包含金属箔上多层结构的钛酸锶钡制造技术

本发明专利技术涉及具有结晶或部分结晶钛酸锶钡（ＢＳＴ）电介质薄膜复合物和金属箔衬底的多层次结构。阻挡层可以介于金属箔衬底和电介质薄膜之间。另外，本发明专利技术涉及由包含这种复合物的多层结构构成的电容器。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及包含具有金属箔衬底的多层次结构的结晶钛酸锶钡电介质。多层次结构还可以包括在电介质和金属衬底之间的阻挡层或缓冲层。另外，本专利技术涉及从这种薄膜复合物制造的多层结构，并涉及包含这种多层结构的超级电容器。超级电容器包括尤其适用于微波器件应用和内嵌无源元件的超小型、大电容量电容器。本专利技术还涉及制备电介质薄膜复合物和多层结构的方法。可以通过使用溶胶凝胶旋涂/浸渍沉积技术、溅射沉积方法或金属有机化学汽相沉积技术在选定金属衬底例如铂、钛、镍、不锈钢、铜和黄铜箔上沉积钛酸锶钡(BST)薄膜来制备薄膜复合物。
技术介绍
随着不断增加的集成规模和电子设备小型化，已出现对适合于替代常规氧化硅/氮化物电介质的具有高介电常数的新电介质材料的需要。虽然锆钛酸铅(PZT)由于其高的介电常数是适合于存储电容器和超级电容器的潜在材料，但由于其介电常数从1MHz下的1300下降到大约1GHz下的40以及在室温下在1GHz下损耗正切发散至10％的事实，它不适合于微波频率应用。BST材料由于其高介电常数、低介电损耗、低漏电流和高击穿强度是用于存储电容器应用的优秀材料(D.Roy和S.B.Krupandidhi，应用物理快报，第62卷，第10期，1993年，第1056页)。并且，通过修整组合物中的Ba/Sr比率，居里温度可以移动，导致保证电学性质在温度范围上保持相对恒定。结果，作为传感器、计算机、微电子和电信设备行业中的多种潜在应用例如集成于动态随机存取存储器(DRAM)上的高密度电容器、单片微波集成电路(MMIC)，以及非制冷红外传感及成像设备和移相器的候选材料，BST材料已吸引相当多的关注(W.J.Kim和H.D.Wu，应用物理杂志，第88卷，2000年，第5448页)。目前，通常用于BST薄膜的衬底是硅圆片、MgO或LaAlO3单晶、蓝宝石和玻璃。当与贵金属电极(例如Pt、Au、Ir等)一起使用时，这种衬底具有有限范围的潜在应用。交替结构是期望的，其允许高频率工作范围、低介电损耗、高ESR，并表现出内嵌电容器系统的灵活性。例如，在内嵌薄膜高K电介质封装中(例如高密度PCB和MCM-L)，碱金属箔可以既用作载流子衬底又用作电极以便使成本达到最小。将电介质薄膜沉积到金属衬底上的先前尝试已在文献中报道。例如，Saegusa(日本应用物理杂志，第1部分，第36卷，第11期，1997年，第6888页)报道用硼硅酸铅玻璃改性的PZT膜在铝、钛和不锈钢箔上的沉积；WO01/67465A2叙述在钛、不锈钢、镍和黄铜箔上沉积的PZT。这些努力的结果是有前途的；但是，它们没有表现出商业应用必需的性能需要。
技术实现思路
本专利技术涉及具有结晶或部分结晶钛酸锶钡(BST)电介质薄膜和金属箔衬底的多层次复合物。在优选实施方案中，多层次复合物包含介于金属箔衬底和钛酸锶钡电介质薄膜之间的阻挡层和/或缓冲层。可以例如通过使用各种方法如溶胶凝胶旋涂/浸渍沉积技术、溅射沉积方法或金属有机化学汽相沉积技术在碱金属箔如镍、钛、不锈钢、黄铜、镍、铜、覆铜镍或银薄层上沉积BST薄膜制备来这种多层结构。本专利技术的结晶BST电介质薄膜包括纳米至亚微米尺寸的多结晶复合物。本专利技术的金属箔上BST电介质薄膜的多层次结构表现出优秀的电容器特性，包括10kHz频率下的高电容密度(200-300nF/cm2)、低介电损耗(10kHz频率下＜3％)和低漏电流密度(5V下大约为10-7A/cm2)以及室温下高击穿强度(＞750kV/cm)。另外，本专利技术的多层结构在10kHz频率下电容-电压曲线中表现出以(C0-Cv)/C0计算的20％的可调谐性，这有希望用于微波应用。附图说明图1是金属箔上电介质薄膜的多层结构的各种配置的示意图。图1(a)是由沉积于金属箔上的结晶电介质薄膜构成的多层结构。图1(b)是由沉积于金属箔上的多结晶电介质薄膜构成的多层结构。图1(c)是由沉积于金属箔上的单或多不同结晶电介质薄膜构成的具有在电介质膜和金属箔之间的阻挡层的多层结构。图1(d)是由沉积于金属箔上的单或多不同结晶电介质薄膜构成的具有介于电介质膜和金属箔之间的缓冲层和/或各种阻挡层的多层结构。图2显示在600℃下退火30分钟的铜箔上BST(70/30)膜(样品Ni/Cu600)的X射线衍射(XRD)测量结果。