CN108598262B - 一种铁电薄膜变容器的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铁电薄膜变容器的制备方法，利用激光脉冲沉积方法在氧化镁单晶衬底上制备锰掺杂钛酸锶钡薄膜，使用匀胶机将光刻胶均匀旋涂在薄膜表面；使用热板机对光刻胶先进行烘烤，然后进行对准和曝光；曝光完成后将样品进行适当处理即可进行显影；显影完成以后利用离子束刻蚀技术将图形转移到基片上。本发明的有益效果是本方法制备的变容器可以提高可调谐滤波器的调谐幅度，同时减小了变容器体积，降低损耗。
Description
技术领域
本发明属于半导体变容器技术领域，涉及一种铁电薄膜变容器的制备方法。
背景技术
铁电材料可用于制作可调谐器件，铁电材料实现调谐的基础是其介电常数可以随外加偏压变化而发生改变。铁电材料的调谐方式主要有两种，一是在器件中直接集成铁电薄膜，二是制作铁电薄膜变容器，并将其作为可调谐元件集成到器件中。钛酸锶钡(Ba1- xSrxTiO3，BST)可归为BaTiO3(BTO)和SrTiO3(STO)的固溶体。随着BTO和STO所占比例的改变，其居里温度在400K到30K之间变化。对BST材料的介电性能的研究发现，BST不仅具有高的介电常数，而且还可通过外加电场来调节其介电常数，即具有介电常数的电场非线性，此性能为发展一系列微波器件提供可能。BST薄膜变容器广泛地应用在移相器、可调谐滤波器、可调谐匹配网络和延迟线中。在加工制作方面，铁电薄膜器件可以使用半导体的工艺生产线，这使得铁电薄膜调谐器件与微波集成电路工艺的结合成为可能。同时，BST随Ba/Sr成分比例不同而具有不同的温度特性，并且与高温超导材料在晶格结构上具有很好的匹配，因此有非常广泛的研究。铁电变容器作为可调谐元件其主要结构形式分为平行板变容器和平面叉指电极形式变容器。大量的研究表明，基于BST变容器室温微波器件的损耗相对较高，限制到了它在微波领域的广泛应用，并且BST变容器的品质因子Q值呈现出随频率升高而降低的特性。广泛的应用需要进一步改进材料属性及器件结构。通过其它金属元素的低掺杂，是改进薄膜性能的一种方法，本发明就是利用掺杂改良后的薄膜制备铁电薄膜变容器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种铁电薄膜变容器的制备方法，本发明的有益效果是本方法制备的变容器可以提高可调谐滤波器的调谐幅度，同时减小了变容器体积，降低变容器的损耗。
本发明所采用的技术方案按照以下步骤进行：
步骤1：是利用激光脉冲沉积方法在氧化镁(100)单晶衬底上制备0.05％比例的锰掺杂钛酸锶钡薄膜，然后利用热蒸发技术在钛酸锶钡薄膜上面生长金薄膜。
步骤2：甩胶：使用匀胶机将光刻胶均匀旋涂在薄膜表面；
步骤3：曝光：甩胶之后，使用热板机对光刻胶先进行烘烤，然后进行对准和曝光；
步骤4：显影：曝光完成后将样品进行适当处理即可进行显影；
步骤5：刻蚀：显影完成以后利用离子束刻蚀技术将图形转移到基片上。
进一步，锰钛酸锶钡薄膜和金薄膜组成一个方形，其中方形的四角分布有锰钛酸锶钡薄膜、方形的其中两边由金薄膜形成的弯曲部为直角的曲折形状连通电极。
进一步，利用微纳加工技术制备叉指电容，变容器区域为一方形结构，四周薄膜刻蚀去掉，露出氧化镁衬底，器件区域金薄膜作为电极被加工成叉指形状，其余部分金薄膜被刻蚀去掉，留下锰钛酸锶钡薄膜。
进一步，所述锰钛酸锶钡薄膜变容器尺寸为：叉指部分长度为420μm，叉指缝隙锰钛酸锶钡宽度为5μm，叉指电极宽度为30μm，叉指到另一侧电极之间水平间隔为20μm，叉指个数为30。
附图说明
图1是本发明变容器平面结构示意图；
图2是超导薄膜谐振器结构。
