CN106953155A - 一种固态等离子可重构偶极子天线的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种固态等离子可重构偶极子天线的制备方法，其中，所述可重构偶极子天线包括：半导体基片、固态等离子pin二极管天线臂、同轴馈线以及直流偏置线；所述天线制备方法包括：选取SOI衬底，形成台面的有源区；有源区四周平坦化处理并分别淀积p型和n型硅形成P区和N区；在所述SOI衬底上形成引线，形成依次首尾相连的固态等离子pin二极管串；所述固态等离子pin二极管串组成所述固态等离子pin二极管天线臂；制作所述直流偏置线和同轴馈线；以形成所述可重构偶极子天线，本发明制备的可重构偶极子天线等离子天线臂长度可调，从而实现天线工作频率的可重构，具有易集成、可隐身、频率可快速跳变的特点。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种固态等离子可重构偶极子天线的制备方法。
背景技术
等离子体天线是一种将等离子体作为电磁辐射导向媒质的射频天线。等离子体天线的可利用改变等离子体密度来改变天线的瞬时带宽、且具有大的动态范围；还可以通过改变等离子体谐振、阻抗以及密度等，调整天线的频率、波束宽度、功率、增益和方向性动态参数；另外，等离子体天线在没有激发的状态下，雷达散射截面可以忽略不计，而天线仅在通信发送或接收的短时间内激发，提高了天线的隐蔽性，这些性质可广泛的应用于各种侦察、预警和对抗雷达，星载、机载和导弹天线，微波成像天线，高信噪比的微波通信天线等领域，极大地引起了国内外研究人员的关注，成为了天线研究领域的热点。
但是当前绝大多数的研究只限于气态等离子体天线，对固态等离子体天线的研究几乎还是空白。而固态等离子体一般存在于半导体器件中，无需像气态等离子那样用介质管包裹，具有更好的安全性和稳定性。经理论研究发现，固态等离子pin二极管在加直流偏压时，直流电流会在其表面形成自由载流子(电子和空穴)组成的固态等离子体，该等离子体具有类金属特性，即对电磁波具有反射作用，其反射特性与表面等离子体的微波传输特性、浓度及分布密切相关。
因此，如何制作一种固态等离子pin二极管来应用于固态等离子天线就变得尤为重要。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种固态等离子可重构偶极子天线的制备方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明的实施例提供了一种固态等离子可重构偶极子天线的制备方法，包括，在半导体基片上制作固态等离子pin二极管，利用固态等离子pin二极管构成偶极子天线，其中，可重构偶极子天线包括半导体基片，固态等离子 pin二极管天线臂，同轴馈线和直流偏置线，所述偶极子天线的制备方法包括：
选取半导体基片SOI衬底，刻蚀SOI衬底形成台面的有源区；
有源区四周平坦化处理并利用原位掺杂分别淀积p型和n型硅形成P 区和N区；
在所述SOI衬底上形成引线，形成所述固态等离子pin二极管；
所述固态等离子pin二极管依次首尾相连构成固态等离子pin二极管串；
由三段所述固态等离子pin二极管串组成所述固态等离子pin二极管天线臂；
制作所述直流偏置线和同轴馈线；以形成所述可重构偶极子天线。
在本发明提供的一个实施例中，刻蚀SOI衬底形成台面的有源区，包括：
在所述SOI衬底表面利用CVD淀积一层氮化硅；
利用光刻工艺在所述氮化硅层上形成台面有源区图形；
利用干法刻蚀工艺在所述有源区图形的指定位置处刻蚀所述保护层及顶层硅从而形成台面有源区。
在本发明提供的一个实施例中，有源区四周平坦化处理并利用原位掺杂分别淀积p型和n型硅形成P区和N区；包括：
