一种通孔接地式相变射频开关及其制备方法

本发明属于微波开关器件，更具体地，涉及一种通孔接地式相变射频开关及其制备方法。

背景技术：

1、射频开关可控制信号的通断和通信信道的转换，在相控阵雷达、卫星通讯、电子对抗系统和移动通信系统中都有着非常广泛的应用。常用的射频开关主要有pin二极管开关、fet场效应晶体管开关和rf-mems开关等。但都存在着一些缺陷，fet场效应晶体管开关容易出现失真和电压击穿，rf-mems工艺复杂、功耗大、良品率低。相较于pin开关和fet晶体管开关，相变射频开关的开态电阻更小，插入损耗相对较低，且适用于高频电路；相较于rf-mems开关，相变射频开关具有开关速度快、体积小、寿命长、结构简单、易与cmos集成以及易封装的优点。

2、随着时代的发展和进步，无线通信系统、雷达和卫星等都对相变射频开关提出了更高的要求。现有的相变射频开关在高频情况下，信号在传输过程种会遭受更多的损失，造成传输失败或不准确；且当频率增加时，开关表现出更明显的非线性特性，导致不稳定性和信号失真等问题，适用频段较低。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种通孔接地式相变射频开关，用以解决现有的相变射频开关适用频段较低的技术问题。

2、为了实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种两端通孔接地式相变射频开关，包括：接地电极、接地通孔电极，以及从下向上依次堆叠的背面接地金属层、衬底、衬底隔离层、相变材料层和射频传输电极层；

3、射频传输电极层包括位于同一平面的两个射频传输电极，且两个射频传输电极的尖端通过相变材料层相连；

4、接地电极位于射频传输电极层中心导带两侧；

5、接地通孔电极贯穿衬底和衬底隔离层，并连接背面接地金属层和接地电极。

6、进一步优选地，接地通孔电极位于接地电极靠近射频传输电极层中心导带的一侧与接地电极的中轴线之间。

7、进一步优选地，接地通孔电极的孔径小于接地电极宽度的二分之一。

8、进一步优选地，衬底隔离层为上表面中心区域减薄后的衬底隔离层；相变材料层嵌于衬底隔离层的减薄区域位置处，且相变材料层与衬底隔离层的上表面相平。

9、进一步优选地，上述两端通孔接地式相变射频开关，还包括位于射频传输电极层上方的钝化层；钝化层覆盖两个射频传输电极的尖端以及相变材料层。

10、第二方面，本发明提供了上述两端通孔接地式相变射频开关的制备方法，包括：

11、s11、在衬底上制备衬底隔离层；

12、s12、在衬底隔离层上制备相变材料层；

13、s13、在相变材料层上制备射频传输电极层，并在射频传输电极层中心导带两侧制备接地电极；

14、s14、制备贯穿衬底和衬底隔离层的接地通孔电极，并在衬底背面制备背面接地金属层，从而得到两端通孔接地式相变射频开关。

15、进一步优选地，上述步骤s12包括：

16、s121、对衬底隔离层的上表面中心区域进行减薄；

17、s122、在减薄区域位置处填充相变材料，得到相变材料层，并采用cmp工艺使相变材料层与衬底隔离层的上表面相平。

18、第三方面，本发明提供了一种四端通孔接地式相变射频开关，包括：接地电极、接地通孔电极以及从下向上依次堆叠的背面接地金属层、衬底、衬底隔离层、加热层、电隔离层、相变材料层和射频传输电极层；

