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低损耗新型硅基厚膜材料及其在射频/微波器件中的应用

龙永福  
【摘要】: 近年来,硅基单片微波集成电路(MMIC)设计已经变成一个非常重要研究课题。对硅基有源器件,如MOSFET’s和BJT’s等,通过改进工艺技术,可以得到很高的特征频率f_T和振荡频率f_(max)性能,能够满足射频/微波应用的要求。然而,由于低阻硅衬底的高频损耗,在射频/微波应用中,要在低阻硅衬底上实现高Q值的无源器件,尤其是电感,是相当困难的。 为了提高硅基无源器件的射频/微波特性,已经提出了许多方法,其中包括:使用高电阻率(≥3000Ω.cm)的硅衬底来获得与低损耗的半绝缘GaAs材料相似的性能,但在高阻硅衬底上采用现有的CMOS工艺不能实现有源电路;将无源器件下的低阻硅衬底腐蚀成小槽,可以消除低阻硅衬底带来的不良影响,但同时腐蚀增加了工艺成本,而且加工难度较大;使用离子注入技术将低阻硅的晶格错位形成一高阻层,可以减少低阻硅衬底的损耗,但其工艺非常复杂;还有诸如插入一层厚介质膜,如多层膜、聚酰亚胺(Polyimide)以及二氧化硅膜等高阻材料。以上方法基本是集中在改善低阻硅衬底的传导和降低损耗,来改善射频/微波无源器件的性能,但这些方法均存在许多不同程度的缺陷。 本论文主要的研究内容分为两个方面:其一是厚度可控的与IC工艺兼容的多孔硅膜的形成技术研究;其二是研究在多孔硅/氧化多孔硅介质膜上制备无源器件的微波低损耗特性之可行性。 已经取得的研究成果有: A、论文采用氧化多孔硅作为单片微波集成电路中无源器件低损耗、低介电常数的介质膜,研究开发了厚度达500μm多孔硅的制备技术。 B、论文得到了多孔硅形成速度的定量表达式,在实验误差的范围里,理论值与实验值吻合得很好。 C、论文首次提出使用过氧化氢后处理多孔硅厚膜工艺。在乙醇、氢氟酸、过氧化氢溶液中,多孔硅样片做阴极施加电流密度为10mA/cm~2,实验获得了稳定 性好、表面光滑及机械特性良好的多孔硅厚膜。XRD光谱显示在2口=32.620出 现了一个小峰,揭示了经过过氧化氢后处理后多孔硅表面形成了一层二氧化硅 (l 10刀)脱,从而提高了多孔硅厚膜的稳定性。 D、论文成功地使用阳极电化学腐蚀制备了直径为2英寸、厚度达 500四的体多孔硅厚膜,其电阻率达10,只cm。SEM形貌图显示多孔硅厚膜 表面的光滑度良好、微间距仅为约20nm。 E、论文研究了以在低阻硅(0 .01只cn:)_L生长的多孔硅/氧化多孔硅厚 膜为衬底制备的共平面波导(CPW)的微波插入损耗特性,其介质膜的厚度 分别是10脚和70脚。实验测量了制备在氧化多孔硅上的共平面波导的微 波特性,证明氧化多孔硅介质膜极大地改善了CPW的微波传输特性;得 到了CPW的插入损耗为7dB/。m。初步研究了制备于多孔硅介质膜__L级联式 MEMS相移器的传输特性。在硅基高频IC应用中,多孔硅/氧化多孔硅厚膜 将是一种非常有吸引力的介质膜。


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