一种低损耗的外延钛酸锶钡薄膜材料及其制备方法技术

本发明专利技术属于功能材料技术领域，提供一种低损耗的外延钛酸锶钡薄膜材料及其制备方法，用以作为介质薄膜变容器的介质层材料。本发明专利技术基于磁控溅射方法在低失配衬底上以较高的衬底温度、较低生长速率制备得到钛酸锶钡薄膜，实现薄膜与衬底之间的外延生长关系，得到外延钛酸锶钡薄膜材料；所述外延钛酸锶钡薄膜材料具有(001)外延结构，比多晶结构的钛酸锶钡薄膜具有更大的介电常数；并且，外延钛酸锶钡薄膜材料具有缺陷少、外延质量高的优点；同时，外延钛酸锶钡薄膜材料在高频下具有低损耗特性；另外，本发明专利技术中外延钛酸锶钡薄膜材料的外延制备工艺采用射频磁控溅射工艺，能够实现钛酸锶钡薄膜的大面积和大批量制备，具有工业应用优势。势。势。

【技术实现步骤摘要】
一种低损耗的外延钛酸锶钡薄膜材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于功能材料
，具体提供一种在高频下具有低损耗特性的外延钛酸锶钡薄膜材料及其制备方法，用以作为介质薄膜变容器的介质层材料。