19、其中，加热层包括：微加热器以及与微加热器相连两个加热电极；微加热器位于相变材料层的正下方，且被电隔离层完全覆盖；

20、射频传输电极层包括位于同一平面的两个射频传输电极，且两个射频传输电极的尖端通过相变材料层相连；

21、接地电极位于射频传输电极层中心导带两侧；

22、接地通孔电极贯穿衬底和衬底隔离层，并连接背面接地金属层和接地电极。

23、进一步优选地，接地通孔电极位于接地电极靠近射频传输电极层中心导带的一侧与接地电极的中轴线之间；接地通孔电极的孔径小于接地电极宽度的二分之一。

24、进一步优选地，衬底隔离层为上表面中心区域减薄后的衬底隔离层；微加热器嵌于衬底隔离层的减薄区域位置处，且微加热器与衬底隔离层的上表面相平。

25、进一步优选地，上述四端通孔接地式相变射频开关，还包括位于射频传输电极层上方的钝化层；钝化层覆盖两个射频传输电极的尖端以及相变材料层。

26、第四方面，本发明提供了上述四端通孔接地式相变射频开关的制备方法，包括：

27、s21、在衬底上制备衬底隔离层；

28、s22、在衬底隔离层上制备加热层；其中，加热层包括：微加热器和与微加热器相连两个加热电极；

29、s23、在加热层上制备完全覆盖微加热器的电隔离层；

30、s24、在电隔离层上制备相变材料层；

31、s25、在相变材料层上制备射频传输电极层，并在射频传输电极层中心导带两侧制备接地电极；

32、s26、制备贯穿衬底和衬底隔离层的接地通孔电极，并在衬底背面制备背面接地金属层，使接地通孔电极连接背面接地金属层和接地电极，从而得到四端通孔接地式相变射频开关。

33、进一步优选地，上述步骤s22包括：

34、s221、对衬底隔离层的上表面中心区域进行减薄；

35、s222、在减薄区域处填充微加热器材料，得到微加热器，并采用cmp工艺使微加热器与衬底隔离层的上表面相平，然后制备与微加热器相连两个加热电极，得到加热层。

36、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

37、1、在本发明所提供的两端通孔接地式相变射频开关和四端通孔接地式相变射频开关中，采用接地通孔电极连接背面接地金属层和接地电极，通孔电极可以很好地等效为金属壁，从而使得部分电磁场被束缚在通孔电极之间，进而减小了辐射损耗和对邻近传输线的干扰，同时提高了有效介电常数，降低了特性阻抗；基于此，本发明能够有效地改善了相变射频开关的导通电阻和断开电容，适用频段较高。

38、2、进一步地，在本发明所提供的两端通孔接地式相变射频开关和四端通孔接地式相变射频开关中，接地通孔电极位于接地电极靠近射频传输电极层中心导带的一侧与接地电极的中轴线之间，从而使得接地通孔电极可以更好地等效为金属壁。

39、3、进一步地，在本发明所提供的两端通孔接地式相变射频开关和四端通孔接地式相变射频开关中，接地通孔电极本身存在寄生效应，其工作频率越高，寄生效应对其工作性能的影响越大；与此同时，在设计中通孔的孔径越小，其寄生效应越小，对产品性能所产生的影响也就越小，且通孔越大，对于介质等效介电常数等电学参数有一定影响。因此，本发明接地通孔电极的孔径小于接地电极宽度的二分之一，以平衡寄生效应和工艺成本之间的矛盾。

40、4、进一步地，在本发明所提供的两端通孔接地式相变射频开关和四端通孔接地式相变射频开关中，还包括位于射频传输电极层上方的钝化层，以隔绝相变材料层与外部环境的接触，提高制热效率。

41、5、进一步地，本发明所提供的两端通孔接地式相变射频开关，衬底隔离层为上表面中心区域减薄后的衬底隔离层；相变材料层嵌于衬底隔离层的减薄区域位置处，且相变材料层与衬底隔离层的上表面相平，从而减小了相变材料层和射频电极阶梯差，进而解决了现有相变射频开关因应力变化所引起的裂纹问题，提高了相变开关的可靠性。

42、6、进一步地，本发明所提供的四端通孔接地式相变射频开关，衬底隔离层为上表面中心区域减薄后的衬底隔离层；微加热器嵌于衬底隔离层的减薄区域位置处，且微加热器与衬底隔离层的上表面相平，从而减小了相变材料和射频电极阶梯差，解决现有相变射频开关因应力变化所引起的裂纹问题，提高了相变开关的可靠性。