專利名稱：：具有復(fù)合電極結(jié)構(gòu)的介電薄膜及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及薄膜電路產(chǎn)品，特別涉及一種介電薄膜電極結(jié)構(gòu)及其制備方法。
背景技術(shù)：
：近年來，移動通信的發(fā)展要求設(shè)備的小型化和微型化。傳統(tǒng)的金屬諧振腔和金屬波導(dǎo)體積和重量過大，不能滿足微波電路的集成化發(fā)展。而采用新型微波介質(zhì)材料的諧振器與微波管、微帶線等構(gòu)成的微波混合集成電路，可使器件尺寸達到毫米量級，微波介質(zhì)材料已成為實現(xiàn)微波控制功能的基礎(chǔ)和關(guān)鍵材料。其中，部分介質(zhì)材料，如鈦酸鍶鋇BST(BaxSn-xTi03)基薄膜材料和鈮酸鉍鋅BZN(BiL5ZnNbL507)薄膜材料的介電常數(shù)具有隨外加電場變化而變化的電場可調(diào)特性，利用這種特性可以調(diào)制電磁波的幅度或相位，制成微波電調(diào)諧頻率器件。例如電控移相器、電調(diào)匹配網(wǎng)絡(luò)、電調(diào)濾波器、壓控振蕩器、衰減器、調(diào)幅器、開關(guān)器、限幅器等，完成微波信號的傳輸、移相、濾波及諧振選頻等功能。微波電調(diào)諧頻率器件在相控陣雷達和寬帶無線通信系統(tǒng)中具有核心地位。現(xiàn)有的二極管調(diào)諧器件和鐵氧體微波調(diào)諧器件中，二極管調(diào)諧器件雖調(diào)諧范圍大，但在高頻下?lián)p耗大、功率容量低。而鐵氧體器件成本高、大功耗、體積龐大，限制了它們的應(yīng)用。此外，鐵氧體器件在l2GHz時損耗較大，不適用于蜂窩通訊，而且很難制成平面結(jié)構(gòu)，因而無法實現(xiàn)集成?；贐ST或BZN薄膜材料的介質(zhì)調(diào)諧頻率器件，與二極管調(diào)諧器件和鐵氧體微波調(diào)諧器件相比具有明顯優(yōu)勢。其成本僅約為鐵氧體材料器件的1/10，在相控陣天線中，使用基于電調(diào)介質(zhì)材料的鐵電透鏡結(jié)構(gòu)，可將移相器的個數(shù)由mXn降到m+n(m，n分別為天線陣的行列數(shù))，可大大降低相控陣天線的成本，而且具有調(diào)諧響應(yīng)速度快、功率容量大、體積和功耗小、工作溫度范圍寬等優(yōu)點，并容易制成平面結(jié)構(gòu)，發(fā)展集成微波器件。電調(diào)介電薄膜材料在應(yīng)用中常采用金屬頂電極13/介電薄膜20/金屬底電極ll/基片10的平板電容結(jié)構(gòu)，如圖l所示。Au、Pt等金屬制備在基片lO表面作為底電極ll，介電薄膜20制備在底電極ll上，最后在薄膜20表面又制備金屬材料作為頂電極13。在這種平板電容結(jié)構(gòu)中，介電薄膜20直接制備在金屬電極11上。一方面，在介電薄膜20高溫制備過程中，金屬電極11與介電薄膜20間界面互擴散，形成空間電荷耦合；另一方面，金屬電極11與介電薄膜20結(jié)構(gòu)不兼容，界面處會形成較多的結(jié)構(gòu)缺陷。較高的界面缺陷密度和空間電荷耦合導(dǎo)致薄膜材料介電損耗增大。此外，金屬電極與基片材料熱膨脹系數(shù)差異大，熱應(yīng)力通常造成Pt等金屬電極表面平整度較差，存在明顯的突起小島，導(dǎo)致漏電流增大。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題，就是針對現(xiàn)有技術(shù)介電薄膜使用中損耗大，漏電流大的缺點，提供一種具有復(fù)合電極結(jié)構(gòu)的介電薄膜及其制備方法，可以降低介電損耗和漏電流。