图3显示在(a)550℃、(b)600℃和(c)650℃下退火30分钟的镍箔上BST(50/50)膜的表面形态以及(d)在600℃下退火的镍箔上BST(50/50)膜的横截面(样品Ni600)。图4显示退火温度对沉积于选定金属箔上的BST膜的电容密度和介电损耗的影响。图5显示选定金属箔上BST膜的作为频率函数的电容和损耗正切。图6显示在1MHz和室温下(a)钛箔(Ti650)、(b)镍箔(Ni600)、(c)具有镍层的铜箔(Ni/Cu600)和(d)不锈钢(SS600)上BST膜的作为DC偏置电压函数的电容。图7显示钛(Ti650)、镍(Ni600)和铜(Ni/Cu600)箔上BST膜的电流-电压曲线。具体实施例方式多层结构包括结晶电介质薄膜和金属箔。金属箔既用作衬底也用作电极。多层次结构可以包含介于电介质薄膜和金属箔之间的阻挡层。在优选实施方案中，钛酸锶钡电介质薄膜和金属箔衬底构成平行互连的电介质和金属箔系统。由于需要高焙烧温度和氧化物电介质的氧化性气氛，金属箔的金属应当拥有高熔点和抗氧化性。另外，它应当表现出与BST电介质膜的接近匹配的热膨胀系数以便避免膜破裂，显示出与BST的低反应性以便获得较高介电常数和低损耗，并允许与BST的良好粘附。与PZT电介质薄膜相比，BST电介质膜的结晶温度更高，导致合适金属箔的更小选择范围。在优选实施方案中，具有至少850℃熔点的钛、镍和不锈钢(SUS304)箔优选地用作BST电介质薄膜的衬底。优选地作为金属衬底的是钛、不锈钢、黄铜、镍、铜、铜镍和银箔。金属箔衬底更优选地是平面、纹理曲面或大孔隙的。可选地，缓冲层可以在存在或不存在阻挡层的情况下介于电介质薄膜和金属箔之间。当存在时，阻挡层优选地是金属层、导电氧化物、介电层或铁电层。金属层可以是例如铂、钛或镍。适合作为导电氧化物层的是选自LaNiO3、IrO2、RuO2和La0.5Sr0.5CoO3的那些。合适的介电层是选自TiO2、Ta2O5和MgO的那些。铁电层优选地可以选自钛酸钡、钛酸铅或钛酸锶。在优选实施方案中，电介质材料具有化学式(Ba1-xSrx)TiOy，其中0≤x≤1.0，优选地x介于大约0.1至大约0.9，最优选地介于0.4至大约0.75，y从大约0.50至大约1.3，优选地从大约0.95至大约1.05，并且z从大约2.5至大约3.5。构成电介质的无机氧化物粘合到箔衬底并表现出钙钛矿晶格。它们还通过利用居里点对x的相关性表现出介电、铁电和/或顺电性质。在优选实施方案中，一个或多个薄层包含于薄膜和金属箔之间用作阻挡层和/或各种缓冲层和/或晶种层。这些薄膜可以有益于低焙烧温度的结晶生长，阻碍箔金属离子的扩散，并且缓冲由于热膨胀系数的失配而导致的应力以便避免在一侧或多侧破裂。包含于电介质薄膜和金属箔之间的薄层可以选自其他金属材料(例如用电化学方法涂敷在铜箔上的Ni层)、导电氧化物(例如用溶胶凝方法旋涂在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多层复合物，包括：　金属箔衬底；结晶或部分结晶钛酸锶钡电介质薄膜。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2003-3-5 10/382,3071.一种多层复合物，包括金属箔衬底；结晶或部分结晶钛酸锶钡电介质薄膜。2.根据权利要求1的多层复合物，还包括介于金属箔衬底和电介质薄膜之间的阻挡层。3.根据权利要求1的多层复合物，其中钛酸锶钡具有化学式(BaxSr1-x)TiyOz，其中0≤x≤1.0，y从大约0.50至大约0.80至大约1.30，并且z介于大约2.5至大约3.5之间。4.根据权利要求3的多层复合物，其中x介于大约0.1至大约0.9之间。5.根据权利要求4的多层复合物，其中x介于大约0.4至大约0.75之间，并且y介于大约0.95至大约1.05之间。6.根据权利要求1的多层复合物，其中电介质薄膜由具有x组成渐变或组成交替或相同组成的单层或多层钛酸锶钡制成，如图1(a)和(b)中所描述的。7.根据权利要求1的多层复合物，其中多层复合物具有大约100nm至大约1000nm的厚度。8.根据权利要求1的多层复合物，其中钛酸锶钡具有钙钛矿结构。9.根据权利要求1的多层复合物，其中钛酸锶钡大体上具有随机取向并且是粒状结晶。10.根据权利要求1的多层复合物，其中金属铂衬底是钛、不锈钢、黄铜、镍、铜、铜镍或银箔。11.根据权利要求1的多层复合物，其中...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹琴，杰哈德海尔莫，乔治辛，
申请(专利权)人：埃内格纽斯公司，
类型：发明
国别省市：CA[加拿大]