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CN106785336A - 具备SiO2保护层的频率可重构全息天线的制备方法 - Google Patents

具备SiO2保护层的频率可重构全息天线的制备方法 Download PDF

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CN106785336A
CN106785336A CN201611187761.8A CN201611187761A CN106785336A CN 106785336 A CN106785336 A CN 106785336A CN 201611187761 A CN201611187761 A CN 201611187761A CN 106785336 A CN106785336 A CN 106785336A
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CN
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antenna
state plasma
preparation
plasma pin
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CN201611187761.8A
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胡辉勇
王斌
苗渊浩
张鹤鸣
苏汉
郝敏如
宣荣喜
舒斌
宋建军
康海燕
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Xidian University
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Xidian University
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Abstract

本发明涉及一种具备SiO2保护层的频率可重构全息天线的制备方法，所述全息天线包括SOI衬底、第一天线臂、第二天线臂及全息圆环；其中，所述制备方法包括：选取SOI衬底；制备具备SiO2保护层的固态等离子体PiN二极管；所述固态等离子体PiN二极管依次首尾相连构成固态等离子体PiN二极管串；由多段所述固态等离子体PiN二极管串组成所述第一天线臂、第二天线臂及全息圆环；制作所述直流偏置线和同轴馈线；以形成所述可重构全息天线。本发明制备的全息天线体积小、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，易于组阵，可用作相控阵天线的基本组成单元。

Description

具备SiO2保护层的频率可重构全息天线的制备方法
技术领域
本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种具备SiO2保护层的频率可重构全息天线的制备方法。
背景技术
可重构天线的概念提出于20世纪60年代。可重构是指多天线阵列中各阵元之间的关系是可以根据实际情况灵活可变的，而非固定的。它主要是通过调整状态可变器件，实现天线性能的可重构。可重构天线按功能可分为频率可重构天线(包括实现宽频带和实现多频带)、方向图可重构天线、极化可重构天线和多电磁参数可重构天线。通过改变可重构天线的结构可以使天线的频率、波瓣图、极化方式等多种参数中的一种或几种实现重构，因其具有体积小、功能多、易于实现分集应用的优点，已经成为研究热点。
全息天线由源天线和全息结构组成。结合实际需求，选择适当的天线作为源天线，通过加载全息结构来改变馈源的辐射，以获得所需的目标天线的辐射特性，通过给定的电磁波辐射的干涉图进而推算天线结构。与传统的反射面天线相比，全息结构具有灵活的构建形式，便于和应用环境一体设计，应用范围很广泛。
因此，如何制作高性能的频率可重构全息天线，尤其是利用半导体工艺来进行制作，就变得非常有意义。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种具备SiO2保护层的频率可重构全息天线的制备方法。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具备SiO2保护层的频率可重构全息天线的制备方法，所述全息天线包括SOI衬底、第一天线臂、第二天线臂及全息圆环；其中，所述制备方法包括：
选取SOI衬底；刻蚀所述SOI衬底形成有源区沟槽；
对所述有源区沟槽分别淀积P型Si材料和N型Si材料形成P区和N区；光刻引线孔并金属化处理以形成所述具备SiO2保护层的固态等离子体PiN二极管；
所述固态等离子体PiN二极管依次首尾相连构成固态等离子体PiN二极管串；
由多段所述固态等离子体PiN二极管串组成所述第一天线臂、第二天线臂及全息圆环；