台面的有源区四周平坦化处理；
利用原位掺杂淀积p型硅形成P区；利用原位掺杂淀积n型硅形成N 区；
在上述实施例的基础上，台面的有源区四周平坦化处理，包括：
氧化所述台面有源区的四周侧壁以使所述台面有源区的四周侧壁形成氧化层；
利用湿法刻蚀工艺刻蚀所述台面有源区的四周侧壁氧化层以完成所述台面有源区的四周侧壁平坦化。
在上述实施例的基础上，利用原位掺杂淀积p型硅形成P区；利用原位掺杂淀积n型硅形成N区，包括：
利用CVD在所述衬底表面淀积一层SiO2；利用光刻工艺在所述SiO2 层上形成P区图形；利用湿法刻蚀工艺去除P区上的SiO2层；利用原位掺杂淀积p型硅形成P区；先利用干法刻蚀工艺使P区表面平整化，再利用湿法刻蚀工艺去除衬底表面的SiO2层；
利用CVD在所述衬底表面淀积一层SiO2；利用光刻工艺在所述SiO2 层上形成N区图形；利用湿法刻蚀工艺去除N区上的SiO2层；利用原位掺杂淀积n型硅形成N区；先利用干法刻蚀工艺使N区表面平整化，再利用湿法刻蚀工艺去除衬底表面的SiO2层。
在本发明提供的一个实施例中，在所述SOI衬底上形成引线，形成所述固态等离子pin二极管，包括：
在所述SOI衬底上生成二氧化硅；利用退火工艺激活所述P区和N区中的杂质；
在P区和N区光刻引线孔以形成引线；钝化处理并光刻PAD以形成所述固态等离子pin二极管。
在本发明提供的一个实施例中，所述固态等离子pin二极管天线臂包括第一固态等离子pin二极管天线臂和第二固态等离子pin二极管天线臂，每一个固态等离子pin二极管天线臂长度为波长的四分之一。
在本发明提供的一个实施例中，所述直流偏置线采用半导体工艺制作于半导体基片，用于对所述固态等离子pin二极管串施加直流偏置，所述每一个固态等离子pin二极管串都有直流偏置线外接电压正极。
在本发明提供的一个实施例中，所述同轴馈线采用低损耗同轴线缆，同轴馈线的内芯线和外导体(屏蔽层)分别焊接于固态等离子pin二极管天线臂的金属触片上且两处焊接点分别接有直流偏置线作为公共负极。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明制备的固态等离子可重构偶极子天线，体积小、剖面低，结构简单、易于加工、无复杂馈源结构、频率可快速跳变，且天线关闭时将处于电磁波隐身状态，可用于各种跳频电台或设备；由于其所有组成部分均在半导体基片一侧，为平面结构，易于组阵，可用作相控阵天线的基本组成单元。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种固态等离子可重构偶极子天线的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种固态等离子可重构偶极子天线的制备方法示意图；
图3a-图3s为本发明实施例的一种固态等离子pin二极管的制备方法示意图
图4为本发明实施例提供的一种固态等离子pin二极管结构示意图；
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种固态等离子可重构偶极子天线结构示意图，其中，所述可重构偶极子天线包括：半导体基片、第一固态等离子pin二极管天线臂、第二固态等离子pin二极管天线臂、同轴馈线以及直流偏置线；请参见图2，图2为异质SiGe基固态等离子pin二极管的可重构偶极子天线的制备方法示意图，所述制备方法包括：
选取半导体基片SOI衬底，刻蚀SOI衬底形成台面的有源区；
有源区四周平坦化处理并利用原位掺杂分别淀积p型和n型硅形成P 区和N区；
在所述SOI衬底上形成引线，形成所述固态等离子pin二极管；
所述固态等离子pin二极管依次首尾相连构成固态等离子pin二极管串；
