一种薄膜天线的制作方法

本实用新型涉及半导体技术领域，具体涉及一种薄膜天线。

背景技术：

随着移动数据设备例如智能手机、平板电脑等的普及，人们更加迫切需要在任何地方都能进行联网，在移动数据设备中天线是接触网络的唯一部件，这就要求移动数据设备具有不同的制式和不同的无线频段相对接的天线。天线尺寸由工作带宽、工作频率和辐射效率决定。更大尺寸的天线能够提供更大的带宽和更高的效率，天线尺寸越大还能够保持辐射效率不变。

然而，现有的移动数据设备更加轻薄化，这给天线的预留空间越来越少，这极大限制了天线的带宽和频率，这也给网络和移动数据设备带来巨大挑战。

技术实现要素：

为了克服以上问题，本实用新型旨在提供一种薄膜天线，通过纳米天线来改进传统天线结构，扩大天线的应用范围。

为了达到上述目的，本实用新型提供了一种薄膜天线，其包括：

一绝缘衬底层；

位于绝缘衬底层中的金属互连线，用于对纳米天线层的信号进行传输；

位于绝缘衬底层表面的纳米天线层；其中，纳米天线层底部通过金属接触线与金属互连线连接；

位于纳米天线层之间的介质；

位于纳米天线层上的覆盖层。

优选地，所述纳米天线层中的纳米天线具有一个恒定图案天线和多个以这个恒定图案天线放大或缩小的变换图案天线。

优选地，以所述恒定图案天线为基准，将所述恒定图案天线按递增或递减顺序放大为多个变换图案天线，将多个变换图案天线按照尺寸从小到大顺序且将顶端对齐到同一直线上排列。

优选地，相邻的变换图案天线的顶端在同一直线上、且相邻的变换图案天线中的一个变换图案天线与另一个变换图案天线呈180°相对设置。

优选地，所述恒定图案天线呈弧形轨迹排布。

优选地，所述恒定图案天线为波浪线且以弧形为轨迹排列。

优选地，所述弧形为半圆形。

优选地，每根所述纳米天线的一端底部与所述金属接触线顶部相连接。

优选地，所述金属接触线由金属接触孔结构构成；金属接触孔结构形成于绝缘衬底层中，其一端与纳米天线层底部连接，另一端穿过绝缘衬底层与金属互连线连接。

优选地，所述金属互连线的线宽和所述金属接触线的直径相同。

优选地，所述金属互连线的材料为铜，所述金属接触线的材料为铜。

优选地，在所述纳米天线层底部设置有封闭空腔，且封闭空腔位于所述金属互连线与所述纳米天线层之间的绝缘衬底层中。

优选地，在封闭空腔顶部且在纳米天线层底部设置有至少一条介质梁，用于支撑纳米天线层。

优选地，所述纳米天线的一端底部与金属接触线接触的位置均设置于纳米天线层的一侧，至少一条介质梁设置于所述纳米天线层的另一侧底部。

优选地，所述封闭空腔呈扁平结构。

优选地，每根所述金属接触线的一端与相应的天线的端相连接，另一端穿过所述封闭空腔至绝缘衬底层中，且另一端与金属互连线相连接。

优选地，所述纳米天线层的材料为单层石墨烯薄膜。

优选地，所述绝缘衬底层的材料为有机屏蔽材料。

优选地，所述覆盖层的材料为氧化石墨烯薄膜。

优选地，所述介质的材料为空气或低损耗高频介质。

为了达到上述目的，本实用新型还提供了一种上述的薄膜天线的制备方法，包括：

步骤01：提供一原始绝缘衬底层；

步骤02：在原始绝缘衬底层表面刻蚀出互连线沟槽并填充金属，从而形成互连线；

步骤03：在互连线和原始绝缘衬底层表面再沉积一层新绝缘衬底层，在新绝缘衬底层中刻蚀出接触孔；并且在接触孔中填充金属，从而形成金属接触线；接触孔所在位置为相应纳米天线的端部所在位置；

