜均被腐蚀或者刻蚀掉，这样做可以减少铁电薄膜对整个 器件插入损耗的贡献，此外，这种结构还利于施加外加电压。在共面线结构 中，所加载的铁电电容通常釆用平行板电容结构或常规交叉指状电容结构。 前者采用下电极金属层-钛酸锶钡薄膜_上电极金属层这种夹心三明治结 构，上下电极间的距离就是钛酸锶钡薄膜的厚度。平行板电容器工艺通常包 括如下几个步骤1、沉积铂电极前躯体，金属铂电极，沉积铁电薄膜，氮化 硅绝缘层。铂电极前躯体是为了让金属铂电极能够很好的和衬底基片结合；2、 光刻掩模，反应离子束刻蚀氮化硅，氢氟酸溶液腐蚀铁电薄膜到金属铂电极; 剥离光刻胶，反应离子束刻蚀铂电极。二次光刻掩模，氢氟酸腐蚀铂电极前 躯体；3、剥离光刻胶，沉积氮化硅绝缘层；4、在氮化硅上光刻掩模，用反 应离子束刻蚀氮化硅制作上接触电极；剥离光刻胶，沉积上电极；5、光刻掩 模，隔离上电极。由于钛酸锶钡薄膜的厚度通常在亚微米量级或者更薄，即 使在较小的外加电压下亦可在钛酸锶钡薄膜中产生较强的电场，从而实现在 小电压下具有较大调制能力的优点。此外，外加电场可以较好地限制在钛酸 锶钡薄膜中，提高了钛酸锶钡薄膜调制能力的利用率。但在平行板电容器的 制作工艺中，需多次沉积绝缘层和金属导电层，多次光刻掩模，多次反应离 子束刻蚀及化学腐蚀。过多的工艺步骤直接影响器件的成品率及制作成本， 另外由于沉积绝缘层和导电层所需要的生长温度不同，这对平行板电容器制作过程中的前后工艺步骤的兼容性提出苛刻的条件。如在沉积钛酸锶钡薄膜 的过程中会给下电极质量的退化带来难以接受的损伤，从而降低整个器件的 性能。常规交叉指状电容结构制作工艺流程简单、易于加工、便于和电路集 成。但该结构自身具有较大的边缘电容，不能充分利用钛酸锶钡薄膜的调制 能力，通常几微米量级的叉指间距导致在同样的外加电压下产生较弱的调制 电场。利用该结构设计制作的铁电电容调制能力弱。
技术实现思路
本技术的目的在于提供一种铁电薄膜移相器，以提高铁电电容器的 调制能力，使利用该结构设计制作的移相器可在较低的外加电压下实现较强 的移相能力。为达到上述技术目的，本技术提供的技术方案是 一种铁电薄 膜移相器，包括共面线结构，共面线结构包括常规导电薄膜构成的传输线及 其两侧的接地面，接地面与传输线之间是等宽的缝，传输线和其两侧的接地 面上相互周期性地设置有叉指状电容结构，所述导电薄膜直接沉积在衬底基 片上，在传输线和接地面的相互叉指之间的夹缝内设有铁电薄膜。所述的铁电材料为钛酸锶钡。所述的导电薄膜和铁电薄膜的厚度在2- 5 0微米，叉指间距在l - 1 0 微米，叉指长度在l 0 - 1 0 0 0微米。所述的衬底材料为氧化镁、氧化铝或铝酸镧材料制成。 在新型叉指电容结构中，导电薄膜的厚度通常在微米量级，主要是为减 小移相器在高频段工作时的导体损耗，铁电薄膜位于叉指之间，而不是位于 常规交叉指状电容的叉指下面，这将非常有利于把外加电场高度限制在铁电薄膜中，从而显著地提高了铁电薄膜的调制能力，使得利用该结构设计制作 的移相器具有在小电压下具有大移相能力的优点。基于本技术交叉指状 电容的铁电薄膜移相器具有制作工艺流程简单、铁电薄膜的调制能力利用率 高、结构紧凑、尺寸较小等优点。本技术交叉指状电容结构兼顾了常规 交叉指状电容制作工艺简单的优点及平行板电容器结构能够把外加电场高度 集中在铁电薄膜当中，从而在小电压下实现大移相能力的优点，具有潜在的 广泛的应用前景。附图说明图1是本技术共面线周期性加载铁电电容结构的移相器版图； 图2是图1的A—A剖面图； 图3是图1中标号33处叉指状电容结构的放大图； 图4是图3的B^B剖面图； 图5是常规交叉指状电容结构的俯视图； 图6是常规交叉指状电容结构的截面图。具体实施方式参照图1、 2、 3、 4，本技术的铁电薄膜移相器，包括共面线结构， 共面线结构包括常规导电薄膜构成的传输线21及其两侧的接地面22，接地面 22与传输线21之间是等宽的缝，传输线21和其两侧的接地面22上相互周期 性地设置有叉指状电容结构33，所述导电薄膜2直接沉积在衬底基片1上， 在传输线21和接地面22的相互叉指之间的夹缝内设有铁电薄膜3。本实施例 的铁电薄膜材料为钛酸锶钡。本技术的共面线周期性加载新型交叉指状电容结构的移相器制作工艺如下(1)在衬底基片1上沉积导电薄膜材料2; (2)光刻掩模后，氩离子刻蚀或者湿法腐蚀形成共面线结构(传输线21和接地面22)及周期性加载的 交叉指状电容结构33; (3)在交叉指状电容区域沉积微米量级的铁电薄膜3，形成共面线周期性加载新型交叉指状电容结构的移相器，加载电容为新型交 叉指状电容。即在共面线上周期性加载新型交叉指状电容。和平行板结构电 容周期性加载共面线移相器的制作工艺相比，新型交叉指状电容周期性加载 共面线结构移相器的制作工艺要简单得多。显而易见，新型交叉指状电容周 期性加载共面线结构移相器的制作工艺要经济得多。本技术中提到的共面线结构指的是上层导体构成的几何结构。共面线结构为 一条传输线和两个位于传输线两侧的接地面，接地面和传输线共同附着在基片的同一平面上，接地面与传输线之间是等宽度的缝。传输线和 接地面可由常规金属薄膜(如金、银、铜、铂)或者超导薄膜构成。衬底材料可以氧化镁(MgO)、氧化铝(A1203)和铝酸镧(LaA103)等常用基片材 料。权利要求1. 一种铁电薄膜移相器，包括共面线结构，共面线本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铁电薄膜移相器，包括共面线结构，共面线结构包括导电薄膜构成的传输线及其两侧的接地面，接地面与传输线之间是等宽的缝，传输线和其两侧的接地面上相互周期性地设置有叉指状结构，其特征在于：所述导电薄膜直接设附于衬底基片上，在传输线和接地面的相互叉指之间的夹缝内设有铁电薄膜。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：孟庆端，马建伟，孙立功，田葳，周鲁英，刘跃敏，普杰信，
申请(专利权)人：河南科技大学，
类型：实用新型
国别省市：41[中国|河南]