TaN薄膜材料及微波功率薄膜电阻器研究

2020-12-10阅读(994)

论文摘要

作为射频与微波系统的重要组件—微波功率薄膜电阻器可广泛应用于雷达、通讯、电子对抗等领域。本文主要开展了三个方面的工作:材料方面,采用反应直流磁控溅射技术制备TaN薄膜材料,主要研究了氮流量、薄膜厚度、Al掺杂和TaN/Al多层膜结构的工艺条件对TaN薄膜微结构和电性能的影响;在微波功率薄膜电阻器方面,由有耗传输线理论建立了微波功率薄膜电阻器的等效电路模型,采用HFSS软件设计、仿真了系列微波功率薄膜电阻器的结构尺寸和性能;器件制备方面,采用反应直流磁控溅射和掩膜图形化技术制备了系列TaN微波功率薄膜电阻器,验证设计仿真结果。通过从材料制备、器件设计和仿真以及器件制备的系统研究,得到如下几方面的结论:在材料制备方面,对于TaN薄膜,随氮流量的增加,薄膜的电阻率和TCR绝对值都逐渐增大,当氮流量从2%增加到6%,薄膜电阻率从约350μ?·cm增加到1030μ?·cm,TCR绝对值从30 ppm/℃增大到750 ppm/℃。当氮流量小于5%时,TaN薄膜中主要含低TCR的Ta2N相,当氮流量高于5%时,TaN薄膜中主要含高TCR的富氮相。薄膜厚度显著影响TaN薄膜的电学性质,随薄膜厚度的增加,薄膜的电阻率和绝对值TCR都减小,当薄膜厚度从30nm增加到280 nm时,TaN薄膜电阻率从519μ?·cm减小到210μ?·cm,TCR绝对值从150 ppm/℃减小到30 ppm/℃;对于Al掺杂的TaN薄膜,随Al/Ta面积比的增加,薄膜的电阻率和TCR绝对值都逐渐增大,当Al/Ta面积比从0%增加到30%,薄膜的电阻率从250μ?·cm增大到2560μ?·cm,TCR绝对值从12 ppm/℃增大到270 ppm/℃,与未掺杂的TaN薄膜相比,其电阻率可调范围显著增大,而TCR并没有显著地恶化;对于TaN/Al多层膜,随氮流量的增加,薄膜的电阻率和TCR绝对值都逐渐增大,当氮流量从2%增加到6%,薄膜的电阻率640μ?·cm增大到1170μ?·cm,TCR从50 ppm/℃增大到350 ppm/℃,与未掺杂的TaN薄膜相比,其电阻率可调范围更宽。在微波功率薄膜电阻器设计和仿真方面,根据有耗传输理论建立了微波功率薄膜电阻器的等效电路模型,采用HFSS软件设计仿真了100W(DC～6GHz)、300W(DC～1.5GHz)、500W(DC～2GHz)、800W(DC～1GHz)的系列微波功率薄膜电阻器的结构和性能,获得了四个电阻器的结构与尺寸,且每个电阻器在各自频率范围内的驻波比均小于1.2。在TaN微波功率薄膜电阻器制备和测试方面,根据设计仿真结果,采用反应直流磁控溅射技术和掩膜图形化技术制备了系列TaN微波功率薄膜电阻器,所制备的系列微波功率薄膜电阻器的TCR绝对值均小于100 ppm/℃,在满功率测试期间电阻器表面温度均在120℃以下,在功率负载测试前后电阻器阻值变化均在3%以内,在设计的频率范围内微波功率薄膜电阻器的电压驻波比均小于1.2,测试结果与设计结果相一致。

论文目录

摘要

ABSTRACT

第一章绪论

1.1 研究的目的和意义

1.2 TaN薄膜材料及微波功率电阻器的简介

1.3 国内外研究动态

1.3.1 国外TaN薄膜材料及微波功率电阻器研究进展

1.3.2 国内TaN薄膜材料及微波功率电阻器研究进展

1.4 选题依据与研究内容

1.4.1 选题依据

1.4.2 研究内容

第二章 TaN薄膜制备及性能研究

2.1 TaN薄膜的制备方法及分析测试简介

2.1.1 TaN薄膜的制备方法简介

2.1.2 TaN薄膜的性能测试

2.2 氮流量对TaN薄膜的微结构和性能的影响

2.2.1 TaN薄膜的表面形貌

2.2.2 氮流量对TaN薄膜成分的影响

2.2.3 氮流量对TaN薄膜厚度的影响

2.2.4 氮流量对TaN薄膜相结构的影响

2.2.5 氮流量对TaN薄膜方阻和电阻率的影响

2.2.6 氮流量对TaN薄膜TCR的影响

2.3 厚度对TaN薄膜结构和性能的影响

2.3.1 厚度对TaN薄膜相结构的影响

2.3.2 厚度对TaN薄膜方阻和TCR的影响

2.4 掺Al对TaN薄膜微结构及电性能的影响

2.4.1 掺Al的TaN薄膜的表面形貌

2.4.2 Al/Ta面积比对TaN薄膜的相结构的影响

2.4.3 Al/Ta面积比对TaN薄膜厚度的影响

2.4.4 Al/Ta面积比对TaN薄膜电阻率的影响

2.4.5 Al/Ta面积比对TaN薄膜TCR的影响

2.5 TaN/Al多层薄膜的微结构及电性能

2.5.1 TaN/Al多层薄膜的表面形貌

2.5.2 氮流量对TaN/Al多层薄膜结构的影响

2.5.3 氮流量对TaN/Al多层薄膜电阻率的影响

2.5.4 氮流量对TaN/Al多层薄膜TCR的影响

2.6 本章小结

第三章 TaN微波功率薄膜电阻器的设计与仿真

3.1 微波功率薄膜电阻器模型的建立

3.2 功率负载与薄膜电阻器微波性能的关系

3.3 微波功率薄膜电阻器常用电极结构

3.4 微波功率薄膜电阻器的设计与仿真

3.4.1 微波功率薄膜电阻器的设计与仿真方法

3.4.2 微波功率薄膜电阻器的设计与仿真结果

3.5 小结

第四章 TaN微波功率薄膜电阻器的制备及性能测试

4.1 TaN微波功率薄膜电阻器的制备

4.2 TaN微波功率薄膜电阻器的性能测试

4.2.1 TaN微波功率薄膜电阻器的功率和TCR测试

4.2.2 TaN微波功率薄膜电阻器的频率测试

4.3 小结

第五章结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果

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