微波器件薄膜化的主要技術難點的分析

2012-05-30 來源:微波射頻網 我要評論(0) 字號:

     微波器件的薄膜化過程中會遇到很多的技術難點,本文以環形器薄膜化過程中遇到的技術難點為例來分析微波器件薄膜化過程中所遇到的共性與個性的技術難點。

     工作在微波波段(300~300000兆 赫)的器件。

     它的電子產品都在向的小型化,集成化方向發展,元器件尺寸和重量已成為電子系統設計考慮的主要因素,微波器件薄膜化對電子產品小型化集成化意義重大,隨著單片微波集成電路(MMIC)技術和混合微波集成電路(HMIC)技術的發展,薄膜化微波集成電路較好地滿足了電子裝備在體積和重量方面的需求。

     薄膜區別于塊材的性質主要有以下方面:

    1、薄膜材料的厚度很薄,很容易產生尺寸效應 。
    2、表面效應很顯著。
    3、薄膜材料包含大量的表面晶粒間界和缺陷態,影響電子運輸。
    4、薄膜與基片之間還會存在一定的相互作用,會影響薄膜與基片之間的粘附性以及內應力。

     環行器是一個多端口的無源器件,它的特性是使輸入信號依次環行傳輸,如圖1當輸入信號由1端輸入時,通過環行器將由2端輸出,不會傳至3端。

       環形器薄膜化過程中遇到的技術難點是:制備高質量薄膜和減小外加磁場。鐵氧體薄膜制備難。薄膜材料容易對環形器引入插入損耗,如何制備高質量的薄膜是當前薄膜化環形器急需解決的難點之一 。

      常用薄膜制備主要方法有:磁控濺射,液相外延法,脈沖激光沉積(PLD,化學氣相沉積法。薄膜質量要求有要厚度均勻,缺陷少,表面粗糙度小,合適的磁性能。

     影響薄膜質量的主要因素有:

    1、基片與薄膜晶格常數的匹配度,熱膨脹系數的差異度:基片與薄膜的晶格常數不同而產生的張應力,熱膨脹系數不同產生的壓應力會導致薄膜沉淀時裂紋的產生。

    2、基片溫度:基片加熱有利于顆粒在膜上加速遷移,基片溫度過低,顆粒在薄膜上遷移速率過低會導致顆粒聚集而導致薄膜粗糙,不均勻。而溫度過高,離子遷移率過高,會導致離子比例不均勻。

  3、氧壓:鐵氧體薄膜都是氧化物復合薄膜,所以在沉積環境的氧氣壓強就對薄膜質量有重要影響,例如,用脈沖激光沉積(PLD)制備YIG薄膜時,薄膜中容易因缺氧而會產生氧空位,從而影響薄膜的性能 。

   4、退火溫度:退火對于在基片表面獲得多晶薄膜的是必須的前提條件。

    為何要減小外加磁場:

     傳統的環形器由外加永磁體以及塊狀材料制備,這不適合于集成電路技術,因此需要減小薄膜環形器的外加磁場,最好是制成自偏轉環形器,當前主要是通過合適的材料選擇來達到這點。
 
    它的選材要求:
  
    1、大的磁晶各向異性場的材料——可以減小對外界磁場的要求,主要使用六角晶系鐵氧體,電子科大研究人員已經用BaFe12O19沉淀在氧化鋁基片上制得了自偏轉薄膜環形器,但由于插入損耗過大而不具備實用價值。

  2、YIG材料是當前另一種研究較多的材料,其共振線寬小,介電損耗小,但由于其飽和磁化強度小,無法用于制備自偏轉環形器 。

  3、從調研看,當前所選用的材料雖然已經取得了一定的成果,但是還不能滿足要求,因此在系的材料應用方面還需要深入研究。 

   總結:

      對于任何薄膜器件,制備出高質量的薄膜都是其薄膜化的基礎,當前薄膜制備手段已經非常成熟,但對不同材料,不同基片在薄膜制備過程中由于其獨特的特性,需要不同的制備參數,需要經過大量實驗研究來探索,這是每一種薄膜器件在薄膜化過程中都需要攻克的技術難點。

      對于環形器來講,去除其對外加固有磁場的需求是其薄膜化過程中其獨有的一個技術難點,而對于其他微波器件由于其所具有的獨特性質,在薄膜化過程中也會遇到其特有的難點需要攻克。

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主題閱讀: 微波器件

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