步骤04：金属接触线顶部和新绝缘衬底层上覆盖上一层纳米天线层；

步骤05：图案化纳米天线层，形成多个纳米天线，并且暴露出新绝缘衬底层表面；其中，纳米天线层中的每个纳米天线的一端与金属接触线顶部接触；

步骤06：在纳米天线之间形成介质，并在纳米天线表面覆盖覆盖层。

优选地，所述步骤06包括：在真空中将覆盖层覆盖于纳米天线层表面，从而使得覆盖层下方的相邻纳米天线之间构成真空介质。

优选地，所述步骤06包括：首先，在纳米天线层和暴露的新绝缘衬底层表面沉积介质层；介质层将纳米天线之间隔开；然后，去除位于纳米天线层表面的介质层，保留位于纳米天线之间的介质层；接着，在介质层表面和纳米天线层表面形成覆盖层；最后，对覆盖层进行加压处理，使覆盖层与介质层紧密吸附。

优选地，所述介质层的顶部高于所述的纳米天线层的顶部。

优选地，所述步骤03中，所述新绝缘衬底层的沉积具体包括：首先，在互连线和原始绝缘衬底层表面沉积第一新绝缘衬底层；然后，在新绝缘衬底层中刻蚀出第一沟槽；再在第一沟槽内填充牺牲层材料；所述步骤05之后且在所述步骤06之前，还包括：去除牺牲层材料，使纳米天线层和第一新绝缘衬底层之间形成空腔；所述步骤06中，在纳米天线表面覆盖覆盖层之后，所述空腔形成封闭空腔。

优选地，在牺牲层材料填充之后，且在步骤04之前，还包括：

步骤041：在牺牲层材料中刻蚀出至少一条狭长的第二沟槽；

步骤042：在第二沟槽内和第一新绝缘衬底层表面沉积第二新绝缘衬底层，第一新绝缘衬底层和第二新绝缘衬底层之间相键合；其中，第二沟槽的两端与第一新绝缘衬底层连通；

步骤043：图案化第二新绝缘衬底层，其中，去除第二沟槽之外的第二新绝缘衬底层，使得第二沟槽内的第二新绝缘衬底层与第一新绝缘衬底层形成连通的镂空结构；

所述去除牺牲层材料之后，所述第二沟槽内的第二新绝缘衬底层保留，构成介质梁，用于支撑纳米天线层。

优选地，至少两条第二沟槽交叉排布。

优选地，第二沟槽呈非直线分布。

本实用新型的薄膜天线，将纳米天线与金属互连线相互整合，实现了纳米天线层的薄膜态。进一步的，利用纳米天线尺寸小和空间集成度高的特点，可以实现多个纳米天线共用的一层纳米天线层；利用恒定图案天线和变换图案天线的变换和排列，实现不同频段天线的集成于一层；进一步的，对纳米天线底部的金属接触线的设置，使得薄膜天线整体结构的纵向高度减小；此外，封闭空腔的设置，提高了纳米天线层的信号利用率；介质梁配合封闭空腔的设置，不仅提高封闭空腔的体积，还提高有利于更多频段天线的集成。本实用新型的薄膜天线及其制备方法，均可以与现有的CMOC工艺相兼容，无需额外增加成本，有利于大规模生产。

附图说明

图1为本实用新型的一个较佳实施例的薄膜天线的俯视结构示意图

图2为图1的薄膜天线的截面结构示意图

图3为图1的薄膜天线的另一种截面结构示意图

图4为本实用新型一个较佳实施例的薄膜天线的介质梁的示意图

图5为本实用新型的一个较佳实施例的薄膜天线的介质梁的示意图

图6为本实用新型的一个较佳实施例的薄膜天线的介质梁的示意图

图7为本实用新型的一个较佳实施例的薄膜天线的介质梁的示意图

图8为本实用新型的一个较佳实施例的薄膜天线的制备方法的流程示意图

图9～24为本实用新型的一个较佳实施例的薄膜天线的制备方法的各个步骤示意图

具体实施方式

为使本实用新型的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本实用新型的内容作进一步说明。当然本实用新型并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本实用新型的保护范围内。

本实用新型的薄膜天线，包括绝缘衬底层；位于绝缘衬底层中的金属互连线，用于对纳米天线层的信号进行传输；位于绝缘衬底层表面的纳米天线层；其中，纳米天线层底部通过金属接触线与金属互连线连接；位于纳米天线层之间的介质；位于纳米天线层上的覆盖层。

