基于TaN薄膜的研究.pdf

1、衛(wèi)星、雷達(dá)等微波通信系統(tǒng)中，微波負(fù)載等元器件的高頻化、小型化和集成化一直都是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)方向；TaN薄膜因其優(yōu)秀的物理化學(xué)特性而成為下一代射頻及微波頻域阻抗和負(fù)載的佼佼者；越來越多的研究者不斷嘗試把光刻工藝和薄膜沉積技術(shù)相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)微波元器件的薄膜化、集成化?；谝陨媳尘?，本論文研究了在鎳鋅鐵氧體基片上，TaN薄膜以及基于TaN薄膜的微波負(fù)載和集成微帶隔離器的理論設(shè)計(jì)和制備工藝。探究了實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)對(duì)TaN薄膜多方面性能的影響；理

2、論設(shè)計(jì)與軟件仿真了微波集成組件，實(shí)際制備了能工作于高頻段的TaN薄膜微波負(fù)載；并首次引入AlN薄膜緩沖層改善基片的表面特性和散熱性能，從而有效的提高了TaN薄膜微波負(fù)載的功率性能；仿真設(shè)計(jì)并制備了微帶集成隔離器，具體如下：
　　首先，在鎳鋅鐵氧體基片上利用直流反應(yīng)磁控濺射工藝制備性能可靠?jī)?yōu)良的TaN薄膜。主要探究了濺射氣壓、濺射時(shí)間、N2分壓、靶基距離、濺射功率等工藝因素對(duì)TaN薄膜微觀相結(jié)構(gòu)、方塊電阻、電阻溫度系數(shù)（TCR）等主

3、要性能參數(shù)指標(biāo)的影響。經(jīng)過大量且系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)，總結(jié)規(guī)律并制定出了合適的工藝參數(shù)：在3.42×10-5-5.65×10-5Pa的背底真空度下，濺射氣壓在0.61-0.65Pa之間，當(dāng)濺射Ar流量為50sccm，N2流量為3sccm，濺射時(shí)間1200s，靶基距離7cm，濺射功率50W，所得的薄膜方阻為46-52Ω/□，TCR絕對(duì)值為48-62ppm/℃，厚度在293nm到315nm之間。
　　其次，在20-40GHz頻率范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)了尺

4、寸為2mm×2mm×0.5mm的TaN薄膜微波負(fù)載模型，通過HFSS軟件仿真并優(yōu)化，得到在頻率范圍內(nèi)電壓駐波比VSWR小于1.3，回波損耗S11低于-20dB，Z實(shí)部在41-54Ω之間。結(jié)合直流磁控濺射鍍膜與光刻等工藝，制備得到TaN薄膜微波負(fù)載，經(jīng)測(cè)試，薄膜微波負(fù)載VSWR小于1.5，回波損耗S11小于-13dB，阻抗變化在40-70Ω，功率密度為0.91W/mm2。
　　再者，由于鎳鋅鐵氧體基片上制作的TaN薄膜電阻器,受到鐵

5、氧體表面及內(nèi)部結(jié)構(gòu)特性差以及導(dǎo)熱系數(shù)低的影響，功率密度往往達(dá)不到實(shí)際應(yīng)用的要求，實(shí)驗(yàn)利用中頻磁控濺射，在鐵氧體基片與TaN薄膜電阻器之間鍍上一層1.5μm厚的AlN薄膜緩沖層，有效的改善了基片表面平整度及散熱能力，從而較為顯著的提高了TaN薄膜微波負(fù)載的功率性能，經(jīng)測(cè)試可以達(dá)到3.76W/mm2。
　　最后，在微帶環(huán)行器場(chǎng)理論和Y結(jié)環(huán)行器設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)上，利用HFSS軟件設(shè)計(jì)并仿真了微帶環(huán)行器和端接微波負(fù)載的微帶集成隔離器，制作并測(cè)

6、試了隔離器性能。在20-30GHz的仿真頻率范圍內(nèi)，環(huán)行器回波損耗S11<-15dB，插入損耗S12在-1dB左右，隔離度 S21<-14dB；在10-14GHz仿真頻率范圍內(nèi)，隔離器S11<-14dB，S12在-1dB左右，S21<-15dB；基于理論設(shè)計(jì)和模擬結(jié)果指導(dǎo)，采用多次光刻和多層薄膜制備等工藝，成功制作出薄膜負(fù)載與隔離器組件，測(cè)試結(jié)果表明制作的隔離器參數(shù)為：S11<-10.5dB，S12>-3dB，S21<-10dB，接近理