CN114005629B - 一种薄膜微波负载片及其制作方法 - Google Patents
一种薄膜微波负载片及其制作方法 Download PDFInfo
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Abstract
本申请实施例提供了一种薄膜微波负载片及其制作方法,其中,薄膜微波负载片由基板、设置在基板层上表面的电极层和电阻层以及设置在基板层下表面的背电极层组成;电阻层由下到上依次包括TaN匹配层,第一过渡层,Ta2N主体层,第二过渡层和Ta3N5+TaO保护层;第一过渡层的成分为TaxN,其中1≤x≤2,且x从与TaN匹配层侧到Ta2N主体层侧由1逐渐变为2;第二过渡层的成分为TayN,其中0.6≤y≤2,且y从与Ta2N主体层侧到TaN保护层侧由2逐渐变为0.6;基板层的材质为氮化铝陶瓷;如此,本申请实施例提供的薄膜微波负载片与基板晶格匹配度好,电阻性能好,调阻方便且稳定性好。
Description
技术领域
本申请涉及微波负载片领域,具体而言,涉及一种薄膜微波负载片及其制作方法。
背景技术
微波电路是微波通信系统中最基本也是最核心的组成部分,微波通信系统的小型化、集成化、宽频带、高功率的实现正是建立在性能优异的微波电路上。微波电路的性能不仅仅取决于电路的设计,更依赖着电路中一个个微波元器件的性能优劣。微波负载元件目前广泛的应用在各种用到耦合器、环行器的微波电路中,因为每个耦合器或者环行器的隔离端口都需要一个匹配的微波负载。
微带隔离器作为一种重要的微波铁氧体器件,目前广泛应用于雷达,微波通信领域,在实现微波信号传输的同时,对反向传输的信号进行隔离,起到稳定和保护系统的作用。微带隔离器是由微带环行器和负载构成,将负载接到环行器其中一个端口,反向传输的信号经过负载时被负载吸收,从而实现对反向信号的隔离。
目前,基于厚膜技术的微波匹配负载已经广泛被使用在微波电路中,然而随着电子系统工作频率升高,厚膜技术的微波匹配负载由于趋肤效应而不能应用于更高的频率,此时基于薄膜技术的薄膜匹配负载更适合在高频的宽频应用领域使用。氮化钽薄膜由于具有自钝化、低电阻温度系数等优点,成为薄膜型匹配负载器件的首选材料。吸收介质载体通常为氧化铝陶瓷基板,由于氧化铝陶瓷本身导热较差,应选用导热性能优良的基板作为吸收载体,氮化铝基板导热性能好,而且更加环保,现在被广泛应用在功率负载上。然而氮化钽中稳定性最好的Ta2N和氮化铝基板的晶格匹配度不理想。
此外,微波负载片在其制造过程中,其阻值通常与目标阻值存在偏差,现有技术通过激光调阻对电阻照射激光来形成修整槽,从而将在制造阶段产生了偏差的电阻的初始电阻值调整为目标电阻值,这样会对电阻图形表面积造成破坏,在高频场景下,负载的寄生容抗和感抗会发生变化,从而改变高频特性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种与基板晶格匹配度好,电阻性能好,调阻方便且稳定性好的薄膜微波负载片。
为实现上述目的,本发明提供的薄膜微波负载片包括:基板层,设置在基板层上表面的上电极层和电阻层,以及设置在基板层下表面的背电极层;其中,
电阻层包括沿远离基板层的方向依次设置的TaN匹配层,第一过渡层,Ta2N主体层,第二过渡层和Ta3N5+TaO保护层;
第一过渡层的成分为TaxN,其中1≤x≤2,且沿远离基板层的方向x由1逐渐变为2;
第二过渡层的成分为TayN,其中0.6≤y≤2,且沿远离基板层的方向y由2逐渐变为0.6;
基板层的材质为氮化铝陶瓷。
可选地,薄膜微波负载片还包括侧面金属层,其设置在基板层的侧面,导电连接上电极层和背电极层;背电极层与接地平面电连接。
可选地,电阻层的厚度为50-200nm。
可选地,上电极层和背电极层沿远离基板层的方向依次包括Ti层、Ni层和Ag层。
本发明还提供了一种薄膜微波负载片的制作方法,包括:
提供基板层,其中基板层的材质为氮化铝陶瓷。