以下结合附图1～24和具体实施例对本实用新型的一个实施例中的具有两层天线单元和两层防串扰介质层的天线结构作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式、使用非精准的比例，且仅用以方便、清晰地达到辅助说明本实施例的目的。

请参阅图1和2，本实施例的薄膜天线，包括：绝缘衬底层00；位于绝缘衬底层00中的金属互连线01，用于对纳米天线层02的信号进行传输；位于绝缘衬底层00表面的纳米天线层02；其中，纳米天线层02底部通过金属接触线04与金属互连线01连接；位于纳米天线层02之间的介质；位于纳米天线层02上的覆盖层03。利用绝缘衬底层00用于支撑纳米天线层02和隔绝纳米天线层02和外界其它功能结构的短路。在绝缘衬底层00中集成了金属互连线01和金属接触线04用于实现纳米天线层02的信号传输，并且节约了空间，简化了结构，实现了纳米天线的集成化。纳米天线层02之间设置介质(图2中所示该介质为空气)，不仅可以用于隔离纳米天线之间的干扰，还可以增强纳米天线的信号强度。本实用新型的其它实施例中，纳米天线之间设置的介质还可以为低损耗高频介质06，如图3所示。

请参阅图1并结合图2，纳米天线层02中的纳米天线具有一个恒定图案天线和多个以这个恒定图案天线放大和/或缩小的变换图案天线。本实施例中，如图1所示，恒定图案天线可以为图1中所示任意一个弧形，较佳的，弧形为半圆形，或者小于1/2圆。请参阅图1，以恒定图案天线为基准，将恒定图案天线按递增或递减顺序放大为多个变换图案天线，将多个变换图案天线按照尺寸从小到大顺序且将顶端对齐到同一直线上排列。相邻的变换图案天线的顶端在同一直线上、且相邻的变换图案天线中的一个变换图案天线与另一个变换图案天线呈180°相对设置。此外，本实用新型的其它实施例中，恒定图案天线还可以为波浪线且以弧形为轨迹排列。

本实施例中，每根纳米天线的一端底部与金属接触线顶部相连接。请结合图1～3，图1中为了便于表达，只示出了纳米天线、绝缘衬底层00、空腔Q和介质梁05，但这不用于限制本实用新型的保护范围。图1中白圈位置表示纳米天线与金属接触线接触的一端位置，实际上该白圈位置在纳米天线底部，为了便于表示，将其示出在纳米天线上。本实施例中，请参阅图2和3，金属接触线04由金属接触孔结构构成；金属接触孔结构形成于绝缘衬底层00中，其一端与纳米天线层02底部连接，另一端穿过绝缘衬底层00与金属互连线01连接。为了减小信号损耗，本实施例的金属互连线01的线宽和金属接触线04的直径相同，较佳的，可以设置金属接触线04的直径不大于10nm，如此微小的金属接触线04对纳米天线的干扰影响也较小，几乎可以忽略。较佳的，本实施例的金属互连线01的材料可以为铜，金属接触线04的材料可以为铜。

如图2和3所示，本实施例中，在纳米天线层01底部设置有封闭空腔Q，且封闭空腔Q位于金属互连线04与纳米天线层02之间的绝缘衬底层00中。每根金属接触线04的一端与相应的纳米天线的一端相连接，另一端穿过封闭空腔Q至绝缘衬底层00中，且另一端与金属互连线01相连接。本实施例的封闭空腔Q呈扁平结构，较佳的，封闭空腔Q的高度不大于纳米天线层02厚度的二倍，封闭空腔Q的面积不小于纳米天线层02的面积的90％，扁平结构的封闭空腔Q相当于一层介质薄膜，可以起到隔离作用，减小纵向高度，有利于整个天线结构的薄膜化。

