CN104051154A - 高调谐埋入式插指电极bmn/bst双层薄膜电容器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高调谐埋入式插指电极BMN/BST双层薄膜电容器，首先在清洗好的基底上采用溶胶-凝胶法沉积BMN薄膜，再在BMN薄膜上采用光刻技术结合磁控溅射工艺制备插指电极，再在制备有插指电极的BMN薄膜上沉积BST薄膜，制得埋入式插指电极BMN/BST双层薄膜；再将该双层薄膜在于50-750℃退火，并通过刻蚀法将插指电极引脚露出，制得BMN/BST双层薄膜电容器。本发明通过BST与BMN薄膜复合从而降低了薄膜介电损耗，提升了薄膜的综合性能，采用埋入式插指电极结构，提高了器件的调谐率。
Description
技术领域
本发明属于电子信息材料与元器件领域，特别涉及一种用于微波调谐元器件的高调谐埋入式插指电极BMN/BST双层薄膜电容器。
背景技术
现代无线通信市场日益多元化，手机网络，个人区域网络(PAN)、无线局域网(WLAN)共存。为实现“无缝漫游”，需要可重构智能设备兼容各种通信标准。因此，体积小、低成本的可调器件在多波段与多模标准的智能RF应用中的作用越来越重要。基于可调谐介质材料的可调射RF器件技术因其高可调性，小尺寸和低成本而成为智能RF应用中的一种可行的解决方案。为实现各种可重构器件，多种电场可调介质材料(如铁电材料、压电材料)已经应用于作为可重构器件基本单元的可调电容器中。
介电可调RF电容器因其可调谐性高、体积小和成本低，作为可重构设备智能射频应用的基本单元而引起广泛关注；对其研究集中在介电可调电容器材料方面。钛酸锶钡(Ba1-xSrxTiO3,BST)基材料是目前研究最广泛的一类介电可调介质材料。BST基薄膜材料的特点是介电调谐率高，但存在其介电损耗大的缺点，限制了其应用范围。铌酸铋镁(Bi1.5MgNb1.5O7,BMN)介质材料同样具有介电可调性，且其介电损耗比BST低。BMN薄膜介电损耗小，介电常数适中，良好的温度稳定性，是一种非常有前途的新型微波介电可调材料。但与BST基材料相比，其调谐率相对较小，同样不利于实际应用。
本发明综合两种薄膜材料的优点，采用双层复合薄膜结构，通过在薄膜与衬底间增加一层BMN缓冲层从而改善BST薄膜的生长特性和降低薄膜的漏电流和介电损耗，提升了薄膜的综合性能；采用埋入式插指电极结构，使调谐率得到极大的提高。
发明内容
本发明的目的，在于克服现有的BST基薄膜材料介电损耗大及BMN薄膜调谐率相对较小的缺点，提供一种高调谐埋入式插指电极BMN/BST双层薄膜电容器。
本发明通过如下技术方案予以实现。
一种高调谐埋入式插指电极BMN/BST双层薄膜电容器，包括基底，其特征在于，所述基底(1)的上面依次设置有铌酸铋镁介质层(2)、插指电极(3)和钛酸锶钡介质层(4)；
该高调谐埋入式插指电极BMN/BST双层薄膜电容器的制备方法，其步骤如下：
(1)清洗基底
采用去离子水超声清洗10min、丙酮超声清洗10min、酒精超声清洗10min、再去离子水超声清洗10min的工艺过程对基底进行清洗，清洗后迅速将基底吹干；
(2)制备BMN即铌酸铋镁介质薄膜层
在步骤(1)清洗好的基底上采用溶胶-凝胶法沉积一层铌酸铋镁介质薄膜；铌酸铋镁介质薄膜的厚度为200nm；
(3)制备插指电极
在步骤(2)所制备的铌酸铋镁介质薄膜上采用光刻技术结合磁控溅射工艺制备插指电极，插指电极采用Au/Ti结构，其中Ti作为缓冲层，电极厚度为200nm；
(4)制备BST即钛酸锶钡介质薄膜层
在步骤(3)制备有插指电极的铌酸铋镁薄膜上采用溶胶-凝胶法沉积一层钛酸锶钡介质薄膜，将插指电极埋入钛酸锶钡介质薄膜中，制得埋入式插指电极BMN/BST双层薄膜；钛酸锶钡介质薄膜的厚度为300nm；