在基板层的上表面形成第一金属层和电阻材料层,在基板层下表面形成第二金属层;其中,电阻材料层包括沿远离基板层的方向依次设置的TaN匹配材料层,第一过渡材料层,Ta2N主体材料层,第二过渡材料层和Ta3N5层;第一过渡材料层的成分为TaxN,其中1≤x≤2,且沿远离基板层的方向x由1逐渐变为2;第二过渡材料层的成分为TayN,其中0.6≤y≤2,且沿远离基板层的方向y由2逐渐变为0.6;
刻蚀第一金属层和电阻材料层,形成上电极层和电阻层;第二金属材料层完全被光刻胶保护而不被刻蚀,直接形成背电极层;
执行热处理工艺,以使部分Ta3N5层氧化,得到Ta3N5+TaO保护层。
可选地,在基板层的上表面形成电阻材料层包括以下步骤:
在溅射N2/Ar流量比为10%的溅射条件下,在基板层的上表面形成TaN匹配层;
调整溅射条件,将N2/Ar流量比由10%逐渐调整到5%,在六方TaN匹配层上形成第一过渡材料层;
在溅射N2/Ar流量比为5%的溅射条件下,在第一过渡材料层上形成Ta2N主体材料层;
调整溅射条件,将N2/Ar流量比由5%逐渐调整到22%,在Ta2N主体材料层上形成第二过渡材料层;
在溅射N2/Ar流量比为22%的溅射条件下,在第二过渡材料层上形成Ta3N5层。
可选地,在基板层的上表面形成电阻材料层的步骤中,Ar气流量控制在18-22SCCM,溅射温度为180-220℃。
可选地,在基板层的上表面形成第一金属层包括以下步骤:在基板层的上表面和下表面分别溅射Ti层和Ni层,再在溅射好的Ti层和Ni层上电镀Ti层和Ag层;
可选地,电镀Ni层和Ag层的厚度均不低于2μm。
可选地,还包括形成侧面金属层的步骤,其设置在基板层的侧面,实现所述上电极层和所述背电极层的电连接;所述背电极层与接地平面电连接。
可选地,热处理工艺为在大气气氛中热处理,具体条件为温度保持在300±5℃,处理时间为1-5小时。
本发明的有益技术效果在于:
(1)在AlN基板层上溅射电阻层时,设置与其相接触的为TaN,这样电阻层与基板层的晶格失配程度降低,晶格畸变减小,电阻层与基板的结合牢固程度更紧密。
(2)电阻层主体层为Ta2N,以充分利用其优越的电阻性能和稳定性能,而上表面是比较容易氧化的Ta3N5层,通过与大气中的氧气反应,能将上表面氧化为TaO保护层,而根据器件后续的调阻需求,通过调整氧化时间,即可得到不同Ta3N5和TaO厚度比的保护层,进而得到不同电阻的器件,这样避免了传统激光调阻对电阻层的损坏,同时也简化了氧化层的制备工艺。
(3)通过电阻层五层结构的设计,在满足上述晶格匹配和调阻需求的同时,Ta3N5+TaO保护层的巧妙设计还节省了最后电阻层表面保护膜的印刷,因而简化了制备工艺。
(4)采用本发明的方法制作的薄膜微波负载片,在大于18GHz时高频特性好,在20GHz时,驻波VSWR特性可最高达到1.25;通过侧面金属化,实现接地线和背面导体的导通,因而底部平整便于焊接。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式,下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施方式,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中基板层上印刷保护膜的示意图;
图2为本发明制备前基板层的示意图;
图3为本发明基板层的上电极层和背电极层的示意图;
图4为本发明基板层的上电极层和电阻层结构和相对位置的示意图;
图5为本发明电阻层各层结构剖面示意图;
图6为本发明侧面金属层示意图;
图7为本发明具体实施方式提供的一种薄膜微波负载片的制作方法的流程图。
附图标记:1-基板层;2-上电极层;3-保护膜;4-背电极层;5-电阻层;6-TaN匹配层;7-第一过渡层;8-Ta2N主体层;9-第二过渡层;10-Ta3N5+TaO保护层;11-侧面金属层。
