CN109980357A - 基于bst薄膜的热调谐频率选择表面及其加工工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于BST薄膜的热调谐频率选择表面及其加工工艺，其中频率选择表面包括从下到上依次紧密接触设置的基底层、中间介质层和频率选择表面金属层，所述频率选择表面金属层包括设置于两侧的电极以及设置在两个电极之间的多个FSS结构单元，在两个所述电极之间还连接有微米级的电加热单元，所述的多个FSS结构单元等间隔排列于所述电加热单元内，形成周期性阵列。其显著效果是：依据热调谐的机理，通过引入微米级别的电加热丝实现对BST薄膜温度的控制，并通过改变电流大小间接地控制了BST薄膜的介电常数，从而使其透射频率发生改变，实现了太赫兹频段的介电可调谐。

Description

基于BST薄膜的热调谐频率选择表面及其加工工艺

技术领域

本发明涉及到空间滤波技术领域，具体地说，是一种基于BST薄膜的热调谐频率选择表面及其加工工艺。

背景技术

频率选择表面(Frequency Selective Surface,FSS)是由周期性排布的金属贴片单元或金属屏上周期性排列的开孔单元构成的一种二维周期阵列结构，它能使电磁波在谐振频率处发生全反射或全透射，因此是一种对电磁波频率有选择作用的空间滤波器。利用FSS的这一特性，可以将其应用于飞行器RCS缩减、副反射面天线、微波通信及电磁屏蔽等多个领域。

FSS作为空间滤波器在微波领域具有广泛的应用。如采用FSS技术制备混合雷达罩，可降低飞行兵器制导天线的带外雷达散射截面，从而增强其突防能力；利用FSS滤波特性制备卡赛格伦天线的二色性副反射面，实现两个不同频率的馈源共用同一个反射面，节省了系统空间；利用FSS制备电磁屏蔽室，可实现特定频段的电磁波传输，而屏蔽其他频段的干扰信号。

但是当上述产品制备完成后，利用FSS实现的带通滤波特性便无法改变。对于混合雷达罩，因其单通带特性而无法使用变频雷达，如果敌方探测雷达与己方制导雷达频段相同时，由于不能屏蔽该频段电磁波而失去隐身功能；当卡赛格伦系统的馈源频率改变时，二色性副反射面无法根据馈源频率的变化进行动态调节；而传统的屏蔽室也不能根据实际需要选择不同的通带范围。这些局限性使得FSS作为空间滤波器在应用中难以满足实际需求。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于BST薄膜的热调谐频率选择表面及其加工工艺，通过引入微米级别的电加热丝实现对BST薄膜温度的控制，并通过改变电流大小间接地控制BST薄膜的介电常数，实现太赫兹频段的介电可调谐。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于BST薄膜的热调谐频率选择表面，其关键在于：包括从下到上依次紧密接触设置的基底层、中间介质层和频率选择表面金属层，所述频率选择表面金属层包括设置于两侧的电极以及设置在两个电极之间的多个FSS结构单元，在两个所述电极之间还连接有微米级的电加热单元，所述的多个FSS结构单元等间隔排列于所述电加热单元内，形成周期性阵列。

进一步的，所述电加热单元为多根电加热丝，该电加热丝的两端分别与两个所述电极电性连接，且所述电加热丝设于相邻两行或两列的所述FSS结构单元之间。

进一步的，所述电加热单元为电加热网，该电加热网电性连接于两个所述电极之间，所述FSS结构单元阵列分布于所述电加热网的网格内。

进一步的，所述FSS结构单元为圆环单元、SSR环结构、十字型结构、方环结构、Y型结构或者开口谐振环结构。

进一步的，所述FSS结构单元包括第一金属条与第二金属条，所述第一金属条与第二金属条垂直连接形成十字形结构，在所述第一金属条的两端垂直连接有第三金属条，在所述第二金属条的两端垂直连接有第四金属条。

进一步的，所述第一金属条、第二金属条、第三金属条与第四金属条的宽度均一致，所述第一金属条与第二金属条的长度相等，所述第三金属条与第四金属条的长度相等。

更进一步的，所述第一金属条、第二金属条、第三金属条与第四金属条的宽度为4μm，所述第一金属条与第二金属条的长度为26μm，所述第三金属条与第四金属条的长度为15μm。

