TWI708424B - 直接平貼式主動頻率選擇表面之開關元件與其製作方法 - Google Patents

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Abstract

本發明為一種直接平貼式主動頻率選擇表面開關元件與其製作方法。利用P型與N型薄膜材料製作出可調變主動頻率選擇表面(AFSS)諧振頻率之PN二極體開關元件，使得AFSS連同開關元件可整體製作成一片薄膜。藉此，採階梯式鍍膜方法製作各層材料，可調變金屬圖案之等效長度，進而改變主動頻率選擇表面之諧振頻率。

Description

直接平貼式主動頻率選擇表面之開關元件與其製作方法
本發明係關於一種主動頻率選擇表面之開關元件與其製作方法，特別是關於一種直接平貼式主動頻率選擇表面之開關元件與其製作方法。
頻率選擇面(Frequency Selective Surface，FSS)是一種空間濾波器，從1960年代就已經開始發展。它是由金屬圖案或金屬箔開孔(槽)單元所組成的二維週期性陣列。FSS通常是平面的，少數為曲面的。FSS的特性阻抗(或諧振頻率)主要受金屬圖案單元的幾何、尺寸，以及基板的折射率、厚度等參數影響。
主動頻率選擇面(Active Frequency Selective Surface，AFSS)則是在原本的FSS上加載主動式的開關元件，這些元件通常需要外加DC電壓等方式來驅動，使得原本靜態的FSS具有兩種或兩種以上的諧振特徵(或特性阻抗)，且這些狀態可以經由DC電壓快速的切換。
文獻指出，要實現AFSS元件目前已知道至少有以 下三種途徑：(1)傳統FSS加載主動元件，例如PIN二極體，係利用電偏壓控制元件的電阻/電容值，改變FSS金屬圖案單元之等效長度或幾何形狀，進而改變諧振特徵。(2)直接以機械位移或旋轉方式改變FSS金屬圖案單元的形狀或排列方式，來達到改變其諧振特徵的目的。(3)利用有機半導體、液晶分子、離子液體等來調整基板的介電常數或折射率，使FSS的諧振頻率產生改變。其中以第1種途徑具有較好的研究基礎。
對FSS而言，良好的電場-自由電子動能轉換率，相當於不良的穿透率，因為入射波電場已經被有效的轉換成感應電流。若將FSS基本偶極金屬圖形的長度L設定為電磁波波長λ，則這樣長度L的金屬圖形會使波長等於2 λ的電磁波被FSS金屬圖形中的自由電子吸收得最嚴重(相對於其他波長)，使得具2 λ波長之電磁波無法穿透。這就是FSS基本偶極pattern的工作原理。
近年來國內相關研究人員開始進行主動頻率選擇表面(AFSS)的研究發展。然而，要達成動態電控的AFSS功能，其中的半導體開關元件是不可或缺的。研究人員目前皆使用商用市售的PIN diode等元件。商用的RF開關元件一般而言是設計用於高頻收發系統中的電路，例如在手機或一般高頻儀器內做為開關使用。對於使用於AFSS而言，這些元件不論是在構型上或電性上，皆不盡理想，而在結構上由於需要另外銲接商用元件，所以無法達成平坦化要求，如第一圖的市售之 高頻開關元件與AFSS電路連接之實際照片所示，需要在電路基板銲接已封裝好之PIN diode，因此會有明顯突出。
因此，為了解決上述問題，本案申請人鑑於習知技術之缺失，研發出將AFSS連同高頻開關元件整體製作成一片薄膜之技術，在應用上會更具彈性，例如可直接貼附在載具或雷達罩的表面，減少施工的困難度。
鑒於上述悉知技術之缺點，本發明利用P型與N型薄膜材料製作出可調變主動頻率選擇表面(AFSS)諧振頻率之PN二極體開關元件，使得AFSS連同開關元件可整體製作成一片薄膜，不需要額外銲接開關元件即可達到主動調整頻率選擇面之功能。
FSS諧振頻率與金屬圖案長度有關。以FSS基本偶極金屬圖案來說，要想改變其諧振特徵，最好的方式就是改變金屬圖案長度的大小。如果要直接伸張/壓縮圖案長度，在工程上有一定的難度。有一種替代的方式，就是在兩段(不一定要等長)圖案之間跨接一個「可以動態改變導電性的材料(或元件)」，當此材料(或元件)導電性變大到接近金屬時，兩段金屬圖案可以看成是「一整段」；當此材料(或元件)導電性變小到接近絕緣體時，兩段金屬圖案還是視為兩段。本發明藉由此動態開關元件，可調變金屬圖案之等效長度，進而主動改變頻率選擇表面之諧振頻率，達到讓特定波長電磁波可通過或不通過 頻率選擇表面之目的。