图中，1.氧化镁单晶衬底，2.锰钛酸锶钡薄膜，3.金薄膜电极。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明铁电薄膜变容器的制备方法步骤如下：
一、薄膜生长
利用激光脉冲沉积方法在氧化镁(MgO)单晶衬底上制备了锰钛酸锶钡薄膜，沉积生长所用激光能量密度约为1.5J/cm2，激光频率为4Hz，沉积衬底温度为760摄氏度，气氛为30Pa的高纯氧气，薄膜厚度约为150纳米。从高倍的扫描电子显微镜形貌图中可以看到锰钛酸锶钡表面非常平整，颗粒均匀，致密，无明显孔洞、断裂等缺陷。通过X射线衍射检测表明该方法制备的锰钛酸锶钡薄膜结晶度良好，适于精细结构的进一步加工，表征完成以后，选取表面平整，结晶度好的薄膜置于真空室内，采用热蒸发的方法在锰钛酸锶钡表面生长一层15纳米厚的金薄膜。
二、变容器结构确定
本发明变容器的结构为平面叉指电容结构，使用的参数提取方法为谐振器仿真法，该方法要求变容器的电容值范围最好在1～5pF之间，因此需要对锰钛酸锶钡的介电常数的大致范围进行预先的估计。通过使用全波电磁场仿真软件sonnet进行仿真，不断调整仿真参数，最终确定叉指电容的结构尺寸。
本发明电容器结构如图1所示，氧化镁单晶衬底1上制备锰钛酸锶钡薄膜2和金薄膜3，锰钛酸锶钡薄膜2和金薄膜3组成一个方形，其中方形的四角分布有锰钛酸锶钡薄膜2、方形的其中两边由锰钛酸锶钡薄膜2，形成的弯曲部为金薄膜组成的叉指电极3。
经过仿真，最佳的叉指变容器材料尺寸为：叉指部分长度为420μm，叉指缝隙锰钛酸锶钡宽度为5μm，叉指电极宽度为30μm，叉指到另一侧电极之间水平间隔为20μm，叉指个数为30。
三、锰钛酸锶钡变容器的制作
(1)甩胶：使用匀胶机将光刻胶均匀旋涂在薄膜表面。
(2)曝光：甩胶之后，使用热板机对光刻胶先进行烘烤，然后进行对准和曝光。
(3)显影：曝光完成后将样品进行适当处理即可进行显影。
(4)刻蚀：显影完成以后利用离子束刻蚀技术将图形转移到基片上。四、变容器微波特性校准
利用超导薄膜制成的谐振器对变容器的微波特性进行测试并且标定其相关参数。超导薄膜谐振器结构如图2所示。
本发明提出利用掺杂锰材料的钛酸锶钡薄膜制备新型的铁电变容器，通过设计、样品的生长、微纳米加工过程以及最后的测试校准，制备了一种全新材料组分的变容器，经过测试，新变容器制备而成的谐振器可调谐范围得到了比较大的提高。
以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。
Claims (2)
1.一种铁电薄膜变容器的制备方法，其特征在于按照以下步骤进行：
步骤1：利用激光脉冲沉积方法在氧化镁单晶衬底上制备锰钛酸锶钡薄膜和金薄膜；
步骤2：甩胶：使用匀胶机将光刻胶均匀旋涂在薄膜表面；
步骤3：曝光：甩胶之后，使用热板机对光刻胶先进行烘烤，然后进行对准和曝光；
步骤4：显影：曝光完成后将样品进行适当处理即可进行显影；
步骤5：刻蚀：显影完成以后利用离子束刻蚀技术将图形转移到基片上；
步骤1中，所述锰钛酸锶钡薄膜和金薄膜组成一个方形，其中方形的四角分布有锰钛酸锶钡薄膜、方形的其中两边由金薄膜形成的弯曲部为直角的曲折形状连通电极；利用微纳加工技术制备叉指电容，变容器区域为一方形结构，四周薄膜刻蚀去掉，露出氧化镁衬底，器件区域金薄膜作为电极被加工成叉指形状，其余部分金薄膜被刻蚀去掉，留下锰钛酸锶钡薄膜。
2.按照权利要求1所述一种铁电薄膜变容器的制备方法，其特征在于：所述锰钛酸锶钡薄膜材料尺寸为：叉指部分长度为420μm，叉指缝隙锰钛酸锶钡宽度为5μm，叉指电极宽度为30μm，叉指到另一侧电极之间水平间隔为20μm，叉指个数为30。
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