再进一步的，所述基底层为硅基板，厚度为1.0～1.5mm；所述中间介质层为钛酸锶钡薄膜，厚度为600～700nm；所述频率选择表面金属层的材料为金、银、铂或铜，厚度为400～600nm，周期为50μm。

本发明还提供了一种基于BST薄膜的热调谐频率选择表面的加工工艺，包括以下步骤：

步骤1：选取满足性能要求的硅基板制成基底层，并对其表面进行清洗；

步骤2：在真空环境下对所述基底层进行加热，采用磁控溅射镀膜工艺在基底层上表面溅射BST薄膜，形成中间介质层；

步骤3：溅射BST薄膜形成中间介质层一定时间后，取出并于650℃纯氧条件下进行退火处理；

步骤4：采用磁控溅射镀膜工艺在中间介质层表面上溅射形成频率选择表面金属层；

步骤5：在所述频率选择表面金属层上涂覆光刻胶，并将工件置于紫外曝光机中曝光，显影灰化后使用离子束刻蚀技术对频率选择表面金属层进行刻蚀加工，形成电极、FSS结构单元、微米级的电加热单元，其中所述电极位于两侧，多个FSS结构单元设置于两个电极之间，所述电加热单元连接于两个所述电极之间，所述的多个FSS结构单元等间隔排列于所述电加热单元内，形成周期性阵列；

步骤6：使用丙酮溶剂去除表面残留的光刻胶后，得到产品。

进一步的，步骤2中，所述中间介质层的加工步骤为：

步骤2-1：将所述基底层固定于基板上，并放入PC室中；

步骤2-2：采用分子泵对PC室进行粗抽真空，压力抽至1.5E-1mT时开启高分子泵，并对高分子泵进行抽真空，当高分子泵达到工作速度后，打开挡板使用高分子泵对PC室抽真空处理，当真空度达到6E-6mT后，设置基板加热速率和加热温度后开始加热基板；

步骤2-3：通入氩气，并给靶材加上初始电压，使靶材起辉，然后设置爬坡速率到达溅射工作电压，同时将氩气和氧气按照比例设置到工作压力，进行预溅射；

步骤2-4：在预溅射后，旋转基板，并打开挡板开始溅射形成所述中间介质层，同时使基板匀速转动保证薄膜表面各处成膜的均匀性。

本发明的显著效果是：依据热调谐的机理，通过引入微米级别的电加热丝实现对BST薄膜温度的控制，并通过改变电流大小间接地控制了BST薄膜的介电常数，从而使其透射频率发生改变，实现了太赫兹频段的介电可调谐。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是所述FSS结构单元的结构示意图；

图3是本发明测试时的时域信号图

图4是本发明测试时的频域信号图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式以及工作原理作进一步详细说明。

如图1与图2所示，一种基于BST薄膜的热调谐频率选择表面，包括从下到上依次紧密接触设置的基底层1、中间介质层2和频率选择表面金属层3，所述频率选择表面金属层3包括设置于两侧的电极31以及设置在两个电极31之间的多个FSS结构单元32，使用时电极31通过平口导电夹固定并与电源的正负极相连，在两个所述电极31之间还连接有微米级的电加热单元33，所述的多个FSS结构单元32等间隔排列于所述电加热单元33内，形成周期性阵列。

从图1与图2中还可以看出，本例中，所述电加热单元33为多根电加热丝，该电加热丝的两端分别与两个所述电极31电性连接，且所述电加热丝设于相邻两行所述FSS结构单元32之间，也即是所述FSS结构单元32在两根电极31之间形成阵列，在相邻的两行FSS结构单元32之间穿插引入电加热丝，从而构成整个频率选择表面金属层3。当然在具体实施时，所述电加热单元33也可以为电加热网等其他结构，当电加热单元33为电加热网时，其连接于两个所述电极31之间，所述FSS结构单元32阵列分布于所述电加热网的网格内。

本例中，由于电热丝太细会导致加工过程中容易断裂，从而影响加热效果；但如果电热丝太宽则会导致电热丝的引入对FSS本身的性能产生较大的影响。综合考量后，为兼顾加工过程的难易程度和对性能的影响，所述电加热丝的宽度设定为4μm。

通常的，所述FSS结构单元32可以为圆环单元、SSR环结构、十字型结构、方环结构、Y型结构或者开口谐振环结构等，也可根据实际情况作出其余变形。而本例为在确保介电可调谐的前提下，尽可能的简化生产工艺，优选所述FSS结构单元32为类十字形结构，其包括第一金属条32a与第二金属条32b，所述第一金属条32a与第二金属条32b垂直连接形成十字形结构，在所述第一金属条32a的两端垂直连接有第三金属条32c，在所述第二金属条32b的两端垂直连接有第四金属条32d。