本發明在製作可調變主動頻率選擇表面(AFSS)諧振頻率之開關元件，將P型與N型薄膜二極體貼合於AFSS電路上，如此將使得開關元件與AFSS電路整合成一片薄膜，解決一般市售商用二極體需要額外銲接，且銲接後會造成結構明顯突起的問題。請參閱第二圖，為本發明實施例之PN二極體開關元件與AFSS電路連接之實際照片，其電路基板上已鍍上PN二極體作為開關，與第一圖作比較，因本發明之PN二極體開關元件較薄且不需額外銲接，結構未有明顯突起之問題。
為了達上述目的，根據本發明所提出的方案，提供一種直接平貼式主動頻率選擇表面開關元件之製作方法，步驟包括：(A)提供一介電基板，於該介電基板上製備一金屬導線；(B)於該金屬導線製作一開口以露出該基板；(C)於該開口一端之外圍至該開口一端之底部製備一高功函數金屬層，該開口另一端之底部則維持露出該基板；(D)於該高功函數金屬層之上表面及其面向該開口另一端之側面製備一P型材料層，該開口另一端之底部則繼續維持露出該基板；(E)於該P型材料層之上表面及其面向該開口另一端之側面製備一N型材料層，該開口另一端之底部則繼續維持露出該基板；(F)於該N型材料層之上表面至該開口另一端之外圍製備一低功函數金屬層，使該低功函數金屬層橫跨至該開口之另一端，與該N型材料層、該開口另一端底部露出之基板及該金屬導線相互 接觸，形成一主動頻率選擇表面之PN二極體開關元件。
上述中，該介電基板之材質為電絕緣材料或半導體材料；其中，該介電基板可為矽基板或FR4玻纖環氧基板。
上述中，該金屬導線可為銅導線、鋁導線或銀導線其中之一。本發明可進一步於該基板上鍍上或雕刻出金屬導線所形成之高頻電路。
上述中，該高功函數金屬可為鉑(Pt)、鎳(Ni)、金(Au)、鈷(Co)或銥(Ir)其中之一。該P型材料可為NiOx、SnOx、CuCrCaOx或CuAlO2其中之一。該N型材料可為摻雜或未摻雜之ZnO。該低功函數金屬可為鈦(Ti)、鋁(Al)、鋅(Zn)、錫(Sn)、錳(Mn)、鐵(Fe)、釕(Ru)、銦(In)、銅(Cu)、鉻(Cr)、銀(Ag)或鉛(Pb)其中之一。
上述中，該高功函數金屬層係與P型材料層形成歐姆接觸；該低功函數金屬層係與N型材料層形成歐姆接觸。
上述中，該高功函數金屬層之厚度可為50nm~100nm，該低功函數金屬層之厚度可為100nm~200nm，該P型材料層或該N型材料層之厚度可為50nm~100nm。
本發明進一步提供一種直接平貼式主動頻率選擇表面開關元件，該開關元件係以上述之製作方法製作而成。
本發明提出之平貼式薄膜二極體開關元件，採階梯式鍍膜方法製作各層材料，非一般平面堆疊鍍膜方式，故不需額外從元件上方之低功函數金屬層打線連接至高頻電路導 線，可避免打線處焊接不良與界面問題。此外，本發明之製作方法可將PN薄膜二極體作為一種AFSS電路的開關元件，並可直接平貼於AFSS電路表面，將有效解決先前技術之銲接與結構突出之問題，使得在應用上會更具彈性，例如可直接貼附在載具或雷達罩的表面，減少施工的困難度。
本發明所製作之平貼式薄膜二極體開關元件，利用外加偏壓導通PN二極體來開啟通路，並在無外加偏壓的狀況下形成斷路；藉由此開關元件，可調變金屬圖案之等效長度，進而改變主動頻率選擇表面之諧振頻率，達到讓特定波長電磁波可通過或不通過頻率選擇表面之目的。本發明提出之平貼式薄膜二極體開關元件可應用在大於6GHz之主動頻率選擇表面(AFSS)系統與模組。
以上之概述與接下來的詳細說明及附圖，皆是為了能進一步說明本發明達到預定目的所採取的方式、手段及功效。而有關本發明的其他目的及優點，將在後續的說明及圖式中加以闡述。
S101-S106‧‧‧步驟
1‧‧‧介電基板
2‧‧‧金屬導線
3‧‧‧金屬導線之開口
4‧‧‧高功函數金屬層
5‧‧‧P型材料層
6‧‧‧N型材料層
7‧‧‧低功函數金屬層
第一圖係為市售之高頻開關元件與AFSS電路連接之實際照片(先前技術)；第二圖係為本發明實施例之PN二極體開關元件與AFSS電路連接之實際照片；第三圖係為本發明直接平貼式主動頻率選擇表 面之開關元件之製作方法流程圖；第四圖係為本發明直接平貼式主動頻率選擇表面之開關元件與其製作方法流程示意圖；第五圖係為本發明實施例PN二極體開關元件在輸入高頻訊號後的實測結果。
