CN111130459A - 一种基于柔性衬底的柔性压控振荡器及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于柔性衬底的柔性压控振荡器及制作方法，以进行硅纳米膜的转移的PET塑料衬底为模板，所述模板上设置有磁控溅射形成栅的介质层和电感介质层，以及设置有金属蒸发形成的电容电感电阻以及二极管金属层和输入输出端；包括三个电容即第一电容C1、第二电容C2和第三电容C3、三个电感第一电感L1、第二电感L2和第三电感L3、四个电阻即第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4，一个二极管D、一个晶体管TFT和三个信号源即第一信号源SRC1、第一信号源SRC2和第三信号源SRC3，以及若干金属互联线。本发明具有较好的性能，极大的改善振荡器的工作功能与多状态下工作的能力；在柔性射频集成电路制作与智能穿戴领域具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于柔性射频电路设计领域，具体涉及到柔性衬底上的基于硅纳米膜转移技术的柔性压控振荡器的设计与制备方法。
背景技术
柔性电子是将有机、无机材料电子器件制作在柔性、可延性塑料或薄金属基板上的新兴电子科技，在信息、能源、医疗、国防等领域都具有广泛应用。如印刷RFID、电子用表面粘贴、有机发光二极管OLED、柔性电子显示器等。本发明采用一种新型工艺，通过ADS仿真得到柔性压控振荡器的关键参数设计，随后绘制掩膜版采用新型柔性电子制备工艺，通过硅纳米膜转移技术在柔性衬底上制备射频集成电路重要模块—压控振荡器，将来有望在可穿戴电子，大规模柔性集成电路等方面取得广泛应用。
发明内容
以柔性衬底上的硅纳米膜转移技术与逻辑反相器的制备与工艺为基础，本发明的目的在于提出一种基于柔性衬底的柔性压控振荡器及制作方法，在PET塑料衬底上制备振荡器，实现射频集成电路振荡器的弯曲态工作特性，实现了一种全新的柔性射频电路组成单元柔性压控振荡器的设计与其制备工艺方法的实现。
本发明的一种基于柔性衬底的压控振荡器，该电路包括三个电容即第一电容C1、第二电容C2和第三电容C3、三个电感即第一电感L1、第二电感L2和第三电感L3、四个电阻击第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4，一个二极管D、一个晶体管TFT和三个信号源即第一信号源SRC1、第一信号源SRC2和第三信号源SRC3，以及若干金属互联线；其中，
第一信号源SRC1与第四电感L4、二极管D串联后、与第三电容C3并联构成可变电容器；第一电阻R与第一电感L1、第二信号源SRC2依次串联构成配置电路第一支路；晶体管TFT与第二电感L2串联构成配置电路第二支路；第二电阻R2、第三电感L3、第二信号源SRC3依次串联构成配置电路第三支路，所述第四电阻R4构成配置电路第四支路，所述可变电容器与所述配置电路第一支路之间串联作为滤波电容的第一电容C1，所述配置电路第一支路和所述配置电路第二支路之间串联电阻R3，所述配置电路第二支路和所述配置电路第三支路之间串联作为滤波电容的第二电容C2，即第一电阻R1、第二电阻R2、第四电阻R4、第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3、第二信号源SRC2、第二信号源SRC3、晶体管TFT构成压控振荡器的偏置电路。
该柔性整流器以进行硅纳米膜的转移的PET塑料衬底为模板，所述模板上设置有磁控溅射形成栅的介质层和电感介质层，以及设置有金属蒸发形成的电容电感电阻以及二极管金属层和输入输出端。
本发明的一种基于柔性衬底的柔性压控振荡器制作方法，所述制作方法包括以下步骤：
步骤一、首先在ADS仿真软件中设计出柔性压控振荡器，采用偏置电路与可变电容结合的互连设计，通过调节需要传输的输入电压实现频率可调，完成连线与设计，初始化晶体管TFT的相关参数；
步骤二、添加优化控件，设置振荡器的可变电容优化参数，对输出电压参数进行优化，设置输入电压工作区间在0-5V作为压控振荡器的工作约束；
步骤二、以晶体管TFT的掺杂区宽长比作为优化参数，进行仿真，得到仿真结果与目标设定进行对比，多次优化以后得到最优结果，确定TFT掺杂区的最佳宽长比，获得性能良好的偏置电路；