由三段所述固态等离子pin二极管串组成所述固态等离子pin二极管天线臂；
制作所述直流偏置线和同轴馈线；以形成所述可重构偶极子天线。
其中，采用SOI衬底的原因在于，对于固态等离子天线由于其需要良好的微波特性，而固态等离子pin二极管为了满足这个需求，需要具备良好的载流子即固态等离子体的限定能力，而二氧化硅(SiO2)能够将载流子即固态等离子体限定在顶层硅中，所以优选采用SOI作为固态等离子pin二极管的衬底。
在本发明提供的一个实施例中，刻蚀SOI衬底形成台面的有源区，包括：
在所述SOI衬底表面利用CVD淀积一层氮化硅；
利用光刻工艺在所述氮化硅层上形成台面有源区图形；
利用干法刻蚀工艺在所述有源区图形的指定位置处刻蚀所述保护层及顶层硅从而形成台面有源区。
在本发明提供的一个实施例中，有源区四周平坦化处理并利用原位掺杂分别淀积p型和n型硅形成P区和N区；包括：
台面的有源区四周平坦化处理；
利用原位掺杂淀积p型硅形成P区；利用原位掺杂淀积n型硅形成N 区；
在上述实施例的基础上，台面的有源区四周平坦化处理，包括：
氧化所述台面有源区的四周侧壁以使所述台面有源区的四周侧壁形成氧化层；
利用湿法刻蚀工艺刻蚀所述台面有源区的四周侧壁氧化层以完成所述台面有源区的四周侧壁平坦化。
这样做的好处在于：可以防止沟槽侧壁的突起形成电场集中区域，造成Pi和Ni结击穿。
在上述实施例的基础上，利用原位掺杂淀积p型硅形成P区；利用原位掺杂淀积n型硅形成N区，包括：
利用CVD在所述衬底表面淀积一层SiO2；利用光刻工艺在所述SiO2 层上形成P区图形；利用湿法刻蚀工艺去除P区上的SiO2层；利用原位掺杂淀积p型硅形成P区；先利用干法刻蚀工艺使P区表面平整化，再利用湿法刻蚀工艺去除衬底表面的SiO2层；
利用CVD在所述衬底表面淀积一层SiO2；利用光刻工艺在所述SiO2 层上形成N区图形；利用湿法刻蚀工艺去除N区上的SiO2层；利用原位掺杂淀积n型硅形成N区；先利用干法刻蚀工艺使N区表面平整化，再利用湿法刻蚀工艺去除衬底表面的SiO2层。
需要说明的是：常规制作固态等离子pin二极管的P区与N区的制备工艺中，均采用注入工艺形成，此方法要求注入剂量和能量较大，对设备要求高，且与现有工艺不兼容；而采用扩散工艺，虽结深较深，但同时P区与N区的面积较大，集成度低，掺杂浓度不均匀，影响固态等离子pin二极管的电学性能，导致固态等离子体浓度和分布的可控性差。
采用原位掺杂能够避免离子注入等方式带来的不利影响，且能够通过控制气体流量来控制材料的掺杂浓度，更有利于获得陡峭的掺杂界面，从而获得更好的器件性能。
在本发明提供的一个实施例中，在所述SOI衬底上形成引线，形成所述固态等离子pin二极管，包括：
在所述SOI衬底上生成二氧化硅；利用退火工艺激活所述P区和N区中的杂质；
在P区和N区光刻引线孔以形成引线；钝化处理并光刻PAD以形成所述固态等离子pin二极管。
在本发明提供的一个实施例中，所述固态等离子pin二极管天线臂包括第一固态等离子pin二极管天线臂和第二固态等离子pin二极管天线臂，每一个固态等离子pin二极管天线臂长度为波长的四分之一。
在本发明提供的一个实施例中，所述直流偏置线采用半导体工艺制作于半导体基片，用于对所述固态等离子pin二极管串施加直流偏置，所述每一个固态等离子pin二极管串都有直流偏置线外接电压正极。
在本发明提供的一个实施例中，所述同轴馈线采用低损耗同轴线缆，同轴馈线的内芯线和外导体(屏蔽层)分别焊接于固态等离子pin二极管天线臂的金属触片上且两处焊接点分别接有直流偏置线作为公共负极。
本发明实施例利用原位掺杂工艺能够制备固态等离子pin二极管，并制备形成高性能可重构偶极子天线，其具备如下优点：
1、体积小、剖面低，结构简单、易于加工。