具体实施方式
为使得本发明的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂,下面结合本申请实施例中的附图,对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本申请保护的范围。
TaN为灰色的粉末物质,六方晶格结构,熔点很高,电阻率为(180±10)μΩ·cm。显微硬度(106±75)MPa,具有很好的耐酸性能,化学稳定性出色,良好的化学和温度稳定性让TaN材料成为一种十分优秀的电阻材料。通过改变溅射腔室中的氮气和氩气的流量比,发现在氮气较少的时候所成的像主要为Ta2N,当氮气流量逐渐增加后,所成的像从Ta2N慢慢向Ta3N5转变,电阻率也相应增大。根据我们的实验发现,氮化钽的Ta2N相薄膜适合制备电阻器,其TCR为-103ppm/℃,电阻率为300μΩ.cm。
图7为本发明一具体实施方式提供的一种薄膜微波负载片的制作方法的流程图。如图所示,本申请实施例提供的薄膜微波负载片的制作方法包括以下步骤:
S101,提供基板层,其中所述基板层的材质为氮化铝陶瓷;在基板层上激光打孔,形成定位点,同时清洗基板层以去除杂质。
这里,可以进一步参考图2。图2示出了基板层1的俯视结构;可以理解地,虽然图2所示的基板层1为长方形,但是本申请并不限于此,基板层1也可以为其它合适形状。
S102,在基板层的上表面形成第一金属层和电阻材料层,在基板层下表面形成第二金属层;其中,所述第一金属层包括电阻材料层和上电极材料层,所述电阻材料层包括沿远离所述基板层的方向依次设置的TaN匹配材料层,第一过渡材料层,Ta2N主体材料层,第二过渡材料层和Ta3N5层;所述第一过渡材料层的成分为TaxN,其中1≤x≤2,且沿远离所述基板层的方向x由1逐渐变为2;所述第二过渡材料层的成分为TayN,其中0.6≤y≤2,且沿远离所述基板层1的方向y由2逐渐变为0.6。
S103,刻蚀所述第一金属层和电阻材料层,形成上电极层和电阻层;第二金属材料层完全被光刻胶保护而不被刻蚀,直接形成背电极层。
结合图3a、图3b和图4所示,在基板层1的上表面形成上电极层2和电阻层5;在基板层1的下表面形成背电极层4。
S104,执行热处理工艺,以使部分所述Ta3N5层氧化,得到Ta3N5+TaO保护层。
图1为现有技术中基板层上印刷保护膜的示意图。如图所示,在现有技术中,往往需要在基板层1上执行最后电阻层表面保护膜3的印刷。而本申请实施例中,通过Ta3N5+TaO保护层的巧妙设计,节省了最后电阻层表面保护膜的印刷,因而简化了制备工艺。
S105,通过侧面金属化,形成侧面金属层,实现正面接地线和背面导体的导通。
在一较佳实施方式中,在基板层1的上表面形成电阻材料层包括以下步骤:
在溅射N2/Ar流量比为10%的溅射条件下溅射1-3分钟,在基板层1的上表面形成六方TaN匹配材料层,优选的溅射时间为2分钟;由于氮化铝基材层为六方结构,因而设置TaN六方匹配材料层,能进一步提高电阻层5和基板层1的晶格匹配度,加强了电阻层5和基板层1的结合牢固程度;
调整溅射条件,在1-3分钟内将N2/Ar流量比逐渐由10%逐渐调整到5%,在所述六方TaN匹配材料层上形成第一过渡材料层,优选的调整时间为2分钟;为了保证电阻层5的质量以及性能的稳定性,设置第一过渡材料层,该过度材料由TAN的1:1配比逐渐过渡到Ta2N的2:1配比,这减少了TaN匹配层和Ta2N主体层之间的晶格失配,提高了电阻层的结构稳定性;
在溅射N2/Ar流量比为5%的溅射条件下溅射10-25分钟,在所述第一过渡材料层上形成Ta2N主体材料层,优选的,溅射时间为18分钟;Ta2N相是氮化钽材料电阻性能较好的相,因而选择Ta2N作为电阻层的主体材料;
