专利名称：一种铁电薄膜移相器及其制作方法
技术领域：
本发明涉及一种新型铁电薄膜移相器，同时，还涉及一种该铁电薄膜移 相器的制作方法，属于微波工程技术领域。
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^SrvJ103)，分子式中;c/(1-;c)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采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。 发明内容本发明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。本发明的目的还在于，同时提供一种铁电薄膜移相器的制作方法。 为达到上述发明目的，本发明提供的技术方案是 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10-1000微米。所述的衬底材料为氧化镁、氧化铝或铝酸镧材料制成。与上述铁电薄膜移相器相对应，本发明的技术方案还提供了该铁电薄膜移 相器的制作方法，该方法步骤如下1) 在衬底基片上沉积导电薄膜材料；2) 光刻掩模后，氩离子刻蚀或者湿法腐蚀形成共面线结构的传输线和 其两侧接地面及传输线和其两侧的接地面上相互周期性加载的叉指状电容结 构；3) 在交叉指状电容区域沉积微米量级的铁电薄膜，最终形成共面线周 期性加载交叉指状电容结构的移相器。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5 - 5 0微米，叉指间距在l - 1 0微米，叉指长度在1 G - 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。 本发明和常规的交叉指状电容周期性加载共面线移相器的制作工艺相 比，本交叉指状电容周期性加载共面线结构移相器的制作工艺仅仅在制作工 序上作了调整，没有增加器件制作的工序步骤。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。基于本发明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 发明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。
图1是本发明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，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。本发明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。
2、根据权利要求1所述的移相器，其特征在于所述的铁电材料为钛酸 锶钡。
3 、根据权利要求1或2所述的移相器，其特征在于所述的导电薄膜和 铁电薄膜的厚度在5 —5 0微米，叉指间距在l - 1 O微米，叉指长度在l0 - 1 0 0 0微米。
4、根据权利要求3所述的移相器，其特征在于所述的衬底材料为氧化镁、氧化铝或铝酸镧材料制成。
5、 一种铁电薄膜移相器的制作方法，其特征在于该方法步骤如下1) 在衬底基片上沉积导电薄膜材料；2) 光刻掩模后，氩离子刻蚀或者湿法腐蚀形成共面线结构的传输线和其两侧接地面及传输线和其两侧的接地面上相互周期性加载的叉指状电容结构；3) 在交叉指状电容区域沉积微米量级的铁电薄膜，最终形成共面线周 期性加载交叉指状电容结构的移相器。
6、 根据权利要求5所述的移相器的制作方法，其特征在于所述的铁 电材料为钛酸锶钡。
7、根据权利要求5或6所述的移相器的制作方法，其特征在于所述 的导电薄膜和铁电薄膜的厚度在5 - 5 0微米，叉指间距在l - 1 O微米， 叉指长度在l 0-100 O微米。
8、根据权利要求7所述的移相器的制作方法，其特征在于所述的衬底 材料为氧化镁、氧化铝或铝酸镧材料制成。
全文摘要
本发明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。本发明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。
文档编号H01P1/18GK101335371SQ200710054670
公开日2008年12月31日 申请日期2007年6月27日 优先权日2007年6月27日
发明者刘跃敏, 周鲁英, 孙立功, 孟庆端, 普杰信, 葳 田, 马建伟 申请人:河南科技大学