制作所述直流偏置线和同轴馈线；以形成所述可重构全息天线。
在本发明的一个实施例中，选取SOI衬底；刻蚀所述SOI衬底形成有源区沟槽，包括：
利用CVD工艺，在所述SOI衬底表面形成第一保护层；
采用第一掩膜版，利用光刻工艺在所述第一保护层上形成有源区图形；
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第一保护层及所述SOI衬底顶层Si层从而形成有所述有源区沟槽。
在本发明的一个实施例中，对所述有源区沟槽分别淀积P型Si材料和N型Si材料形成P区和N区，包括：
在整个衬底表面淀积第二保护层；采用第二掩膜板，利用光刻工艺在所述第二保护层表面形成P区图形；
利用湿法刻蚀工艺去除P区图形上的所述第二保护层；
利用原位掺杂工艺，在所述有源区沟槽内淀积P型Si材料形成所述P区；
在整个衬底表面淀积第三保护层；采用第三掩膜板，利用光刻工艺在所述第三保护层表面形成N区图形；
利用湿法刻蚀工艺去除N区图形上的所述第三保护层；利用原位掺杂工艺，在所述有源区沟槽内淀积N型Si材料形成所述N区。
在本发明的一个实施例中，所述的制备方法还应包括：
在整个衬底表面生成SiO2材料；利用退火工艺激活所述P型有源区及所述N型有源区中的杂质。
在本发明的一个实施例中，所述全息圆环为由八段等长的具备SiO2保护层的固态等离子体PiN二极管串排列形成正八边形结构，其中，所述正八边形的边长与所述第一天线臂和所述第二天线臂长度之和相同。
其中，所述正八边形的外接圆的半径为所述天线接收或发送的电磁波波长的四分之三。
在本发明的一个实施例中，所述第一天线臂和所述第二天线臂沿所述同轴馈线轴对称分布且包括相同数量的具备SiO2保护层的固态等离子体PiN二极管串。
在本发明的一个实施例中，还包括制作于所述SOI衬底的直流偏置线；所述直流偏置线间隔性的电连接至所述具备SiO2保护层的固态等离子体PiN二极管串两端；所述直流偏置线采用化学气相淀积的方法制作于所述SOI衬底上，其材料为铜、铝或经过掺杂的多晶硅中的任意一种。
在本发明的一个实施例中，所述第一天线臂和所述第二天线臂的导通长度根据预接收或发送的电磁波波长所确定。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
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、采用固态等离子体PiN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。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种具备SiO2保护层的频率可重构全息天线的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种具备SiO2保护层的频率可重构全息天线的制备方法示意图；
图3a-图3r为本发明实施例的一种具备SiO2保护层的固态等离子体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具备SiO2保护层的固态等离子体PiN二极管的结构示意图。
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具备SiO2保护层的频率可重构全息天线的制备方法，所述全息天线包括SOI衬底(1)、第一天线臂(2)、第二天线臂(3及全息圆环(14)；请参见图2，图2为所述制备方法流程图，包括：
选取SOI衬底；刻蚀所述SOI衬底形成有源区沟槽；
对所述有源区沟槽分别淀积P型Si材料和N型Si材料形成P区和N区；光刻引线孔并金属化处理以形成所述具备SiO2保护层的固态等离子体PiN二极管；
所述固态等离子体PiN二极管依次首尾相连构成固态等离子体PiN二极管串；
由多段所述固态等离子体PiN二极管串组成所述第一天线臂、第二天线臂及全息圆环；
制作所述直流偏置线和同轴馈线(4)；以形成所述可重构全息天线。
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，而固态等离子体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作为固态等离子体PiN二极管的衬底。
在本发明的一个实施例中，选取SOI衬底(1)；刻蚀所述SOI衬底形成有源区沟槽，包括：
利用CVD工艺，在所述SOI衬底表面形成第一保护层；
采用第一掩膜版，利用光刻工艺在所述第一保护层上形成有源区图形；
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第一保护层及所述SOI衬底顶层Si层从而形成有所述有源区沟槽。
在本发明的一个实施例中，对所述有源区沟槽分别淀积P型Si材料和N型Si材料形成P区和N区，包括：
在整个衬底表面淀积第二保护层；采用第二掩膜板，利用光刻工艺在所述第二保护层表面形成P区图形；
利用湿法刻蚀工艺去除P区图形上的所述第二保护层；
