專利名稱：鐵電薄膜移相器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種新型鐵電薄膜移相器，屬于微波工程技術領域。
技術背景相控陣天線在雷達及通信系統領域有著廣泛的應用。在高精度相控陣列天線中，制作移相器的費用約占整個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體器件設計制作的移相 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 信號的響應也比較慢。故此在要求快速掃描的應用領域存在明顯不足。由半 導體器件設計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，它會產生較高的插入損耗，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，自二十世紀六十年代以來，鐵電材 料已被研究應用于鐵電調制相控陣列天線的制作。和鐵氧體材料移相器及半 導體器件移相器相比，基于鐵電材料制作的移相器具有以下優點掃描速度 快，體積小及重量輕。此外由于它們利用外加電場改變介電常數，所以功耗 也很低。到目前為止，在鐵電移相器應用領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，相應的鈦酸鍶鋇薄膜的居里轉變溫度點可從鈦酸鍶的居里溫度點(小 于0K)到鈦酸鋇薄膜的居里溫度點(400 K)。這樣通過調整鋇鍶組份的方法 可以選擇鈦酸鍶鋇薄膜的工作溫區，通常當x取0.5左右時，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計制作的移相器中，通常采用兩種結構形式，微 帶線結構和共面線結構。尤其是以共面線周期性加載鐵電調制電容的方案報 導的最多。這種結構有下述優點鐵電薄膜只存在于制作可調電容的區域， 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整個 器件插入損耗的貢獻，此外，這種結構還利于施加外加電壓。在共面線結構 中，所加載的鐵電電容通常釆用平行板電容結構或常規交叉指狀電容結構。 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 構，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合；2、 光刻掩模，反應離子束刻蝕氮化硅，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生較強的電場，從而實現在 小電壓下具有較大調制能力的優點。此外，外加電場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電層，多次光刻掩模，多次反應離 子束刻蝕及化學腐蝕。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電層所需要的生長溫度不同，這對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 的過程中會給下電極質量的退化帶來難以接受的損傷，從而降低整個器件的 性能。常規交叉指狀電容結構制作工藝流程簡單、易于加工、便于和電路集 成。但該結構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制 能力，通常幾微米量級的叉指間距導致在同樣的外加電壓下產生較弱的調制 電場。利用該結構設計制作的鐵電電容調制能力弱。 實用新型內容本實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 調制能力，使利用該結構設計制作的移相器可在較低的外加電壓下實現較強 的移相能力。為達到上述實用新型目的，本實用新型提供的技術方案是 一種鐵電薄 膜移相器，包括共面線結構，共面線結構包括常規導電薄膜構成的傳輸線及 其兩側的接地面，接地面與傳輸線之間是等寬的縫，傳輸線和其兩側的接地 面上相互周期性地設置有叉指狀電容結構，所述導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設有鐵電薄膜。所述的鐵電材料為鈦酸鍶鋇。所述的導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。 在新型叉指電容結構中，導電薄膜的厚度通常在微米量級，主要是為減 小移相器在高頻段工作時的導體損耗，鐵電薄膜位于叉指之間，而不是位于 常規交叉指狀電容的叉指下面，這將非常有利于把外加電場高度限制在鐵電薄膜中，從而顯著地提高了鐵電薄膜的調制能力，使得利用該結構設計制作 的移相器具有在小電壓下具有大移相能力的優點。基于本實用新型交叉指狀 電容的鐵電薄膜移相器具有制作工藝流程簡單、鐵電薄膜的調制能力利用率 高、結構緊湊、尺寸較小等優點。本實用新型交叉指狀電容結構兼顧了常規 交叉指狀電容制作工藝簡單的優點及平行板電容器結構能夠把外加電場高度 集中在鐵電薄膜當中，從而在小電壓下實現大移相能力的優點，具有潛在的 廣泛的應用前景。
圖1是本實用新型共面線周期性加載鐵電電容結構的移相器版圖； 圖2是圖1的A—A剖面圖； 圖3是圖1中標號33處叉指狀電容結構的放大圖； 圖4是圖3的B^B剖面圖； 圖5是常規交叉指狀電容結構的俯視圖； 圖6是常規交叉指狀電容結構的截面圖。
具體實施方式
參照圖1、 2、 3、 4，本實用新型的鐵電薄膜移相器，包括共面線結構， 共面線結構包括常規導電薄膜構成的傳輸線21及其兩側的接地面22，接地面 22與傳輸線21之間是等寬的縫，傳輸線21和其兩側的接地面22上相互周期 性地設置有叉指狀電容結構33，所述導電薄膜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設有鐵電薄膜3。本實施例 的鐵電薄膜材料為鈦酸鍶鋇。本實用新型的共面線周期性加載新型交叉指狀電容結構的移相器制作工藝如下(1)在襯底基片1上沉積導電薄膜材料2; (2)光刻掩模后，氬離子刻蝕或者濕法腐蝕形成共面線結構(傳輸線21和接地面22)及周期性加載的 交叉指狀電容結構33; (3)在交叉指狀電容區域沉積微米量級的鐵電薄膜3，形成共面線周期性加載新型交叉指狀電容結構的移相器，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。和平行板結構電 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 共面線結構移相器的制作工藝要簡單得多。顯而易見，新型交叉指狀電容周 期性加載共面線結構移相器的制作工藝要經濟得多。本實用新型中提到的共面線結構指的是上層導體構成的幾何結構。共面線結構為 一條傳輸線和兩個位于傳輸線兩側的接地面，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 接地面可由常規金屬薄膜(如金、銀、銅、鉑)或者超導薄膜構成。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。
權利要求1. 一種鐵電薄膜移相器，包括共面線結構，共面線結構包括導電薄膜構成的傳輸線及其兩側的接地面，接地面與傳輸線之間是等寬的縫，傳輸線和其兩側的接地面上相互周期性地設置有叉指狀結構，其特征在于所述導電薄膜直接設附于襯底基片上，在傳輸線和接地面的相互叉指之間的夾縫內設有鐵電薄膜。
2、 根據權利要求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、 根據權利要求1或2所述的移相器，其特征在于所述的導電薄膜 和鐵電薄膜的厚度在5 — 5 0微米，叉指間距在l - 1 0微米，叉指長度在1 0 - 1 0 0 0微米。
4、 根據權利要求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。
專利摘要本實用新型屬于微波工程技術領域的一種鐵電薄膜移相器，包括共面線結構，共面線結構包括常規導電薄膜構成的傳輸線及其兩側的接地面，接地面與傳輸線之間是等寬的縫，傳輸線和其兩側的接地面上相互周期性地設置有叉指狀電容結構，所述導電薄膜直接設附于襯底基片上，在傳輸線和接地面的相互叉指之間的夾縫內設有鐵電薄膜。本實用新型交叉指狀電容結構兼顧了常規交叉指狀電容制作工藝簡單的優點及平行板電容器結構能夠把外加電場高度集中在鐵電薄膜當中，從而在小電壓下實現大移相能力的優點，具有潛在的廣泛的實用前景。
文檔編號H01P1/18GK201117767SQ20072009084
公開日2008年9月17日 申請日期2007年6月27日 優先權日2007年6月27日
發明者劉躍敏, 周魯英, 孫立功, 孟慶端, 普杰信, 葳 田, 馬建偉 申請人:河南科技大學