2、采用同轴电缆作为馈源，无复杂馈源结构。
3、采用SPiN二极管作为天线的基本组成单元，只需通过控制其导通或断开，即可实现频率的可重构。
4、所有组成部分均在半导体基片一侧，易于制版加工。
实施例二
请参见图1，图1为本发明提供的一种固态等离子可重构偶极子天线结构示意图。如图1所示，该天线包括：SOI半导体基片1；
固定在SOI半导体基片1上的第一天线臂2、第二天线臂3和同轴馈线 4；优选的，同轴馈线采用低损耗同轴线缆。
第一天线臂2和第二天线臂3分别设置于同轴馈线4的两侧且包括多个固态等离子pin二极管串，在天线处于工作状态时，第一天线臂2和第二天线臂3根据多个固态等离子pin二极管串的导通与关断实现天线臂长度的调节。
本发明的实施例实现了该天线的频率可重构且构造无复杂馈源结构，结构简单，易于加工。
进一步的，请参见图1，第一天线臂2包括依次串接的第一固态等离子 pin二极管串w1、第二固态等离子pin二极管串w2及第三固态等离子pin 二极管串w3，第二天线臂3包括依次串接的第四固态等离子pin二极管串 w4、第五固态等离子pin二极管串w5及第六固态等离子pin二极管串w6；
其中，第一固态等离子pin二极管串w1的长度等于第六固态等离子pin 二极管串w6的长度，第二固态等离子pin二极管串w2的长度等于第五固态等离子pin二极管串w5的长度，第三固态等离子pin二极管串w3的长度等于第四固态等离子pin二极管串w4的长度。
进一步的，请参见图1，该天线还包括第一直流偏置线5、第二直流偏置线6、第三直流偏置线7、第四直流偏置线8、第五直流偏置线9、第六直流偏置线10、第七直流偏置线11、第八直流偏置线12，其中，
第一直流偏置线5设置于二极管串w3的一端，第二直流偏置线6设置于二极管串w4的一端，第三直流偏置线7设置于二极管串w1的一端，第八直流偏置线12设置于二极管串w6的一端；
第五直流偏置线9设置于二极管串w3和二极管串w2串接形成的节点处，第六直流偏置线10设置于二极管串w4和二极管串w5串接形成的节点处，第四直流偏置线8设置于二极管串w1和二极管串w2串接形成的节点处，第七直流偏置线11设置于二极管串w5和二极管串w6串接形成的节点处。
优选的，第一直流偏置线5、第二直流偏置线6、第三直流偏置线7、第四直流偏置线8、第五直流偏置线9、第六直流偏置线10、第七直流偏置线11及第八直流偏置线12采用化学气相淀积的方法固定于SOI半导体基片1上，其材料为铜、铝或经过掺杂的多晶硅中的任意一种。
进一步的，请参见图1，同轴馈线4的内芯线焊接于第一天线臂2的金属片，第一天线臂2的金属片与直流偏置线5相连；同轴馈线4的屏蔽层焊接于第二天线臂3的金属片，第二天线臂3的金属片与第二直流偏置线6 相连；第一直流偏置线5、第二直流偏置线6均与直流偏置电压的负极相连，以形成公共负极。
进一步的，请参见图3a-图3r，图3a-图3r为本发明实施例的一种固态等离子pin二极管的制备方法示意图，在上述实施例一的基础上，以制备固态等离子区域长度为100微米的基于台状有源区的固态等离子pin二极管为例进行详细说明，具体步骤如下：
S10、选取SOI衬底。
请参见图3a，该SOI衬底101的晶向为(100)，另外，该SOI衬底101 的掺杂类型为p型，掺杂浓度为1014cm-3的，顶层Si的厚度例如为20μm。
S20、在所述SOI衬底表面淀积一层氮化硅。
请参见图3b，采用化学气相沉积(Chemical vapor deposition，简称CVD) 的方法，在SOI衬底101上淀积氮化硅层201。
S30、刻蚀SOI衬底形成有源区沟槽。
请参见图3c-1，利用光刻工艺在所述氮化硅层上形成台面有源区图形，利用干法刻蚀工艺在所述有源区图形的指定位置处刻蚀所述保护层及顶层硅从而形成台面有源区301，俯视图请参见图3c-2。