利用原位掺杂工艺，在所述有源区沟槽内淀积P型Si材料形成所述P区；
在整个衬底表面淀积第三保护层；采用第三掩膜板，利用光刻工艺在所述第三保护层表面形成N区图形；
利用湿法刻蚀工艺去除N区图形上的所述第三保护层；利用原位掺杂工艺，在所述有源区沟槽内淀积N型Si材料形成所述N区。
需要说明的是：常规制作固态等离子体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，影响固态等离子体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。
在本发明的一个实施例中，所述的制备方法还应包括：
在整个衬底表面生成SiO2材料；利用退火工艺激活所述P型有源区及所述N型有源区中的杂质。
在本发明的一个实施例中，所述全息圆环(14)为由八段等长的具备SiO2保护层的固态等离子体PiN二极管串排列形成正八边形结构，其中，所述正八边形的边长与所述第一天线臂(2)和所述第二天线臂(3)长度之和相同。
其中，所述正八边形的外接圆的半径为所述天线接收或发送的电磁波波长的四分之三。
在本发明的一个实施例中，所述第一天线臂(2)和所述第二天线臂(3)沿所述同轴馈线(4)轴对称分布且包括相同数量的具备SiO2保护层的固态等离子体PiN二极管串。
在本发明的一个实施例中，请参考图1，所述全息天线还包括制作于所述SOI衬底(1)的直流偏置线(5、6、7、8、9、10、11、12)；所述直流偏置线(5、6、7、8、9、10、11、12)间隔性的电连接至具备SiO2保护层的固态等离子体PiN二极管串(w1、w2、w3、w4、w5、w6)两端；
所述直流偏置线(5、6、7、8、9、10、11、12)采用化学气相淀积的方法制作于所述SOI衬底(1)上，其材料为铜、铝或经过掺杂的多晶硅中的任意一种。
具体的，请参考图1，该天线的所述SOI衬底(1)的第一天线臂(2)的任意两段固态等离子体PiN二极管串之间的结合处及最外侧固态等离子体PiN二极管串的末端处分别与直流偏置线(7、8、9)的一端相连，直流偏置线(7、8、9)的另一端均可在与正电压相连状态或者悬空状态之间切换；第一天线臂(2)最内侧固态等离子体PiN二极管串靠近同轴馈线(4)的一端与直流偏置线(5)的一端相连，该直流偏置线(5)的另一端与负电压相连；
第二天线臂(3)的任意两段固态等离子体PiN二极管串之间的结合处及最外侧固态等离子体PiN二极管串的末端处分别与直流偏置线(10、11、12)的一端相连，直流偏置线(10、11、12)的另一端均可在与正电压相连状态或者悬空状态之间切换；第二天线臂(3)最内侧固态等离子体PiN二极管串靠近同轴馈线(4)的一端与直流偏置线(6)的一端相连，该直流偏置线(6)的另一端与负电压相连；构成全息圆环(14)的多个固态等离子体PiN二极管串(w7)的两端均分别通过直流偏置线与正电压和负电压相连。
在工作时，仅直流偏置线(7、12)与电源正极相连，或者，仅直流偏置线(8、11)与电源正极相连，或者，仅直流偏置线(9、10)与电源正极相连，以实现第一天线臂(2)和第二天线臂(3)的天线臂的导通长度一致。
进一步地，直流偏置线(5、6、7、8、9、10、11、12)用于对固态等离子体PiN二极管串施加直流偏置，同轴馈线(4)的内芯线和外导体(屏蔽层)分别焊接于固态等离子体PiN二极管偶极子天线臂的金属触片上且两处焊接点分别接有直流偏置线(5、6)作为公共负极；固态等离子体PiN二极管依次首尾相连构成固态等离子体PiN二极管串，在本实施例中，固态等离子体PiN二极管偶极子天线臂(2、3)均由三段固态等离子体PiN二极管串组成，每一个固态等离子体PiN二极管串都有直流偏置线外接电压正极，其中偶极子天线臂可由多段二极管串组成，本实施例中的天线臂由三段二极管串组成只是一种示例，具体所需二极管的段数应由实际所需的工作频段决定。
在本发明的一个实施例中，所述第一天线臂和所述第二天线臂的导通长度根据预接收或发送的电磁波波长所确定。
采用本实施方式的频率可重构等离子全息天线体积小、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。
实施例二
请参见图3a-图3r，图3a-图3r为本发明实施例的一种具有SiO2保护作用的固态等离子体PiN二极管的制备方法示意图，在上述实施例一的基础上，以制备沟道长度为22nm(固态等离子区域长度为100微米)的具有SiO2保护作用的固态等离子体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有源区301，俯视图请参见图3c-2。
S40、有源区四周平坦化处理。
请参见图3d-1，氧化所述有源区的四周侧壁以使所述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有源区的四周侧壁氧化层以完成所述有源区的四周侧壁平坦化，俯视图请参见2e2。
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、衬底表面平坦化。