步骤三、绘制掩膜版，在柔性衬底上分别制作出离子注入区、孔层区、顶部金属层以及柔性电容区、柔性电感区、柔性电阻区；
步骤四、将退火后的绝缘层上硅SOI进行光刻工艺，形成离子注入区，完成离子注入，形成晶体管TFT掺杂区的设计；
步骤五、对绝缘层上硅SOI进行对准光刻，光刻完成后对绝缘层上硅SOI进行高温热退火；
步骤六、匀胶光刻形成顶层50μm乘以50μm的孔层结构，随后RIE中采用反应离子刻蚀的技术将顶层硅进行刻蚀；
步骤七、将绝缘层上硅SOI放入氢氟酸HF中，氢氟酸HF通过顶层刻蚀的硅孔结构将绝缘层上硅SOI中间的二氧化硅埋氧层进行刻蚀，只留下顶层硅纳米膜以及底层硅衬底结构；
步骤八、将绝缘层上硅SOI顶层纳米膜转移到柔性PET衬底上，进行光刻，以及磁控溅射形成二氧化硅介质层；
步骤九、进行光刻工艺，形成栅极以及源漏区的金属层，最后采用金属蒸发的工艺形成500nm厚的金属层，去胶以后完成柔性压控振荡器的制备。
与现有技术相比，本发明的柔性压控振荡器具有较好的性能以及较高的工作频率，极大的改善振荡器的工作功能与多状态下工作的能力，提高中心频率以及调节范围，并具有稳定的调节线性度；在柔性射频集成电路的制作与智能穿戴领域、人工医疗、信息与能源领域具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明的一种基于柔性衬底的压控振荡器电路图；
图2为本发明的柔性晶体管TFT结构截面示意图；
图3为本发明的柔性电容结构截面示意图；
图4为本发明的柔性电感结构截面示意图；
图5为本发明的柔性电阻结构截面示意图；
附图标记：
1、铋镁铌(BMN)栅介电层，2、氧化铟锡(ITO)中间导电层，3、柔性衬底(PET)，4、6、8、硅纳米膜上的N型掺杂区，5、7、硅薄膜上的未掺杂区，9和11为金属漏电极，10为金属源电极，12为金属栅电极，14、粘附层，15-21、为金属层，16、粘附层内金属层，17、18为过孔，19、20为粘附层内MEM电容金属层，21、粘附层内介质层，22、SU-8材料层，23、柔性电阻，24、金属连线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明技术方案进行详细描述。
如图1所示，为本发明的一种柔性基于柔性衬底的压控振荡器电路图。该电路包括三个电容(第一电容C1、第二电容C2和第三电容C3)、三个电感(第一电感L1、第二电感L2和第三电感L3)、四个电阻(第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4)，一个二极管D、一个晶体管TFT和三个信号源(第一信号源SRC1、第一信号源SRC2和第三信号源SRC3)，以及若干金属互联线。其中，
第一信号源SRC1与第四电感L4、二极管D串联后、与第三电容C3并联构成可变电容器；第一电阻R与第一电感L1、第二信号源SRC2依次串联构成配置电路第一支路；晶体管TFT与第二电感L2串联构成配置电路第二支路；第二电阻R2、第三电感L3、第二信号源SRC3依次串联构成配置电路第三支路，所述第四电阻R4构成配置电路第四支路，所述可变电容器与所述配置电路第一支路之间串联作为滤波电容的第一电容C1，所述配置电路第一支路和所述配置电路第二支路之间串联电阻R3，所述配置电路第二支路和所述配置电路第三支路之间串联作为滤波电容的第二电容C2。即，第一电阻R1、第二电阻R2、第四电阻R4、第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3、第二信号源SRC2、第二信号源SRC3、晶体管TFT构成压控振荡器的偏置电路。
本发明的柔性压控振荡器各器件通过金属互连线连接，通过偏置电路和可变电容的互连设计，通过偏置电路控制需要传输信号的电压值，然后通过输入电压的改变控制可变电容的电容值，从而改变积分器电容的充放电时间，以此来控制实现压控的振荡器。
该柔性压控振荡器的主要工作原理在于通过偏置电路和可变电容的互连设计，通过偏置电路控制需要传输信号的电压值，然后通过输入电压的改变控制可变电容的电容值，从而改变积分器电容的充放电时间，以此来控制实现压控频率的振荡器。