本發(fā)明解決所述技術(shù)問題，采用的技術(shù)方案是，具有復(fù)合電極結(jié)構(gòu)的介電薄膜，包括基片、電極和介電薄膜，其特征在于，所述電極由金屬電極和導(dǎo)電氧化物薄膜構(gòu)成，所述金屬電極制備在所述基片上，所述導(dǎo)電氧化物薄膜制備在所述金屬電極上，所述介電薄膜制備在所述導(dǎo)電氧化物薄膜上。具有復(fù)合電極結(jié)構(gòu)的介電薄膜制備方法，包括以下步驟A、在基片上沉積金屬薄膜；B、在所述金屬薄膜上沉積導(dǎo)電金屬氧化物薄膜；C、退火處理；D、在所述金屬氧化物薄膜上沉積介電薄膜；E、退火處理。本發(fā)明的有益效果是，一方面，導(dǎo)電氧化物阻止了金屬與介電薄膜間的界面互擴散，另一方面，導(dǎo)電氧化物與介電薄膜結(jié)構(gòu)兼容，也減少了界面缺陷，因此能夠有效降低薄膜介電損耗。同時，導(dǎo)電氧化物特定的晶格取向有利于實現(xiàn)介電薄膜的外延和擇優(yōu)生長，導(dǎo)電氧化物薄膜表面致密平整，彌補了金屬電極表面存在的缺陷，有利于減小漏電損耗。并且導(dǎo)電氧化物薄膜電阻率小，溫度穩(wěn)定性高，也有利于后續(xù)介電薄膜的生長。圖1是現(xiàn)有技術(shù)介電薄膜電極結(jié)構(gòu)示意圖2是本發(fā)明實施例介電薄膜電極結(jié)構(gòu)示意圖3是Pt/LN0復(fù)合電極的XRD掃描圖譜；圖4是Pt表面生長的LN0薄膜的原子力顯微鏡AFM形貌圖5是Pt電極和Pt/LNO復(fù)合電極上生長BZN薄膜的介電性能比較圖。具體實施例方式對于器件應(yīng)用的介電薄膜材料而言，介電損耗越低，器件的插入損耗就越小，因此薄膜介電損耗越小越好，實用中希望介電損耗低于0.01。而對于電調(diào)濾波器、壓控振蕩器等諧振型微波器件，薄膜材料介電損耗應(yīng)在0.005以下。目前，在BST薄膜和BZN薄膜材料研究中，盡管通過減少薄膜結(jié)構(gòu)缺陷濃度、摻雜改性等技術(shù)，一定程度上能夠降低材料的本征介電損耗，但并不能有效地降低介電薄膜與金屬界面處高密度結(jié)構(gòu)缺陷和空間電荷聚集引起的損耗，導(dǎo)致介電薄膜介電損耗通常仍然在1%以上。因此，要滿足電調(diào)諧頻率器件等的低損耗要求，必須有效改善介電薄膜與金屬界面，降低缺陷密度，減少空間電荷聚集。本發(fā)明的介電薄膜，就是一種具有金屬/導(dǎo)電氧化物復(fù)合電極結(jié)構(gòu)的介電薄膜，即在金屬底電極表面制備一層導(dǎo)電氧化物薄膜，與金屬共同構(gòu)成復(fù)合底電極。該復(fù)合電極可有效改善金屬電極與介電薄膜界面，可降低介電薄膜的介電損耗，更好滿足電調(diào)諧頻率器件對介電薄膜材料的要求。本發(fā)明的技術(shù)方案是，具有復(fù)合電極結(jié)構(gòu)的介電薄膜，包括基片、電極和介電薄膜，其特征在于，所述電極由金屬電極和導(dǎo)電氧化物薄膜構(gòu)成，所述金屬電極制備在所述基片上，所述導(dǎo)電氧化物薄膜制備在所述金屬電極上，所述介電薄膜制備在所述導(dǎo)電氧化物薄膜上；進一步的，所述導(dǎo)電氧化物薄膜具有特定結(jié)構(gòu)取向，該結(jié)構(gòu)取向有利于介電薄膜與之形成外延或擇優(yōu)生長；進一步的，所述導(dǎo)電氧化物薄膜具有與所述介電薄膜能夠晶格匹配的晶體結(jié)構(gòu)；具體的，對于BST或BZN介電薄膜材料，均可采用SrRu03或LaNi03材料作為導(dǎo)電氧化物薄膜材料。SrRu03和LaNi03具有符合上述結(jié)構(gòu)取向和晶格匹配的晶體結(jié)構(gòu)。具有復(fù)合電極結(jié)構(gòu)的介電薄膜制備方法，包括以下步驟A、在基片上沉積金屬薄膜；B、在所述金屬薄膜上沉積導(dǎo)電金屬氧化物薄膜；C、退火處理；D、在所述金屬氧化物薄膜上沉積介電薄膜；E、退火處理；具體的，對于一般薄膜電路產(chǎn)品，步驟A中，金屬薄膜厚度為501000nm;步驟B中，金屬氧化物薄膜厚度為20100nm;步驟D中，介電薄膜厚度為501000nm。