调整溅射条件,将N2/Ar流量比由5%逐渐调整到22%,在所述Ta2N主体材料层上形成第二过渡材料层;为了保证电阻层5的质量以及性能的稳定性,设置第一过渡材料层,该过度材料由到Ta2N的2:1配比逐渐过渡到Ta3N5的3:5配比,这减少了Ta3N5层和Ta2N主体层之间的晶格失配,提高了电阻层的结构稳定性;
在溅射N2/Ar流量比为22%的溅射条件下溅射1-3分钟,在所述第二过渡材料层上形成所述Ta3N5层,优选的溅射时间为2分钟。
在一较佳的实施例中,在基板层1的上表面形成电阻材料层的步骤中,Ar气流量控制在15-25SCCM,溅射温度为160-250℃;进一步优选为Ar气流量控制在18-22SCCM,溅射温度为180-220℃,更优选的,Ar气流量控制在20SCCM,溅射温度为205℃。电阻材料层的厚度可以为50-200nm。
在一较佳的实施例中,在基板层1的上表面形成第一金属层包括以下步骤:在基板层1的上表面和下表面分别溅射Ti层和Ni层,再在溅射好的Ti层和Ni层上电镀Ti层和Ag层;优选的,所述电镀Ni层和Ag层的厚度均不低于2μm。
在一较佳实施例中,采用光刻显影工艺制备电极层2、电阻层5和背电极层4,具体为:将电镀金属层之后的基板层1的正面涂布光刻胶,105-145℃下,优选为120℃下在热板上烘烤2-8分钟,优选为3分钟,然后在基材的反面涂布光刻胶,再次在热板上烘烤2-8分钟,优选为3分钟;对烘干的光刻胶进行曝光,其中正面使用有电路图案的菲林进行曝光,反面全部进行曝光;对曝光的光刻胶进行显影,依次采用湿法蚀刻方法,蚀刻上表面显影后露出来的Ag层、Ni层、Ti层,除去光刻胶后得到上表面电极层2,上表面不做处理;在处理后的基板层1正面继续涂覆光刻胶,在热板上烘烤2-8分钟,优选为3分钟;对烘干的光刻胶使用有电阻图案的菲林进行曝光;对曝光的光刻胶进行显影,使得表面氮化钽层暴露,采用湿法蚀刻方法,蚀刻正面显影后露出来的氮化钽层,除去基材正面及背面光刻胶后形成电阻层5,由于第二金属材料层完全被光刻胶保护而不被蚀刻,因而去除光刻胶后直接形成背电极层4。
在一较佳实施例中,热处理工艺中为在大气气氛中热处理,具体条件为温度保持在300±5℃,处理时间为1-5小时;优选的,温度为295℃,时间为4小时;通过大气气氛中热处理,将部分Ta3N5层氧化,得到Ta3N5+TaO保护层。
本申请实施例还提供了一种薄膜微波负载片。结合图3b、图4和图5,薄膜微波负载片包括:基板层1,设置在基板层1上表面的上电极层2和电阻层5,以及设置在基板层1下表面的背电极层4;其中,电阻层5包括沿远离基板层1的方向依次设置的TaN匹配层6,第一过渡层7,Ta2N主体层8,第二过渡层9和Ta3N5+TaO保护层10。
其中,基板层1的材质为氮化铝陶瓷。
第一过渡层7的成分为TaxN,其中1≤x≤2,且沿远离基板层1的方向x由1逐渐变为2。
第二过渡层9的成分为TayN,其中0.6≤y≤2,且沿远离所述基板层1的方向y由2逐渐变为0.6。
进一步地,结合图6所示,薄膜微波负载片还可以包括侧面金属层11,其设置在基板层1的侧面,导电连接上述上电极层2和背电极层4;背电极层4与接地平面电连接。
电阻层5的厚度可以为50-200nm。
上电极层2和背电极层4沿远离基板层1的方向依次包括Ti层、Ni层和Ag层。
本申请实施例提供的薄膜微波负载片在大于18GHz高频下具有优良性能。
综上所述,本申请实施例提供了一种薄膜微波负载片及其制备方法,通过调节制备工艺,得到的薄膜微波负载片的电阻层由下到上依次包括TaN匹配层,第一过渡层,Ta2N主体层,第二过渡层和Ta3N5+TaO保护层,该电阻层兼具与基板层晶格匹配度好,制备中无需激光调阻,性能稳定,薄膜微波负载片的高频特性好,可广泛应用于航空、航天、雷达、电台、广播通讯等设备领域隔离器、环形器等微波产品的生产。
以上依据本发明的理想实施例为启示,通过上述的说明内容,相关人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内,进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容,必须要根据权利要求范围来确定技术性范围。