(5)将步骤(4)制备好的埋入式插指电极BMN/BST双层薄膜在550-750℃下退火，使介质薄膜层结晶；
(6)通过刻蚀法将步骤(5)的插指电极引脚露出，制得高调谐埋入式插指电极BMN/BST双层薄膜电容器。
所述步骤(1)的基底(1)为单晶硅基底。
所述步骤(3)制备插指电极的工艺流程为：基底预处理→涂覆光刻胶→前烘→曝光、显影→后烘→溅射金属电极→剥离。
所述步骤(4)的退火温度为750℃。
本发明提供的埋入式插指电极BMN/BST双层薄膜电容器，通过BST与BMN薄膜复合从而降低了薄膜介电损耗，提升了薄膜的综合性能，采用埋入式插指电极结构，提高了器件的调谐率。
附图说明
图1是本发明埋入式插指电极BMN/BST双层薄膜电容器的结构示意图。
附图标记如下：
1———基底 2———铌酸铋镁介质薄膜层
3———插指电极 4———钛酸锶钡介质薄膜层
具体实施方式
本发明所用原料均为市售分析纯原料，下面通过具体实施例对本发明做进一步描述。
图1是本发明埋入式插指电极BMN/BST双层薄膜电容器的结构示意图，如图所示，基底1的上面依次设置有铌酸铋镁介质薄膜层2、插指电极3和钛酸锶钡介质薄膜层4。
本发明制备方法如下：
(一)清洗基底
采用去离子水超声清洗10min、丙酮超声清洗10min、酒精超声清洗10min、再去离子水超声清洗10min的工艺过程对基底进行清洗，清洗结束后迅速将基底吹干。所述基底为单晶硅基底。
(二)制备BMN即铌酸铋镁介质薄膜层
在步骤(一)清洗好的基底上采用溶胶-凝胶(Sol-Gel)法沉积一层铌酸铋镁介质薄膜；
溶胶-凝胶法(Sol-Gel)制备铌酸铋镁介质薄膜层，步骤如下：
(1)制备铌酸铋镁前驱体溶胶
①配制铌-柠檬酸水溶液
(a)将五氧化二铌粉体加入氢氟酸中，水浴加热至其全部溶解，其中Nb2O5与HF的摩尔比为1:10；
(b)向步骤(a)溶液中加入氨水，中和生成铌酸沉淀；
(c)抽滤洗涤步骤(b)所得铌酸沉淀，去除F-与NH4 +；
(d)将步骤(c)所得铌酸沉淀加入柠檬酸水溶液中，磁力搅拌使柠檬酸完全溶解；得到铌-柠檬酸水溶液，其中五氧化二铌与柠檬酸的摩尔比为1:4～1:6；
(e)将步骤(d)所得铌-柠檬酸水溶液经60℃磁力搅拌加热至水分挥发完全，得到稳定的铌-柠檬酸溶液；
②按Bi1.5MgNb1.5O7的化学计量比称取五水硝酸铋、碳酸镁，加入步骤①铌的柠檬酸水溶液中，加热搅拌得到铌酸铋镁溶胶；
③向步骤②制得铌酸铋镁溶胶中加入甲醇做稀释剂，加热搅拌得到所需要的铌酸铋镁前驱体溶胶；
④将步骤③配置的铌酸铋镁前躯体溶胶滴在基底上，用台式匀胶机匀胶，使溶胶均匀地涂覆在基底上，然后在500℃下热处理，去除有机物；重复旋涂-热处理过程，直至薄膜厚度达到50-300nm，制得铌酸铋镁介质薄膜层。
(三)制备插指电极
在步骤(二)所制备的铌酸铋镁介质薄膜上采用光刻技术结合磁控溅射工艺制备插指电极，插指电极采用Au/Ti结构，其中Ti作为缓冲层，电极厚度约为200nm。
制备插指电极的工艺流程为：基底预处理→涂覆光刻胶→前烘→曝光、显影→后烘→溅射金属电极→剥离。
插指电极的形状如图1(3)所示。
(四)制备BST即钛酸锶钡介质薄膜层
在步骤(三)制备有插指电极的铌酸铋镁介质薄膜上，采用溶胶-凝胶(Sol-Gel)法沉积一层钛酸锶钡介质薄膜，将插指电极埋入钛酸锶钡介质薄膜中，制得钛酸锶钡介质薄膜层；
溶胶-凝胶(Sol-Gel)法制备钛酸锶钡介质薄膜层，步骤如下：
(1)制备钛酸锶钡前驱体溶胶
①配制钛-柠檬酸-乙二醇溶液
(a)根据钛酸锶钡的化学计量比称取二氧化钛粉体，将二氧化钛放入氢氟酸中，水浴加热至其全部溶解；
(b)向步骤(a)的溶液中加入氨水，中和反应生成偏钛酸沉淀；
(c)抽滤、洗涤步骤(b)所得偏钛酸沉淀，然后将偏钛酸加入硝酸中，磁力搅拌至沉淀完全溶解，得到硝酸钛溶液；其中偏钛酸与硝酸的摩尔比为1:2；