本实施例中，请参阅图1，在封闭空腔Q顶部且在纳米天线层02底部设置有至少一条介质梁05，用于支撑纳米天线层02。请参阅图4～7，为本实用新型的实施例中的薄膜天线的介质梁的示意图。请参阅图4，纳米天线的一端底部与金属接触线04接触的位置均设置于纳米天线层02的一侧，至少一条介质梁05设置于纳米天线层02的另一侧底部，此外，还可以在纳米天线层02中心轴区域设置至少一根介质梁05，如图5所示。本实用新型的其它实施例中，两根介质梁交叉分布于纳米天线层下方，如图5中虚线位置，还可以以纳米天线层02中心轴为对称轴对称设置至少两根交叉的介质梁05。本实用新型的其它实施例中，请参阅图6，也可以只采用一根介质梁05，这根介质梁05的两端分别连接绝缘衬底层00，图6中虚线表示该介质梁05为非直线排布，例如可以为S型，或Z形，如图7所示，为纳米天线层底部采用一根介质梁05的示意图，该介质梁05呈Z型，而S型可以与该Z型采用相同的位置，只是将尖角圆角化，直线变曲线即可。因此，针对本实施例的任何常规技术手段的变换得到的介质梁，均属于本实用新型的思想范围内。需要说明的是，介质梁05和绝缘衬底层00的材料可以相同。

此外，本实施例中，为了实现整个天线结构的薄膜化和柔性，使得天线薄膜可以任意变形，有利于应用于智能器件中，纳米天线层02的材料可以为单层石墨烯薄膜；绝缘衬底层00的材料可以为有机屏蔽材料或无机屏蔽材料，覆盖层03的材料可以为氧化石墨烯薄膜。因此，本实施例的天线结构实际上为一层纳米级别的薄膜，该纳米级别的定义为不大于1000nm。此外，利用本天线结构还可以设置多层互不干扰的堆叠薄膜天线，有利于多模多频段的实现。

此外，本实施例中还提供了一种本实施例的上述薄膜天线的制备方法，请参阅图8，其包括：

步骤01：请参阅图9，提供一原始绝缘衬底层00'；

具体的，原始绝缘衬底层00'的材料可以为有机屏蔽材料或无机屏蔽材料。

步骤02：请参阅图10，在原始绝缘衬底层00'表面刻蚀出互连线沟槽并填充金属，从而形成互连线01；

具体的，可以但不限于采用光刻和刻蚀工艺来制备互连线沟槽和采用电镀工艺来填充金属，金属可以为铜。此外，当原始绝缘衬底层00'采用可以显影的有机材料或无机材料时，可以直接采用光刻工艺在原始绝缘衬底层00'中制备出互连线沟槽。

步骤03：请参阅图11～17，在互连线01和原始绝缘衬底层00'表面再沉积一层新绝缘衬底层00”，在新绝缘衬底层00”中刻蚀出接触孔；并且在接触孔中填充金属，从而形成金属接触线04；接触孔所在位置为相应纳米天线的端部所在位置，如图1和图4～7所示；

具体的，本步骤03中，新绝缘衬底层00”的沉积具体包括：

请参阅图11，首先，在互连线01和原始绝缘衬底层00'表面沉积第一新绝缘衬底层00”；

请参阅图12，然后，在新绝缘衬底层00”中刻蚀出第一沟槽；请参阅图13，再在第一沟槽内填充牺牲层材料X。然后，请参阅图14，再进行接触孔的制备，包括：在新绝缘衬底层00”中和牺牲层材料X中刻蚀出接触孔，接触孔底部暴露出互连线01；并且在接触孔中填充金属，从而形成金属接触线04，金属接触线04与互连线01相连接。这里需要说明的是，牺牲层材料X的尺寸决定了后续空腔Q的尺寸。

本实施例中的步骤03中，在牺牲层材料X填充之后，还包括：

步骤041：请参阅图15，在牺牲层材料X中刻蚀出至少一条狭长的第二沟槽(该第二沟槽的形貌和位置可以参考图1和图4～7的介质梁05，第二沟槽内填充介质后就形成了后续的介质梁05)；

步骤042：请参阅图16，在第二沟槽内和第一新绝缘衬底层00”表面沉积第二新绝缘衬底层00”'，第一新绝缘衬底层00”和第二新绝缘衬底层00”'之间相键合；其中，第二沟槽的两端与第一新绝缘衬底层00”连通；