具体的，所述第一金属条32a、第二金属条32b、第三金属条32c与第四金属条32d的宽度均一致，其宽度均为4μm；

所述第一金属条32a与第二金属条32b的长度相等，所述第三金属条32c与第四金属条32d的长度相等，其长度均为15μm。

优选的，所述基底层1为硅基板，厚度为1.2mm；所述中间介质层2为钛酸锶钡薄膜，厚度为650nm；所述频率选择表面金属层3的材料铂，厚度为500nm，周期为50μm。

为了减小加工过程中的难度，所述频率选择表面金属层3为铂金属层，所述电极31、FSS结构单元32、微米级的电加热单元33采用IBE刻蚀机刻蚀加工而成。

结合上述的基于BST薄膜的热调谐频率选择表面的结构，本发明还提供了一种基于该结构的加工工艺，包括磁控溅射镀膜、紫外曝光、显影灰化、IBE刻蚀和去胶等工艺步骤，为了获得更好的时域信号，我们选取1.2mm的双抛高阻硅做实验，并在上面通过磁控溅射的方式沉积BST60薄膜，在BST薄膜表面沉积铂金薄膜，并通过IBE刻蚀实现微米级别的电加热线的制备。具体的工艺步骤如下：

步骤1：选取满足性能要求的1.2mm的双抛高阻硅基板制成基底层1，并实用化学方法对其表面进行清洗，以保证匀胶过程中的均匀性；

步骤2：在真空环境下对所述基底层1进行加热，采用磁控溅射镀膜工艺在基底层1上表面溅射BST薄膜，形成中间介质层2，具体的加工步骤为：

步骤2-1：将所述基底层1固定于基板上，并放入PC室中；

步骤2-2：采用分子泵对PC室进行粗抽真空，压力抽至1.5E-1mT时开启高分子泵，并对高分子泵进行抽真空，当高分子泵达到工作速度后，打开挡板使用高分子泵对PC室抽真空处理，当真空度达到6E-6mT后，设置基板加热速率和加热温度后开始加热基板；

步骤2-3：以3℃每分钟的爬坡速度缓慢升高到400℃，通入氩气，将氩气流量提高到12mT，并给靶材加上50V初始电压，并逐渐爬坡到100V；待靶材起辉，将氩气流量降低到工作压力6mT，并通入O2气，氧氩比设置为1:4，待辉光稳定后，将电压调整到工作电压150V，并预溅射15分钟；

步骤2-4：在预溅射后，旋转基板，并打开挡板开始溅射形成所述中间介质层2，同时使基板匀速转动保证薄膜表面各处成膜的均匀性。

步骤3：溅射BST薄膜形成中间介质层2达到15小时后，取出并于650℃纯氧条件下进行退火处理1小时；

步骤4：将溅射有BST薄膜的产品，再次置于PC室中，采用跟步骤2与步骤3相类似的方式，基于磁控溅射镀膜工艺在中间介质层2表面上溅射Pt金属层，以形成频率选择表面金属层3，在溅射过程中铂金的工艺参数与BST薄膜不同，成膜压力为3mT，基板温度为200℃，溅射功率150W；

步骤5：当多层膜结构制备妥当后，采用旋涂匀胶的方式，经过7000转在所述频率选择表面金属层3上涂覆光刻胶，然后将工件置于紫外曝光机中曝光3秒，显影灰化后使用离子束刻蚀技术对频率选择表面金属层3进行刻蚀加工，形成电极31、FSS结构单元32、微米级的电加热单元33；

步骤6：使用丙酮溶剂去除表面残留的光刻胶后，得到产品。

在得到产品后，本发明还采用太赫兹测试设备进行性能测试，也即是将时域信号通过发射器照射到硅片的表面，经过样品的透射后由接收端接收新的时域信号。测试结果如图3与图4所示，图3和4分别为本产品不同温度下的时域信号和频域信号。从图中可以看出在电流的作用下，薄膜的温度得以升高，且透波频率逐渐升高，也即是在电流的作用下，薄膜的温度升高而介电常数下降，实现了太赫兹频段的调谐。

Claims (10)

