基于TaN薄膜的研究.pdf

1、衛(wèi)星、雷達等微波通信系統(tǒng)中，微波負載等元器件的高頻化、小型化和集成化一直都是國內(nèi)外研究的熱點方向；TaN薄膜因其優(yōu)秀的物理化學特性而成為下一代射頻及微波頻域阻抗和負載的佼佼者；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，從而實現(xiàn)微波元器件的薄膜化、集成化。基于以上背景，本論文研究了在鎳鋅鐵氧體基片上，TaN薄膜以及基于TaN薄膜的微波負載和集成微帶隔離器的理論設計和制備工藝。探究了實驗工藝參數(shù)對TaN薄膜多方面性能的影響；理

2、論設計與軟件仿真了微波集成組件，實際制備了能工作于高頻段的TaN薄膜微波負載；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薄膜微波負載的功率性能；仿真設計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磁控濺射工藝制備性能可靠優(yōu)良的TaN薄膜。主要探究了濺射氣壓、濺射時間、N2分壓、靶基距離、濺射功率等工藝因素對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)指標的影響。經(jīng)過大量且系統(tǒng)的實驗，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，當濺射Ar流量為50sccm，N2流量為3sccm，濺射時間1200s，靶基距離7cm，濺射功率50W，所得的薄膜方阻為46-52Ω/□，TCR絕對值為48-62ppm/℃，厚度在293nm到315nm之間。
　　其次，在20-40GHz頻率范圍內(nèi)，設計了尺

4、寸為2mm×2mm×0.5mm的TaN薄膜微波負載模型，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薄膜微波負載，經(jīng)測試，薄膜微波負載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)特性差以及導熱系數(shù)低的影響，功率密度往往達不到實際應用的要求，實驗利用中頻磁控濺射，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薄膜微波負載的功率性能，經(jīng)測試可以達到3.76W/mm2。
　　最后，在微帶環(huán)行器場理論和Y結(jié)環(huán)行器設計理論基礎上，利用HFSS軟件設計并仿真了微帶環(huán)行器和端接微波負載的微帶集成隔離器，制作并測

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；基于理論設計和模擬結(jié)果指導，采用多次光刻和多層薄膜制備等工藝，成功制作出薄膜負載與隔離器組件，測試結(jié)果表明制作的隔離器參數(shù)為：S11<-10.5dB，S12>-3dB，S21<-10dB，接近理