本发明以柔性衬底上的硅纳米膜转移技术与逻辑反相器的制备与工艺为基础，提出一种全新的柔性射频电路组成单元柔性压控振荡器的设计与制备工艺，此柔性振荡器主要由PET柔性基底、转移硅纳米膜、硅纳米膜上集成的TFT以及射频电容电感、电阻互联组成。如图2所示，为本发明的柔性晶体管TFT结构截面示意图。本发明所使用的柔性晶体管TFT为层式结构，从下至上依次为柔性衬底(PET)3、氧化铟锡(ITO)中间导电层2、铋镁铌(BMN)栅介电层1，在铋镁铌(BMN)栅介电层1上边设置有硅纳米膜上的N型掺杂区4、6、8、硅薄膜上的未掺杂区5、7，再上层为金属漏电极9、11以及金属源电极10，还有金属栅电极12。
如图3所示，为本发明的柔性电容结构截面示意图。本发明所使用的柔性晶体管TFT为层式结构，从下至上依次为柔性衬底(PET)3、粘附层14和金属层15，另外还包括粘附层内金属层16、过孔17、18，S为两匝线圈之间的线间距，W为线宽，ID为螺旋电感最内圈初始位置。
如图4所示，为本发明的柔性电容结构截面示意图。本发明所使用的柔性电容为层式结构，从下至上依次为柔性衬底(PET)3、粘附层14、金属层15，另外还包括粘附层内MEM电容金属层19、20、粘附层内介质层21以及过孔17、18。
如图5所示，为本发明的柔性电阻结构截面示意图。本发明所使用的柔性电阻为层式结构。从下至上依次为柔性衬底3、SU-8材料层22、柔性电阻23以及金属连线24。
首先采用ADS射频电路设计与仿真软件设计并生成振荡器电路图(如图1所示)，并将仿真结果进行优化得到制作工艺所需要的设计参数，将以PET塑料衬底作为模板，在PET塑料衬底上进行硅纳米膜的转移，随后磁控溅射形成栅介质层和电感介质层以及金属蒸发形成电容电感电阻以及二极管金属层和输入输出端完成柔性压控振荡器的设计与制备。在ADS软件中进行仿真与设计，确定振荡器晶体管的栅极宽长比，偏置电路参数以及可变电容仿真，随后绘制设计版图，在洁净室制备工艺中实现基于硅纳米膜转移技术下的柔性压控振荡器的设计与制备。
本发明的一种基于柔性衬底的柔性压控振荡器制作方法，采用一种新型的电路设计工艺，通过建模设计确定TFT在柔性衬底上的工作性能，并由此进行压控振荡器电路互连实现柔性压控振荡器的制备。在ADS软件上实现晶体管掺杂区宽长比的设计，设计器件版图，最后使用版图设计软件根据设计的工艺绘制掩膜版，随后通过洁净室柔性电子产品生产工艺制作，完成柔性压控振荡器的设计与生产。具体的制作工艺如下：
步骤一、首先在ADS仿真软件中设计出柔性压控振荡器，采用偏置电路与可变电容结合的互连设计，通过调节需要传输的输入电压实现频率可调，完成连线与设计，初始化晶体管TFT的相关参数；
步骤二、添加优化控件，设置振荡器的可变电容优化参数，对输出电压参数进行优化，设置输入电压工作区间在0-5V作为压控振荡器的工作约束；
步骤二、以晶体管TFT的掺杂区宽长比作为优化参数，进行仿真，得到仿真结果与目标设定进行对比，多次优化以后得到最优结果，确定TFT掺杂区的最佳宽长比，获得性能良好的偏置电路；
步骤三、绘制掩膜版，在柔性衬底上分别制作出离子注入区、孔层区、顶部金属层以及柔性电容区、柔性电感区、柔性电阻区；
步骤四、使用丙酮和异丙醇在超声中清洗绝缘层上硅SOI，随后在完成磁控溅射的柔性衬底上进行匀胶，1813正性光刻胶，匀胶速率为4000r/min，匀胶时间30s，匀胶温度115℃，并对光刻胶在90℃进行3分钟的前烘，进行光刻工艺，形成晶体管TFT掺杂区，进行离子注入，随后在退火炉中进行850℃、30min的高温热退火工艺；
步骤四、将退火后的SOI进行光刻工艺，形成离子注入区，完成离子注入，形成晶体管TFT掺杂区的设计。
步骤五、对SOI进行对准光刻，光刻完成后对SOI进行高温热退火；
步骤六、匀胶光刻形成顶层50μm乘以50μm的孔层结构，随后RIE中采用反应离子刻蚀的技术将顶层硅进行刻蚀；
步骤七、将SOI放入HF中，HF通过顶层刻蚀的硅孔结构将SOI中间的二氧化硅埋氧层进行刻蚀，只留下顶层硅纳米膜以及底层硅衬底结构。
步骤八、随后，采用PDMS转移的方式将SOI顶层纳米膜转移到柔性PET衬底上，进行光刻，以及磁控溅射形成二氧化硅介质层；
步骤九、最后，进行光刻工艺，形成栅极以及源漏区的金属层，最后采用金属蒸发的工艺形成500nm厚的金属层，去胶以后完成柔性振荡器的制备。
Claims (3)