1.一种基于BST薄膜的热调谐频率选择表面，包括从下到上依次紧密接触设置的基底层、中间介质层和频率选择表面金属层，其特征在于：所述频率选择表面金属层包括设置于两侧的电极以及设置在两个电极之间的多个FSS结构单元，在两个所述电极之间还连接有微米级的电加热单元，所述的多个FSS结构单元等间隔排列于所述电加热单元内，形成周期性阵列。

2.根据权利要求1所述的基于BST薄膜的热调谐频率选择表面，其特征在于：所述电加热单元为多根电加热丝，该电加热丝的两端分别与两个所述电极电性连接，且所述电加热丝设于相邻两行或两列的所述FSS结构单元之间。

3.根据权利要求1所述的基于BST薄膜的热调谐频率选择表面，其特征在于：所述电加热单元为电加热网，该电加热网电性连接于两个所述电极之间，所述FSS结构单元阵列分布于所述电加热网的网格内。

4.根据权利要求1所述的基于BST薄膜的热调谐频率选择表面，其特征在于：所述FSS结构单元为圆环单元、SSR环结构、十字型结构、方环结构、Y型结构或者开口谐振环结构。

5.根据权利要求1所述的基于BST薄膜的热调谐频率选择表面，其特征在于：所述FSS结构单元包括第一金属条与第二金属条，所述第一金属条与第二金属条垂直连接形成十字形结构，在所述第一金属条的两端垂直连接有第三金属条，在所述第二金属条的两端垂直连接有第四金属条。

6.根据权利要求5所述的基于BST薄膜的热调谐频率选择表面，其特征在于：所述第一金属条、第二金属条、第三金属条与第四金属条的宽度均一致，所述第一金属条与第二金属条的长度相等，所述第三金属条与第四金属条的长度相等。

7.根据权利要求6所述的基于BST薄膜的热调谐频率选择表面，其特征在于：所述第一金属条、第二金属条、第三金属条与第四金属条的宽度为4μm，所述第一金属条与第二金属条的长度为26μm，所述第三金属条与第四金属条的长度为15μm。

8.根据权利要求1～7任一项所述的基于BST薄膜的热调谐频率选择表面，其特征在于：所述基底层为硅基板，厚度为1.0～1.5mm；所述中间介质层为钛酸锶钡薄膜，厚度为600～700nm；所述频率选择表面金属层的材料为金、银、铂或铜，厚度为400～600nm，周期为50μm。

9.一种基于BST薄膜的热调谐频率选择表面的加工工艺，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：选取满足性能要求的硅基板制成基底层，并对其表面进行清洗；

步骤2：在真空环境下对所述基底层进行加热，采用磁控溅射镀膜工艺在基底层上表面溅射BST薄膜，形成中间介质层；

步骤3：溅射BST薄膜形成中间介质层一定时间后，取出并于650℃纯氧条件下进行退火处理；

步骤4：采用磁控溅射镀膜工艺在中间介质层表面上溅射形成频率选择表面金属层；

步骤5：在所述频率选择表面金属层上涂覆光刻胶，并将工件置于紫外曝光机中曝光，显影灰化后使用离子束刻蚀技术对频率选择表面金属层进行刻蚀加工，形成电极、FSS结构单元、微米级的电加热单元，其中所述电极位于两侧，多个FSS结构单元设置于两个电极之间，所述电加热单元连接于两个所述电极之间，所述的多个FSS结构单元等间隔排列于所述电加热单元内，形成周期性阵列；

步骤6：使用丙酮溶剂去除表面残留的光刻胶后，得到产品。

10.根据权利要求9所述的基于BST薄膜的热调谐频率选择表面的加工工艺，其特征在于：步骤2中，所述中间介质层的加工步骤为：

步骤2-1：将所述基底层固定于基板上，并放入PC室中；

步骤2-2：采用分子泵对PC室进行粗抽真空，压力抽至1.5E-1mT时开启高分子泵，并对高分子泵进行抽真空，当高分子泵达到工作速度后，打开挡板使用高分子泵对PC室抽真空处理，当真空度达到6E-6mT后，设置基板加热速率和加热温度后开始加热基板；

步骤2-3：通入氩气，并给靶材加上初始电压，使靶材起辉，然后设置爬坡速率到达溅射工作电压，同时将氩气和氧气按照比例设置到工作压力，进行预溅射；

步骤2-4：在预溅射后，旋转基板，并打开挡板开始溅射形成所述中间介质层，同时使基板匀速转动保证薄膜表面各处成膜的均匀性。