以下係藉由特定的具體實例說明本發明之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本發明之優點及功效。
請參閱第三圖，為本發明直接平貼式主動頻率選擇表面之開關元件之製作方法流程圖。如圖所示，本發明直接平貼式主動頻率選擇表面之開關元件之製作方法，步驟包括：(A)提供一介電基板，於該介電基板上製備一金屬導線S101；(B)於該金屬導線製作一開口以露出該基板S102；(C)於該開口一端之外圍至該開口一端之底部製備一高功函數金屬層，該開口另一端之底部則維持露出該基板S103；(D)於該高功函數金屬層之上表面及其面向該開口另一端之側面製備一P型材料層，該開口另一端之底部則繼續維持露出該基板S104；(E)於該P型材料層之上表面及其面向該開口另一端之側面製備一N型材料層，該開口另一端之底部則繼續維持露出該基板S105；(F)於該N型材料層之上表面至該開口另一端之外圍製備一低功函數金屬層，使該低功函數金屬層橫跨至該開口之另 一端，與該N型材料層、該開口另一端底部露出之基板及該金屬導線相互接觸，形成一主動頻率選擇表面之PN二極體開關元件S106。
本發明進一步提供一種直接平貼式主動頻率選擇表面開關元件，該開關元件係以上述之製作方法製備而成。請參閱第四圖，為本發明直接平貼式主動頻率選擇表面之開關元件之製作方法流程示意圖。如圖所示，本發明之一種直接平貼式主動頻率選擇表面之開關元件包含介電基板1、金屬導線2、金屬導線之開口3、高功函數金屬層4、P型材料層5、N型材料層6、低功函數金屬層7。其中，金屬導線2中間留下開口3以裝設開關元件，高功函數金屬層4係與P型材料層5形成歐姆接觸，低功函數金屬層7係與N型材料層6形成歐姆接觸。
實施例：
於此實施例中，首先提供一介電基板，於該介電基板上製備一銅導線，並預留一開口；接著於該開口一端之外圍至該開口一端之底部濺鍍一高功函數金屬層Pt層，該Pt層厚度為70nm，該開口另一端之底部則維持露出該基板；接著於該Pt層之上表面及其面向該開口另一端之側面濺鍍一厚度為100nm之P型材料層NiO層(濺鍍條件：100W、O2：10SCCM、工作壓力：3mtorr)，該開口另一端之底部則繼續維持露出該基板；接著於該NiO層之上表面及其面向該開口另一端之側面濺鍍一厚度為100nm之N型材料層ZnO層(濺鍍條件：100W，Ar：7 SCCM，O2：3SCCM，工作壓力：5mtorr)，該開口另一端之底部則繼續維持露出該基板；接著於該ZnO層之上表面至該開口另一端之外圍製備一厚度為200nm之低功函數金屬層Al層，使該低功函數金屬層橫跨至該開口之另一端，與該N型材料層、該開口另一端底部露出之基板及該金屬導線相互接觸，形成一主動頻率選擇表面之PN二極體開關元件。
請參閱第五圖，為本發明實施例PN二極體開關元件在輸入高頻訊號後的實測結果，於該PN二極體開關元件兩端接上網路分析儀，並量測高頻訊號從中傳導的響應。如圖所示，可明顯看出，當二極體未開啟時，即偏壓為0V時，接近斷路狀態，則傳遞訊號強度損失S21接近完全開路的original狀況(未貼合二極體，兩段電路之間留有間隙，完全不導通)；若二極體開啟，即偏壓為10V時，接近短路狀態，則傳遞訊號強度損失S21的衰減程度較少，接近0db完全導通的狀態。因此，如第五圖所示，證實本案實施例已製備出一種不需要額外銲接開關元件即可達到主動調整頻率選擇面之薄膜二極體元件，利用外加偏壓導通PN二極體來開啟通路，並在無外加偏壓的狀況下形成斷路。藉由此開關元件功效，可調變金屬圖案之等效長度，進而改變主動頻率選擇表面之諧振頻率，達到讓特定波長電磁波可通過或不通過頻率選擇表面之目的。
本發明之一種直接平貼式主動頻率選擇表面之開關元件與其製作方法，採階梯式鍍膜方法製作各層材料，利 用P型與N型薄膜材料製作出可調變主動頻率選擇表面(AFSS)諧振頻率之PN二極體開關元件，使得AFSS連同開關元件可整體製作成一片薄膜，並可調變金屬圖案之等效長度，可利於後續加工及設計。本發明所製作的直接平貼式主動頻率選擇表面之開關元件，不需額外從元件上方之低功函數金屬層打線連接至高頻電路導線，且可應用在大於6GHz之主動頻率選擇表面(AFSS)系統與模組，使其在未來的應用領域更加寬廣。