(d)向步骤(c)所得硝酸钛溶液中加入柠檬酸，磁力搅拌使柠檬酸完全溶解；再向溶液中加入乙二醇溶液，加热磁力搅拌2h使溶液混合均匀，其中硝酸钛、柠檬酸与乙二醇之间的摩尔比为1:4:4；
(e)将步骤(d)所得溶液静置24h，使反应进行完全，得到钛-柠檬酸-乙二醇的硝酸水溶液；溶液经60℃磁力搅拌加热4h，得到稳定的钛-柠檬酸-乙二醇水溶液；
②配制钡-锶-柠檬酸-乙二醇溶液
(a)按照摩尔比例1:4制备柠檬酸-乙二醇溶液；
(b)根据钛酸锶钡的化学计量比称取钛酸钡、钛酸锶，将其加入上述柠檬酸-乙二醇溶液中，磁力搅拌加热至粉体全部溶解，得到稳定的钡-锶-柠檬酸-乙二醇溶液；
③将步骤②配置的钡-锶-柠檬酸-乙二醇溶液加入到步骤①配置的钛-柠檬酸-乙二醇水溶液中，搅拌均匀得钛酸锶钡前驱体溶胶；
(2)向步骤(1)制得的钛酸锶钡前驱体溶胶中加入甲醇做稀释剂，加热搅拌得到所需要的铌酸铋镁前驱体溶胶；
(3)将步骤(2)配置的钛酸锶钡前躯体溶胶滴在具有铌酸铋镁介质薄膜及插指电极的基底上，用台式匀胶机匀胶，使溶胶均匀地涂覆其上，然后在500℃下热处理，去除有机物；重复旋涂-热处理过程，直至薄膜厚度达到200-500nm；将插指电极埋入钛酸锶钡介质薄膜中，制得埋入式插指电极BMN/BST双层薄膜。
(五)将步骤(四)(3)制备好的埋入式插指电极BMN/BST双层薄膜于550-750℃下退火，使介质薄膜层结晶。
(六)通过刻蚀法将步骤(五)的插指电极图形引脚露出，制得高调谐埋入式插指电极BMN/BST双层薄膜电容器。
使用与探针台连接的Agilent4285A LCR测试仪，测量薄膜电容器的电容量C和介电损耗tanδ(测试频率为1MHz)。本发明各具体实施例的主要工艺参数与调谐率等测试数据详见表1.
表1
Claims (4)
1.一种高调谐埋入式插指电极BMN/BST双层薄膜电容器，包括基底，其特征在于，所述基底(1)的上面依次设置有铌酸铋镁介质层(2)、插指电极(3)和钛酸锶钡介质层(4)；
该高调谐埋入式插指电极BMN/BST双层薄膜电容器的制备方法，其步骤如下：
(1)清洗基底
采用去离子水超声清洗10min、丙酮超声清洗10min、酒精超声清洗10min、再去离子水超声清洗10min的工艺过程对基底进行清洗，清洗后迅速将基底吹干；
(2)制备BMN即铌酸铋镁介质薄膜层
在步骤(1)清洗好的基底上采用溶胶-凝胶法沉积一层铌酸铋镁介质薄膜；铌酸铋镁介质薄膜的厚度为200nm；
(3)制备插指电极
在步骤(2)所制备的铌酸铋镁介质薄膜上采用光刻技术结合磁控溅射工艺制备插指电极，插指电极采用Au/Ti结构，其中Ti作为缓冲层，电极厚度为200nm；
(4)制备BST即钛酸锶钡介质薄膜层
在步骤(3)制备有插指电极的铌酸铋镁薄膜上采用溶胶-凝胶法沉积一层钛酸锶钡介质薄膜，将插指电极埋入钛酸锶钡介质薄膜中，制得埋入式插指电极BMN/BST双层薄膜；钛酸锶钡介质薄膜的厚度为300nm；
(5)将步骤(4)制备好的埋入式插指电极BMN/BST双层薄膜在550-750℃下退火，使介质薄膜层结晶；
(6)通过刻蚀法将步骤(5)的插指电极引脚露出，制得高调谐埋入式插指电极BMN/BST双层薄膜电容器。
2.根据权利要求1所述的高调谐埋入式插指电极BMN/BST双层薄膜电容器，其特征在于，所述步骤(1)的基底(1)为单晶硅基底。
3.根据权利要求1所述的高调谐埋入式插指电极BMN/BST双层薄膜电容器，其特征在于，所述步骤(3)制备插指电极的工艺流程为：基底预处理→涂覆光刻胶→前烘→曝光、显影→后烘→溅射金属电极→剥离。
4.根据权利要求1所述的高调谐埋入式插指电极BMN/BST双层薄膜电容器，其特征在于，所述步骤(4)的退火温度为750℃。
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