S40、台面的有源区四周平坦化处理。
请参见图3d-1，氧化所述台面有源区的四周侧壁以使所述台面有源区的四周侧壁形成氧化层401，俯视图请参见图3d-2；
请参见图3e-1，利用湿法刻蚀工艺刻蚀所述台面有源区的四周侧壁氧化层以完成所述台面有源区的四周侧壁平坦化，俯视图请参见图3e-2。
S50、在所述衬底表面淀积一层SiO2。
请参见图3f，利用CVD方法在所述衬底上淀积一层二氧化硅601。
S60、光刻所述SiO2层。
请参见图3g，利用光刻工艺在所述SiO2层上形成P区图形，利用湿法刻蚀工艺去除P区图形上的SiO2层。
S70、形成P区。
请参见图3h，具体做法可以是：利用原位掺杂的方法，在所述SOI衬底表面的P区图形上淀积p型硅形成P区801，通过控制气体流量来控制P 区的掺杂浓度。
S80、平整化衬底表面。
请参见图3i，具体做法可以是：先利用干法刻蚀工艺使P区表面平整化，再利用湿法刻蚀工艺去除衬底表面的SiO2层。
S90、在所述衬底表面淀积一层SiO2。
请参见图3j，具体做法可以是：利用CVD方法在所述衬底表面淀积二氧化硅层1001。
S100、光刻所述SiO2层。
请参见图3k，利用光刻工艺在所述SiO2层上形成N区图形；利用湿法刻蚀工艺去除N区上的SiO2层。
S110、形成N区。
请参见图3l，利用原位掺杂的方法，在所述SOI衬底表面的N区图形上淀积n型硅形成N区1201，通过控制气体流量来控制N区的掺杂浓度。
S120、平整化衬底表面。
请参见图3m，先利用干法刻蚀工艺使N区表面平整化，再利用湿法刻蚀工艺去除衬底表面的SiO2层。
S130、淀积多晶硅层。
请参见图3n，可以利用CVD的方法，在沟槽里溅射金属层1401。
S140、在表面形成二氧化硅(SiO2)层。
请参照图3o，可以利用CVD的方法，在表面淀积二氧化硅(SiO2)层1501，厚度为500nm。
S150、平整表面。
请参照图3p，可以采用CMP方法去除表面二氧化硅与氮化硅(SiN)层，使表面平整。
S160、杂质激活。
在950-1150℃，退火0.5～2分钟，使离子注入的杂质激活、并且推进有源区中杂质。
S170、光刻引线孔。
请参照图3q，在二氧化硅(SiO2)层上光刻引线孔1701。
S180、形成引线。
请参照图3r，可以在衬底表面溅射金属，合金化形成金属硅化物，并刻蚀掉表面的金属；再在衬底表面溅射金属1801，光刻引线。
S190、钝化处理，光刻PAD。
请参照图3s，可以通过淀积氮化硅(SiN)形成钝化层1901，光刻PAD。最终形成固态等离子pin二极管，作为制备固态等离子天线材料。
实施例三
请参照图4，图4为本发明实施例的固态等离子pin二极管的器件结构示意图。该固态等离子pin二极管采用上述如图1所示的制备方法制成。具体地，该固态等离子pin二极管在SOI衬底301上制备形成，且pin二极管的P区303、N区304以及横向位于该P区303和该N区304之间的I区均位于该SOI衬底的顶层硅302内。
综上所述，本文中应用了具体个例对本发明固态等离子pin二极管及其制备方法的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制，本发明的保护范围应以所附的权利要求为准。
Claims (9)
1.一种固态等离子可重构偶极子天线的制备方法，其特征在于，在半导体基片上制作固态等离子pin二极管，利用固态等离子pin二极管构成偶极子天线，其中，可重构偶极子天线包括半导体基片，固态等离子pin二极管天线臂，同轴馈线和直流偏置线，所述偶极子天线的制备方法包括：