请参见图3n，可以利用CMP的方法，去除所述衬底表面的氮化硅层和多晶硅，从而使衬底表面平整化。
S140、淀积二氧化硅。
请参见图3o，利用CVD方法在衬底表面淀积一层二氧化硅1501并将有源区沟槽填满。
S150、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。
S160、在P、N接触区光刻引线孔。
请参照图3p，在二氧化硅(SiO2)层上光刻引线孔1601。
S170、形成引线。
请参照图3q，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1701，光刻引线，并将引线连接。
S180、钝化处理，光刻PAD。
请参照图3r，可以通过淀积氮化硅(SiN)形成钝化层1801，光刻PAD。最终形成具备SiO2保护层的固态等离子体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为本发明实施例的具备SiO2保护层的固态等离子体PiN二极管的器件结构示意图。该固态等离子体PiN二极管采用上述如图3所示的制备方法制成。具体地，该固态等离子体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Si层302内。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种具备SiO2保护层的频率可重构全息天线的制备方法，其特征在于，所述全息天线包括SOI衬底、第一天线臂、第二天线臂及全息圆环；其中，所述制备方法包括：
选取SOI衬底；刻蚀所述SOI衬底形成有源区沟槽；
对所述有源区沟槽分别淀积P型Si材料和N型Si材料形成P区和N区；光刻引线孔并金属化处理以形成具备SiO2保护层的固态等离子体PiN二极管；
所述固态等离子体PiN二极管依次首尾相连构成固态等离子体PiN二极管串；
由多段所述固态等离子体PiN二极管串组成所述第一天线臂、第二天线臂及全息圆环；
制作所述直流偏置线和同轴馈线；以形成所述可重构全息天线。
2.如权利要求1所述的制备方法，选取SOI衬底；刻蚀所述SOI衬底形成有源区沟槽，其特征在于，包括：
利用CVD工艺，在所述SOI衬底表面形成第一保护层；
采用第一掩膜版，利用光刻工艺在所述第一保护层上形成有源区图形；
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第一保护层及所述SOI衬底顶层Si层从而形成有所述有源区沟槽。
3.如权利要求1所述的制备方法，对所述有源区沟槽分别淀积P型Si材料和N型Si材料形成P区和N区，其特征在于，包括：
在整个衬底表面淀积第二保护层；采用第二掩膜板，利用光刻工艺在所述第二保护层表面形成P区图形；
利用湿法刻蚀工艺去除P区图形上的所述第二保护层；
利用原位掺杂工艺，在所述有源区沟槽内淀积P型Si材料形成所述P区；
在整个衬底表面淀积第三保护层；采用第三掩膜板，利用光刻工艺在所述第三保护层表面形成N区图形；
利用湿法刻蚀工艺去除N区图形上的所述第三保护层；利用原位掺杂工艺，在所述有源区沟槽内淀积N型Si材料形成所述N区。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的制备方法还应包括：
在整个衬底表面生成SiO2材料；利用退火工艺激活所述P型有源区及所述N型有源区中的杂质。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述全息圆环为由八段等长的具备SiO2保护层的固态等离子体PiN二极管串排列形成正八边形结构，其中，所述正八边形的边长与所述第一天线臂和所述第二天线臂长度之和相同。
6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述正八边形的外接圆的半径为所述天线接收或发送的电磁波波长的四分之三。
7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第一天线臂和所述第二天线臂沿所述同轴馈线轴对称分布且包括相同数量的具备SiO2保护层的固态等离子体PiN二极管串。
8.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，还包括制作于所述SOI衬底的直流偏置线；所述直流偏置线间隔性的电连接至所述具备SiO2保护层的固态等离子体PiN二极管串两端；所述直流偏置线采用化学气相淀积的方法制作于所述SOI衬底上，其材料为铜、铝或经过掺杂的多晶硅中的任意一种。
9.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第一天线臂和所述第二天线臂的导通长度根据预接收或发送的电磁波波长所确定。
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