上述之實施例僅為例示性說明本發明之特點及功效，非用以限制本發明之實質技術內容的範圍。任何熟悉此技藝之人士均可在不違背發明之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與變化。因此，本發明之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。
1‧‧‧介電基板
2‧‧‧金屬導線
3‧‧‧金屬導線之開口
4‧‧‧高功函數金屬層
5‧‧‧P型材料層
6‧‧‧N型材料層
7‧‧‧低功函數金屬層

Claims (10)

  1. 一種直接平貼式主動頻率選擇表面開關元件之製作方法，步驟包括：(A)提供一介電基板，於該介電基板上製備一金屬導線；(B)於該金屬導線製作一開口以露出該基板；(C)於該開口一端之外圍至該開口一端之底部濺鍍一高功函數金屬層，該開口另一端之底部則維持露出該基板；(D)於該高功函數金屬層之上表面及其面向該開口另一端之側面製備一P型材料層，該開口另一端之底部則繼續維持露出該基板；(E)於該P型材料層之上表面及其面向該開口另一端之側面製備一N型材料層，該開口另一端之底部則繼續維持露出該基板；(F)於該N型材料層之上表面至該開口另一端之外圍濺鍍一低功函數金屬層，使該低功函數金屬層橫跨至該開口之另一端，與該N型材料層、該開口另一端底部露出之基板及該金屬導線相互接觸，形成一主動頻率選擇表面之PN二極體開關元件。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之直接平貼式主動頻率選擇表面開關元件之製作方法，其中，該介電基板之材質為電絕緣材料或半導體材料。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之直接平貼式主動頻率選擇表面開關元件之製作方法，其中，該介電基板為矽基板或FR4玻纖環氧基板。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之直接平貼式主動頻率選擇表面開關元件之製作方法，其中，該金屬導線為銅導線、鋁導線或銀導線其中之一。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之直接平貼式主動頻率選擇表面開關元件之製作方法，其中，該高功函數金屬為鉑(Pt)、鎳(Ni)、金(Au)、鈷(Co)或銥(Ir)其中之一。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之直接平貼式主動頻率選擇表面開關元件之製作方法，其中，該P型材料為NiOx、SnOx、CuCrCaOx或CuAlO2其中之一。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之直接平貼式主動頻率選擇表面開關元件之製作方法，其中，該N型材料為摻雜或未摻雜之ZnO。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之直接平貼式主動頻率選擇表面開關元件之製作方法，其中，該低功函數金屬為鈦(Ti)、鋁(Al)、鋅(Zn)、錫(Sn)、錳(Mn)、鐵(Fe)、釕(Ru)、銦(In)、銅(Cu)、鉻(Cr)、銀(Ag)或鉛(Pb)其中之一。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之直接平貼式主動頻率選擇表面開關元件之製作方法，其中，該高功函數金屬層之厚度 為50nm~100nm，該低功函數金屬層之厚度為100nm~200nm，該P型材料層或該N型材料層之厚度為50nm~100nm。
  10. 一種直接平貼式主動頻率選擇表面開關元件，係以如申請專利範圍第1項至第9項中任一項之製作方法製備而成。
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