选取半导体基片SOI衬底，刻蚀SOI衬底形成台面的有源区；
有源区四周平坦化处理并利用原位掺杂分别淀积p型和n型硅形成P区和N区；
在所述SOI衬底上形成引线，形成所述固态等离子pin二极管；
所述固态等离子pin二极管依次首尾相连构成固态等离子pin二极管串；
由三段所述固态等离子pin二极管串组成所述固态等离子pin二极管天线臂；
制作所述直流偏置线和同轴馈线；以形成所述可重构偶极子天线。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，刻蚀SOI衬底形成台面的有源区，包括：
在所述SOI衬底表面利用CVD淀积一层氮化硅；
利用光刻工艺在所述氮化硅层上形成台面有源区图形；
利用干法刻蚀工艺在所述有源区图形的指定位置处刻蚀所述保护层及顶层硅从而形成台面有源区。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，有源区四周平坦化处理并利用原位掺杂分别淀积p型和n型硅形成P区和N区；包括：
台面的有源区四周平坦化处理；
利用原位掺杂淀积p型硅形成P区；利用原位掺杂淀积n型硅形成N区。
4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，台面的有源区四周平坦化处理，包括：
氧化所述台面有源区的四周侧壁以使所述台面有源区的四周侧壁形成氧化层；
利用湿法刻蚀工艺刻蚀所述台面有源区的四周侧壁氧化层以完成所述台面有源区的四周侧壁平坦化。
5.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，利用原位掺杂淀积p型硅形成P区；利用原位掺杂淀积n型硅形成N区，包括：
利用CVD在所述衬底表面淀积一层SiO2；利用光刻工艺在所述SiO2层上形成P区图形；利用湿法刻蚀工艺去除P区上的SiO2层；利用原位掺杂淀积p型硅形成P区；先利用干法刻蚀工艺使P区表面平整化，再利用湿法刻蚀工艺去除衬底表面的SiO2层；
利用CVD在所述衬底表面淀积一层SiO2；利用光刻工艺在所述SiO2层上形成N区图形；利用湿法刻蚀工艺去除N区上的SiO2层；利用原位掺杂淀积n型硅形成N区；先利用干法刻蚀工艺使N区表面平整化，再利用湿法刻蚀工艺去除衬底表面的SiO2层。
6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述SOI衬底上形成引线，形成所述固态等离子pin二极管，包括：
在所述SOI衬底上生成二氧化硅；利用退火工艺激活所述P区和N区中的杂质；
在P区和N区光刻引线孔以形成引线；钝化处理并光刻PAD以形成所述固态等离子pin二极管。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述固态等离子pin 二极管天线臂包括第一固态等离子pin二极管天线臂和第二固态等离子pin二极管天线臂，每一个固态等离子pin二极管天线臂长度为波长的四分之一。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述直流偏置线采用半导体工艺制作于半导体基片，用于对所述固态等离子pin二极管串施加直流偏置，所述每一个固态等离子pin二极管串都有直流偏置线外接电压正极。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述同轴馈线采用低损耗同轴线缆，同轴馈线的内芯线和外导体(屏蔽层)分别焊接于固态等离子pin二极管天线臂的金属触片上且两处焊接点分别接有直流偏置线作为公共负极。
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