進一步的，步驟A中，當(dāng)金屬薄膜材料采用Pt時，為了提高金屬薄膜與基片的附著性能，先濺射沉積一層l50nm厚度的Ti薄膜，然后再濺射沉積Pt薄膜；推薦的工藝條件是0.12Pa的Ar氣氛，基片溫度為室溫650°C。進一步的，步驟C中，推薦的工藝條件是103105Pa的02氣氛，退火溫度60080(TC，保溫時間2060min。進一步的，步驟D中，推薦的工藝條件是沉積氣壓110Pa，氣氛為氧、氬混合氣氛，02:Ar體積比為1:101:4;襯底溫度為200600。C。進一步的，步驟E中，推薦的工藝條件是10"51(^Pa的02氣氛，退火溫度60075(TC，保溫時間30120min。更具體的，優(yōu)選的基片材料為Al203，介電薄膜材料為BZN或BST，導(dǎo)電氧化物薄材料為SrRu03或LaNi03，金屬薄膜(或電極)材料為Au或Pt。這幾種材料制備薄膜電路產(chǎn)品，具有取材容易，結(jié)構(gòu)兼容，工藝成熟等特點。本發(fā)明的金屬/導(dǎo)電氧化物復(fù)合電極，能夠有效降低介電薄膜元器件的介電損耗，可滿足目前電調(diào)諧頻率器件對介電薄膜材料低損耗的要求。具有金屬/導(dǎo)電氧化物復(fù)合電極的介電薄膜結(jié)構(gòu)見圖2。與圖l所示的現(xiàn)有技術(shù)比較，可以看出，在圖2所示的具有金屬/導(dǎo)電氧化物復(fù)合電極的介電薄膜結(jié)構(gòu)中，在金屬底電極11表面制備導(dǎo)電氧化物薄膜12，導(dǎo)電氧化物薄膜12具有與介電薄膜近似的晶體結(jié)構(gòu)(包括有利于介電薄膜與之形成外延或擇優(yōu)生長的結(jié)構(gòu)取向和晶格匹配的晶體結(jié)構(gòu))，金屬和導(dǎo)電氧化物共同構(gòu)成復(fù)合底電極，介電薄膜20制備在導(dǎo)電氧化物薄膜12表面。一方面，導(dǎo)電氧化物阻止了金屬與介電薄膜間的界面互擴散，另一方面，導(dǎo)電氧化物與介電薄膜結(jié)構(gòu)兼容，也減少了界面缺陷，因此能夠有效降低損耗。同時，能夠?qū)崿F(xiàn)導(dǎo)電氧化物的擇優(yōu)生長，表面致密平整，電阻率小，溫度穩(wěn)定性高，有利于介電薄膜的后續(xù)生長。本發(fā)明中，金屬電極包括但不限于Au、Pt等材料，介電薄膜包括但不限于BST、BZN等介質(zhì)材料，導(dǎo)電氧化物包括但不限于與上述介質(zhì)材料結(jié)構(gòu)近似的SrRu03、LaNi03等材料?；ǖ幌抻贏l203、Mg0、LaA103等材料。由于上述金屬電極、介電薄膜、導(dǎo)電氧化物的不同，為獲得最佳實施效果，制備工藝條件可能略有差別。實施例下面是制備實例。本例的金屬/導(dǎo)電氧化物復(fù)合電極結(jié)構(gòu)及其制備過程是在Al203基片上先后濺射Ti、Pt薄膜，其中Ti作為粘接層，然后在Pt薄膜上繼續(xù)濺射一層LaNi03(簡寫為LN0)導(dǎo)電氧化物薄膜材料，Pt金屬薄膜與導(dǎo)電氧化物薄膜共同構(gòu)成復(fù)合電極。然后在復(fù)合電極表面采用射頻濺射一層BZN介電薄膜。制備過程的具體步驟如下步驟l采用濺射鍍膜儀，在Al203基片上先后濺射沉積Ti、Pt薄膜，其中Ti厚度約30nm，Pt厚度約500nm，濺射過程在Ar氣體中進行，氣壓O.12Pa，襯底溫度為室溫650。C;步驟2采用濺射鍍膜儀，在步驟l中制備的襯底上，濺射沉積厚度約80nm的LNO導(dǎo)電氧化物薄膜，沉積氣壓O.55Pa(體積比02:Ar=5:l的混合氣氛)，襯底溫度為500750。C;步驟3將步驟2制備的LaNi03/Pt/Ti/八1203薄膜在真空退火爐中作退火處理，退火氣氛為氧氣，氧氣氣壓103105Pa，退火溫度600800。C，保溫時間2060min;步驟4采用濺射鍍膜儀，在步驟3退火處理后的LN0/Pt/Ti/Al203基片表面，射頻濺射BZN介電薄膜，薄膜厚度約300nm，沉積氣壓110Pa(混合氣氛體積比02:Ar=1:101:4)，襯底溫度為200600。