Claims (9)
1.一种薄膜微波负载片,其特征在于,包括:基板层(1),设置在基板层(1)上表面的上电极层(2)和电阻层(5),以及设置在基板层(1)下表面的背电极层(4);其中,
所述电阻层(5)包括沿远离所述基板层(1)的方向依次设置的TaN匹配层(6),第一过渡层(7),Ta2N主体层(8),第二过渡层(9)和Ta3N5+TaO保护层(10);
所述第一过渡层(7)的成分为TaxN,其中1≤x≤2,且沿远离所述基板层(1)的方向x由1逐渐变为2;
所述第二过渡层(9)的成分为TayN,其中0.6≤y≤2,且沿远离所述基板层(1)的方向y由2逐渐变为0.6;
所述基板层(1)的材质为氮化铝陶瓷。
2.根据权利要求1所述的薄膜微波负载片,其特征在于,还包括侧面金属层(11),其设置在基板层(1)的侧面,导电连接所述上电极层(2)和所述背电极层(4);所述背电极层(4)与接地平面电连接。
3.根据权利要求1所述的薄膜微波负载片,其特征在于,所述电阻层(5)的厚度为50-200nm。
4.根据权利要求1-3任一项所述的薄膜微波负载片,其特征在于,所述上电极层(2)和所述背电极层(4)沿远离所述基板层(1)的方向依次包括Ti层、Ni层和Ag层。
5.一种薄膜微波负载片的制作方法,其特征在于,包括:
提供基板层(1),其中所述基板层(1)的材质为氮化铝陶瓷;
在基板层(1)的上表面形成第一金属层和电阻材料层,在基板层(1)下表面形成第二金属层;其中,所述电阻材料层包括沿远离所述基板层(1)的方向依次设置的TaN匹配材料层,第一过渡材料层,Ta2N主体材料层,第二过渡材料层和Ta3N5层;所述第一过渡材料层的成分为TaxN,其中1≤x≤2,且沿远离所述基板层(1)的方向x由1逐渐变为2;所述第二过渡材料层的成分为TayN,其中0.6≤y≤2,且沿远离所述基板层(1)的方向y由2逐渐变为0.6;
刻蚀所述第一金属层和所述电阻材料层,形成上电极层(2)和电阻层(5);第二金属材料层完全被光刻胶保护而不被刻蚀,直接形成背电极层(4);
执行热处理工艺,以使部分所述Ta3N5层氧化,得到Ta3N5+TaO保护层(10)。
6.根据权利要求5所述的薄膜微波负载片的制作方法,其特征在于,在基板层(1)的上表面形成所述电阻材料层包括以下步骤:
在溅射N2/Ar流量比为10%的溅射条件下,在基板层(1)的上表面形成六方TaN匹配层;
调整溅射条件,将N2/Ar流量比由10%逐渐调整到5%,在所述六方TaN匹配层上形成第一过渡材料层;
在溅射N2/Ar流量比为5%的溅射条件下,在所述第一过渡材料层上形成Ta2N主体材料层;
调整溅射条件,将N2/Ar流量比由5%逐渐调整到22%,在所述Ta2N主体材料层上形成第二过渡材料层;
在溅射N2/Ar流量比为22%的溅射条件下,在所述第二过渡材料层上形成所述Ta3N5层。
7.根据权利要求6所述的薄膜微波负载片的制作方法,其特征在于,在基板层(1)的上表面形成所述电阻材料层的步骤中,Ar气流量控制在18-22SCCM,溅射温度为180-220℃。
8.根据权利要求5-7任一项所述的薄膜微波负载片的制作方法,其特征在于,还包括形成侧面金属层(11)的步骤,其设置在基板层(1)的侧面,实现所述上电极层(2)和所述背电极层(4)的电连接;所述背电极层(4)与接地平面电连接。
9.根据权利要求5-7任一项所述的薄膜微波负载片的制作方法,其特征在于,所述热处理工艺为在大气气氛中热处理,具体条件为温度保持在300±5℃,处理时间为1-5小时。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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