1.一种基于柔性衬底的柔性压控振荡器，其特征在于，该电路包括三个电容即第一电容C1、第二电容C2和第三电容C3、三个电感第一电感L1、第二电感L2和第三电感L3、四个电阻即第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4，一个二极管D、一个晶体管TFT和三个信号源即第一信号源SRC1、第一信号源SRC2和第三信号源SRC3，以及若干金属互联线；其中，
第一信号源SRC1与第四电感L4、二极管D串联后、与第三电容C3并联构成可变电容器；第一电阻R与第一电感L1、第二信号源SRC2依次串联构成配置电路第一支路；晶体管TFT与第二电感L2串联构成配置电路第二支路；第二电阻R2、第三电感L3、第二信号源SRC3依次串联构成配置电路第三支路，所述第四电阻R4构成配置电路第四支路，所述可变电容器与所述配置电路第一支路之间串联作为滤波电容的第一电容C1，所述配置电路第一支路和所述配置电路第二支路之间串联电阻R3，所述配置电路第二支路和所述配置电路第三支路之间串联作为滤波电容的第二电容C2，即第一电阻R1、第二电阻R2、第四电阻R4、第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3、第二信号源SRC2、第二信号源SRC3、晶体管TFT构成压控振荡器的偏置电路。
2.如权利要求1所述的一种基于柔性衬底的柔性压控振荡器，其特征在于，该柔性压控振荡器以进行硅纳米膜的转移的PET塑料衬底为模板，所述模板上设置有磁控溅射形成栅的介质层和电感介质层，以及设置有金属蒸发形成的电容电感电阻以及二极管金属层和输入输出端。
3.一种基于柔性衬底的柔性压控振荡器制作方法，其特征在于，所述制作方法包括以下步骤：
步骤一、首先在ADS仿真软件中设计出柔性压控振荡器，采用偏置电路与可变电容结合的互连设计，通过调节需要传输的输入电压实现频率可调，完成连线与设计，初始化晶体管TFT的相关参数；
步骤二、添加优化控件，设置振荡器的可变电容优化参数，对输出电压参数进行优化，设置输入电压工作区间在0-5V作为压控振荡器的工作约束；
步骤二、以晶体管TFT的掺杂区宽长比作为优化参数，进行仿真，得到仿真结果与目标设定进行对比，多次优化以后得到最优结果，确定TFT掺杂区的最佳宽长比，获得性能良好的偏置电路；
步骤三、绘制掩膜版，在柔性衬底上分别制作出离子注入区、孔层区、顶部金属层以及柔性电容区、柔性电感区、柔性电阻区；
步骤四、使用丙酮和异丙醇在超声中清洗绝缘层上硅SOI，随后在完成磁控溅射的柔性衬底上进行匀胶，1813正性光刻胶，匀胶速率为4000r/min，匀胶时间30s，匀胶温度115℃，并对光刻胶在90℃进行3分钟的前烘，进行光刻工艺，形成晶体管TFT掺杂区，进行离子注入，随后在退火炉中进行850℃、30min的高温热退火工艺；
步骤四、、将退火后的绝缘层上硅SOI进行光刻工艺，形成离子注入区，完成离子注入，形成晶体管TFT掺杂区的设计；
步骤五、对绝缘层上硅SOI进行对准光刻，光刻完成后对绝缘层上硅SOI进行高温热退火；
步骤六、匀胶光刻形成顶层50μm乘以50μm的孔层结构，随后RIE中采用反应离子刻蚀的技术将顶层硅进行刻蚀；
步骤七、将绝缘层上硅SOI放入氢氟酸HF中，氢氟酸HF通过顶层刻蚀的硅孔结构将绝缘层上硅SOI中间的二氧化硅埋氧层进行刻蚀，只留下顶层硅纳米膜以及底层硅衬底结构；
步骤八、将绝缘层上硅SOI顶层纳米膜转移到柔性PET衬底上，进行光刻，以及磁控溅射形成二氧化硅介质层；
步骤九、进行光刻工艺，形成栅极以及源漏区的金属层，最后采用金属蒸发的工艺形成500nm厚的金属层，去胶以后完成压控振荡器的制备。
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2019
- 2019-12-02 CN CN201911215897.9A patent/CN111130459B/zh active Active
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| CN111130459B (zh) | 2024-04-30 |
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