C;步驟5將步驟4制備的BZN/LN0/Pt/Ti/八1203薄膜在真空退火爐中作退火處理，退火氣氛為氧氣，氧氣氣壓103105Pa，退火溫度600750。C，保溫時間30120min。按照上述步驟就可以制備出具有Pt/LNO復(fù)合電極的低損耗BST介電薄膜。下面結(jié)合性能測試結(jié)果進一步說明本發(fā)明的有益效果。圖3是Pt/LN0復(fù)合電極的典型XRD掃描圖譜，結(jié)果表明LNO薄膜具有高度的(110)擇優(yōu)取向。這種擇優(yōu)取向結(jié)構(gòu)有利于BZN薄膜材料與之結(jié)構(gòu)匹配，改善界面。圖4是Pt表面生長的LN0薄膜的原子力顯微鏡(AFM)形貌圖。AFM結(jié)果表明，制備的LNO薄膜具有原子級平整度，其表面粗糙度(RMS)指標(biāo)為1.5nm，晶粒分布均勻細小(3050nm)。LNO薄膜表面較小的表面粗糙度和晶粒尺寸有利于介電薄膜生長，形成結(jié)晶完整、缺陷少的界面。圖5比較了分別在Pt電極和Pt/LN0復(fù)合電極上生長BZN薄膜的介電性能。同樣條件下在Pt電極上制備的BZN薄膜，Pt/LNO復(fù)合電極上制備的BZN薄膜，其損耗從約1%降低到O.3%左右。表l給出了分別在Pt電極和Pt/LNO復(fù)合電極上制備的部分BZN薄膜樣品的介電損耗測試數(shù)據(jù)，表明BZN薄膜介電損耗大幅降低。Pt電極Pt/LNO復(fù)合電極樣品編號介電損耗(％)樣品編號介電損耗(％)10.8810.2621.0220.3830.9830.3440.9140.290.760.34平均0.91平均0.32表2給出了分別在Pt電極和Pt/LN0復(fù)合電極上制備的部分BST薄膜樣品的介電損耗測試數(shù)據(jù)，表明BST薄膜介電損耗亦大幅降低。表2<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>以上分析和測試結(jié)果表明，以Pt/LNO復(fù)合電極作為BZN薄膜的底電極，LNO層具有擇優(yōu)取向晶體結(jié)構(gòu)，表面結(jié)構(gòu)致密，可以有效地降低介電薄膜的損耗，滿足集成微波調(diào)諧頻率器件的要求。權(quán)利要求1.具有復(fù)合電極結(jié)構(gòu)的介電薄膜，包括基片、電極和介電薄膜，其特征在于，所述電極由金屬電極和導(dǎo)電氧化物薄膜構(gòu)成，所述金屬電極制備在所述基片上，所述導(dǎo)電氧化物薄膜制備在所述金屬電極上，所述介電薄膜制備在所述導(dǎo)電氧化物薄膜上。全文摘要本發(fā)明涉及薄膜電路產(chǎn)品，特別涉及一種介電薄膜電極結(jié)構(gòu)及其制備方法。本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)介電薄膜使用中損耗大，漏電流大的缺點，公開了一種具有復(fù)合電極結(jié)構(gòu)的介電薄膜及其制備方法，可以降低介電損耗和漏電流。本發(fā)明的技術(shù)方案是，具有復(fù)合電極結(jié)構(gòu)的介電薄膜，包括基片、電極和介電薄膜，其特征在于，所述電極由金屬電極和導(dǎo)電氧化物薄膜構(gòu)成，所述金屬電極制備在所述基片上，所述導(dǎo)電氧化物薄膜制備在所述金屬電極上，所述介電薄膜制備在所述導(dǎo)電氧化物薄膜上。本發(fā)明還提供了具有復(fù)合電極結(jié)構(gòu)的介電薄膜制備方法。本發(fā)明的介電薄膜，主要用于制造薄膜元器件等電路產(chǎn)品。文檔編號H01P1/20GK101364657SQ200810304728公開日2009年2月11日申請日期2008年9月28日優(yōu)先權(quán)日2008年9月28日發(fā)明者李言榮,蔣書文申請人:電子科技大學(xué)