步骤042：请参阅图17，图案化第二新绝缘衬底层00”'，其中，去除第二沟槽之外的第二新绝缘衬底层00”'，使得第二沟槽内的第二新绝缘衬底层00”'与第一新绝缘衬底层00”形成连通的镂空结构，并且第二沟槽内的第二新绝缘衬底层00”'形成最终的介质梁05；这里，请再次参阅图4，当纳米天线的一端底部与金属接触线04接触的位置均设置于纳米天线层02的一侧，至少一条第二沟槽(介质梁05的位置)设置于纳米天线层02的另一侧底部；或者请参阅图5，至少两条第二沟槽(介质梁05的位置)交叉排布；或者请参阅图6，第二沟槽(介质梁05的位置)呈非直线分布，例如呈S型分布，或呈Z型分布(如图7所示的介质梁05的位置)。

需要说明的是，原始绝缘衬底层00、第一新绝缘衬底层00”，第二新绝缘衬底层00”'共同构成本实施例的上述薄膜天线结构中的绝缘衬底层00。

步骤04：请参阅图18，金属接触线04顶部和新绝缘衬底层00”上覆盖上一层纳米天线层04；

具体的，由于本实施例中在上述步骤03中还制备了介质梁05，因此，本步骤04中，纳米天线层04也同时覆盖在介质梁05上。本实施例中，纳米天线层的材料可以为单层石墨烯薄膜；则单层石墨烯薄膜的纳米天线层04的制备过程包括：采用化学气相沉积方法制备单层石墨烯薄膜；将单层石墨烯薄膜转移至金属接触线04顶部和新绝缘衬底层00”上，以及本实施例的介质梁05上。

步骤05：请参阅图19，图案化纳米天线层02，形成多个纳米天线，并且暴露出新绝缘衬底层00”表面；其中，纳米天线层02中的每个纳米天线的一端与金属接触线04顶部接触；

本实施例中，在步骤05之后且在步骤06之前，还包括：请参阅图20，去除牺牲层材料X，使纳米天线层02和第一新绝缘衬底层00”之间形成空腔Q；

这里，去除牺牲层材料X之后，第二沟槽内的第二新绝缘衬底层保留，构成介质梁05，用于支撑纳米天线层02。

步骤06：请参阅图21和图22～24，在纳米天线之间形成介质，并在纳米天线表面覆盖覆盖层03。

具体的，针对图2所示的天线薄膜，采用的介质为空气，则本步骤06可以采用如下方式实现：请参阅图21，在真空中，可以但不限于机械转移工艺将覆盖层03沉积于纳米天线层02表面，从而使得覆盖层03下方的相邻纳米天线之间构成真空介质。需要说明的是，由于本实施例的纳米天线之间的间距非常微小，一般小于10nm，采用的覆盖层03为氧化石墨烯薄膜，可以直接将制备好的氧化石墨烯薄膜覆盖于纳米天线层02上，而考虑到结合度，可以对纳米天线层和氧化石墨烯薄膜界面施加热量，使二者界面键合，实现牢固连接。

此外，针对图3所示的天线薄膜，采用的介质为低损耗高频介质或其它低损耗介质，本步骤06还可以采用如下方式实现：

首先，请参阅图22，在纳米天线层02和暴露的新绝缘衬底层00”表面沉积介质层06；介质层06将纳米天线之间隔开；这里，可以但不限于采用气相沉积工艺或原子层沉积工艺来沉积介质层06。需要注意的是，介质层06的顶部可以高于纳米天线层02的顶部。

然后，请参阅图23，去除位于纳米天线层02表面的介质层06，保留位于纳米天线之间的介质层06；这里，可以但不限于采用光刻胶为掩膜再采用等离子体干法刻蚀工艺刻蚀去除位于纳米天线层02表面的介质层06。接着，请参阅图23，在介质层06表面和纳米天线层表面形成覆盖层；最后，对覆盖层进行加压处理，使覆盖层与介质层紧密吸附。这里，需要注意的是，刻蚀后的介质层06的顶部仍可以高于纳米天线层02的顶部，这样可以减小纳米天线层之间的串扰，本实施例中最终制备的天线薄膜中的介质层06的顶部高于纳米天线层02的顶部。

最后，请参阅图24，在介质层06上覆盖一层覆盖层03，覆盖层03将空腔Q顶部封住，即形成封闭空腔。

虽然本实用新型已以较佳实施例揭示如上，然所述实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本实用新型，本领域的技术人员在不脱离本实用新型精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本实用新型所主张的保护范围应以权利要求书所述为准。