[发明专利]聚合物介电特性的特征化技术

说明书

本发明涉及用于聚合物薄膜特征化的测试结构；尤其涉及在施加的电场下，用于非线性光学(NLO)聚合物薄膜在宽频带范围和宽温度范围内的特征化的有效且高效率的测试结构。

聚合物薄膜因其易加工性，低光学和微波损失及低成本，引起了光学和光子学应用的关注。此外，在微波光子学装置例如高速光学调制器的设计中，在宽频率范围内的聚合物的介电特性的易测量能力非常重要。但是，新型的聚合物的介电特性可能不为所知。此外，了解聚合物的在宽频率范围内的特性，诸如在光子学应用中的非线性光学聚合物的电场以及温度函数，是有益的。

因此，需要测量基于薄膜的聚合物的在宽频范围内作为电场和温度的函数的介电特性。

本发明提供了在用于光子学应用的非线性光学聚合物中的电场极化。在一个实施方式中，基于共面波导的、具有两个端子的电容测试结构可用于脱氧核糖核酸(DNA)基聚合物或者其他电-光(EO)聚合物的电极化的特征化。高电阻率硅晶片被用作衬底。在高电阻率硅晶片上直接涂敷(铬或者钛的)粘合层。在粘合层上淀积底部金属层(金属1层)并图案化。在图案化了的底部金属层上淀积聚合物薄膜。通过遮盖掩模在聚合物薄膜层上淀积顶部金属电极(金属2层)并图案化以形成共面波导(CPW)传输线。对金属2层上的CPW传输线的中央导体施加单偏置电压并影响聚合物薄膜的介电特性。聚合物薄膜的介质常数和损耗因数(loss-tangent)可通过测量扫频散射参数(S-参数)并将实验频率响应与模型频率相应匹配而作为电场和温度的函数导出。此外，可以得到聚合物的作为温度的函数的电导测量值。

因此，本发明提供了一种聚合物特征化测试结构，可以在宽频范围内确定作为电场和温度二者的函数的、聚合物薄膜的介电特性以及导电特性。

本发明的实施方式的另一特征为在施加的DC电场下在微波频率下表征聚合物的电容性测试结构。

根据以下本发明的实施方式的说明，本发明的实施方式的其他特征会更加清晰。

以下对于本发明的具体实施方式的详细说明可通过结合附图阅读进行理解，其中相似结构使用以相同的附图标记表示，其中：

图1为根据本发明的一个实施方式的聚合物特征化测试结构的多层的截面图。

图2a为根据本发明的一个实施方式的底部金属电极的图案。

图2b为根据本发明的一个实施方式的顶部金属电极的图案。

图2c为根据本发明的一个实施方式的聚合物特征化测试结构的顶视图，表示了金属电极的重合区域。

图2d为根据本发明的另一个实施方式的聚合物特征化测试结构的前视图。

图3为根据本发明的一个实施方式的图2d中的聚合物特征化测试结构的电路模型。

图4为根据本发明的另一个实施方式的聚合物特征化测试结构的聚合物的三叠层(包层/芯层/包层)的多层的截面图。

图5为根据本发明的另一个实施方式的聚合物特征化测试结构的聚合物的三叠层(包层/芯层/包层)的多层的前视图。

图6为根据本发明的另一个实施方式三个测试结构的频率响应。

在以下对于实施方式的详细说明中，参照了构成其一部分的附图，在其中以说明的方式而非限定的方式提出了本发明可以实现的具体实施方式。可理解的是，可以利用其他实施方式且逻辑的、机械的、电气的改动均可以在不偏离本发明主旨和范围的前提下做出。

对两种聚合物进行了考察：基于DNA的膜、即脱氧核糖核酸氯化三甲基十六烷基铵(DNA-CTMA)和牛血清白蛋白(BSA)。用于本研究的DNA-CTMA通过在CTMA中沉淀一百万分子量的海基DNA而形成。BSA为从牛的血液中提取的常规蛋白质。容性测试结构用于对每个聚合物进行特征化。特征化发生在室温下以及具有和不具有20V DC偏置的条件下。为了将生物高聚物与纯聚合物进行比较，对商用无定形聚碳酸酯(APC)聚合物也进行了测试以作参考。

图1给出了聚合物特征化测试结构的多层的截面图。聚合物特征化测试结构被设计在共面波导(CPW)传输线上，该传输线具有在高电阻率硅晶片40上制造的多层结构。在一个实施方式中，高电阻率硅晶片40的厚度可以从约0.01至0.02英寸(即约0.254至0.508mm)。在另一个实施方式中，在高电阻率硅晶片40上可以有二氧化硅层。作为制造的第一步，在高电阻率硅晶片40上直接溅射粘合层35。粘合层35可以为铬、钛或者任何其他适合的材料。在一个实施方式中，粘合层35的厚度为100～约200埃()。