技术介绍

[0002]介质薄膜变容器作为一种可变电容，具有体积小、易集成的优点，广泛应用于各类调谐器件之中，以帮助通讯设备实现多频段通讯。介质薄膜变容器的性能主要取决于介质层材料的特性，包括调谐率和介电损耗两个重要特性；介电损耗通过损耗角正切(tanδ或1/tanδ)表示，反映了材料在对应频率下的整体损耗情况，包括直流损耗、交流损耗等，其中，交流损耗与应用频率息息相关，通常随着应用频率的增加而增加，大大地限制了介质薄膜变容器在高频条件下的应用。
[0003]钛酸锶钡(Ba1‑
x
Sr
x
TiO3,BST)作为一种铁电材料，具有高介电常数、低介电损耗等特性，是介质薄膜变容器常用介质层材料之一。目前报道的钛酸锶钡薄膜大部分为多晶结构，虽然工艺上制备方便，但是介电性能低于外延结构；而且，由于制备工艺、衬底应力等因素的影响，制备出来的钛酸锶钡介质薄膜内部缺陷较多，容易降低薄膜的击穿强度并增加薄膜的介电损耗。
[0004]由此可见，研制一种缺陷少、质量高、在高频下具有低损耗特性的外延钛酸锶钡薄膜尤为重要，这将有力地促进薄膜电容器的应用和发展，为通讯设备以更低损耗在高频下应用提供解决方案。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种低损耗的外延钛酸锶钡薄膜材料及其制备方法，采用磁控溅射方法在衬底材料上外延制备得到钛酸锶钡薄膜，使其具有缺陷少、质量高、以及在高频下具有低损耗特性等优点；该外延钛酸锶钡薄膜材料在常温下为铁电相，用以作为介质薄膜变容器的介质层材料时，具有更低的介电损耗和更高的相对介电常数，便于提高器件的品质因素(Q值)和增大调谐率。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0007]一种低损耗的外延钛酸锶钡薄膜材料，其特征在于，所述外延钛酸锶钡薄膜材料外延生长于衬底材料上表面、并形成(001)外延结构，外延钛酸锶钡薄膜材料中钡(Ba)含量在65％
‑
95％之间，衬底材料与钛酸锶钡薄膜面内的晶格常数失配程度小于0.1％。
[0008]进一步的，衬底材料为钪酸镝(DyScO3)、钪酸钆(GdScO3)、钪酸钐(SmScO3)和钪酸钕(NdScO3)中的一种，且衬底材料为(110)取向生长的单晶基片。
[0009]进一步的，外延钛酸锶钡薄膜材料的厚度为100～600nm。
[0010]进一步的，外延钛酸锶钡薄膜材料在常温下为铁电相，用以作为介质薄膜变容器的介质层材料。
[0011]进一步的，外延钛酸锶钡薄膜材料通过磁控溅射法外延生长于衬底材料上表面，
生长温度(衬底材料的温度)为700～1000℃，生长速率为10～50nm/h。
[0012]进一步的，所述低损耗的外延钛酸锶钡薄膜材料的制备方法包括以下步骤：
[0013]步骤1.将衬底材料依次用去离子水、丙酮、无水乙醇、去离子水进行超声清洗，并干燥备用；
[0014]步骤2.将衬底材料转移到磁控溅射设备的沉积腔体中、并固定在样品加热盘上，同时放置钛酸锶钡靶材、并设置靶材与衬底材料之间的距离为50～100mm，再将沉积腔体的本底真空抽至1.0
×
10
‑3Pa以下；
[0015]步骤3.用加热器将衬底温度升至700～1000℃；
[0016]步骤4.向沉积腔体中通入氧气与氩气的混合气体，使沉积腔体内部的压强达到0.2～5.0Pa；
[0017]步骤5.启动射频电源，将溅射功率密度设置为5～20W/cm2、溅射速率设置为10～50nm/h、溅射时间为5h～15h，完成溅射得到厚度为100～600nm的钛酸锶钡薄膜；
[0018]步骤6.将钛酸锶钡薄膜进行原位退火处理，得到低损耗的外延钛酸锶钡薄膜材料。
[0019]更进一步的，步骤1中，超声清洗的单次时间为5min～20min，超声功率为50W～150W，干燥方式为氮气吹干、烘干或者真空干燥。
[0020]更进一步的，步骤3中，升温速率为2℃/min～5℃/min。
[0021]更进一步的，步骤4中，氧气与氩气的混合比例为1:(4～1)。
[0022]更进一步的，步骤6中，退火处理的退火温度为700～1000℃、退火氧压为1.0
×
102～1.0
×
105Pa、退火时长为10～60min。
[0023]基于上述技术方案，本专利技术的有益效果在于：
[0024]本专利技术提供一种在高频下具有低损耗特性的外延钛酸锶钡薄膜材料及其制备方法，采用钪酸镝(DyScO3)、钪酸钆(GdScO3)、钪酸钐(SmScO3)或钪酸钕(NdScO3)的(110)取向生长的单晶基片作为衬底材料，衬底材料与本专利技术制备钛酸锶钡薄膜具有较低的晶格失配度，基于磁控溅射方法在较高温度(700～1000℃)的衬底上以较低生长速率(10～50nm/h)制备得到钛酸锶钡薄膜，实现薄膜与衬底之间的外延生长关系，得到外延钛酸锶钡薄膜材料；所述外延钛酸锶钡薄膜材料具有(001)外延结构，比多晶结构的钛酸锶钡薄膜具有更大的介电常数；并且，外延钛酸锶钡薄膜材料在高温衬底上以低生长速率外延生长，具有缺陷少、外延质量高的优点，摇摆曲线半高宽表征结果为0.06
°
～0.15
°
；同时，本专利技术制备的外延钛酸锶钡薄膜材料在高频下具有低损耗特性：在0.1GHz～4GHz频段中达到1/tanδ>100、甚至部分频段下达到1/tanδ>1000，在4GHz～10GHz的频段中保持1/tanδ在30～100之间，能在较宽的微波频段应用；另外，本专利技术中外延钛酸锶钡薄膜材料的外延制备工艺采用射频磁控溅射工艺，能够实现钛酸锶钡薄膜的大面积和大批量制备，具有工业应用优势。
附图说明
[0025]图1为本专利技术实施例中制备的Ba
0.7
Sr
0.3
TiO3/GdScO3薄膜材料在薄膜和衬底交界面处的SAED图像。
[0026]图2为本专利技术实施例中制备的Ba
0.7
Sr
0.3
TiO3/GdScO3薄膜材料的XRD图谱。
[0027]图3为本专利技术实施例中制备的Ba
0.7
Sr
0.3
TiO3/GdScO3薄膜材料的BST(002)衍射峰摇
摆曲线图像。
[0028]图4为本专利技术实施例中制备的Ba
0.7
Sr
0.3
TiO3/GdScO3薄膜材料的在交界面处的高分辨透射电子显微镜图像。
[0029]图5为本专利技术实施例中制备的Ba
0.7
Sr
0.3<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低损耗的外延钛酸锶钡薄膜材料，其特征在于，所述外延钛酸锶钡薄膜材料外延生长于衬底材料上表面、并形成(001)外延结构，外延钛酸锶钡薄膜材料中钡(Ba)含量在65％
‑
95％之间，衬底材料与钛酸锶钡薄膜面内的晶格常数失配程度小于0.1％。2.按权利要求1所述低损耗的外延钛酸锶钡薄膜材料，其特征在于，衬底材料为钪酸镝(DyScO3)、钪酸钆(GdScO3)、钪酸钐(SmScO3)和钪酸钕(NdScO3)中的一种，且衬底材料为(110)取向生长的单晶基片。3.按权利要求1所述低损耗的外延钛酸锶钡薄膜材料，其特征在于，外延钛酸锶钡薄膜材料的厚度为100～600nm。4.按权利要求1所述低损耗的外延钛酸锶钡薄膜材料，其特征在于，外延钛酸锶钡薄膜材料在常温下为铁电相，用以作为介质薄膜变容器的介质层材料。5.按权利要求1所述低损耗的外延钛酸锶钡薄膜材料，其特征在于，外延钛酸锶钡薄膜材料通过磁控溅射法外延生长于衬底材料上表面，生长温度(衬底材料的温度)为700～1000℃，生长速率为10～50nm/h。6.按权利要求1所述低损耗的外延钛酸锶钡薄膜材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1.将衬底材料依次用去离子水、丙酮、无水乙醇、去离子水进行超声清洗，并干燥备用；步骤2.将衬底材料转移到磁控溅射设备的沉积腔体中、并固定在样品加热盘上，同时放置钛酸锶钡靶材、并设置靶材与衬底材...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋书文，叶东瑾，聂鹏昊，张万里，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：