Ba制造技术

本发明专利技术属于射频微波技术领域，具体为一种Ba

【技术实现步骤摘要】
Ba
x
Sr1‑
x
TiO3薄膜的制备办法


[0001]本专利技术属于射频微波
，具体涉及Ba
x
Sr1‑
x
TiO3薄膜的制备办法。

技术介绍

[0002]目前，安森美半导体TCP系列和意法半导体STPTIC系列的微波可调电容，其材料均为钙钛矿型铁电氧化物钛酸锶钡Ba
x
Sr1‑
x
TiO3(0＜X＜1)的陶瓷片。钙钛矿型铁电氧化物作为介电常数可以被外电场调制的电介质材料，在射频领域获得了极为广泛的应用：微波可调电容通过电场E调制铁电材料的介电常数ε达到改变其电容值C和频率阻抗Z＝1/jωC的效果，并且由两个关键参数来表征调制效果：
[0003](1)质量因子Q，与介电损耗tanδ成倒数关系，也可以表达为介电常数实部和虚部的比值ε
’
/ε”；
[0004](2)调制比n，介电常数在处于零电场和非零电场时的比值ε
’
(E＝0)/ε
’
(E≠0)。
[0005]一般来说，高介电常数对应高调制比。在众多钙钛矿铁电材料中，钛酸钡BaTiO3的顺电
‑
铁电相变温度为120℃，在室温处于铁电四方相，相对介电常数大于1000；钛酸锶SrTiO3作为量子顺电材料，室温处于立方相，相对介电常数大于100，由两者组成的Ba
x
Sr1‑
x
TiO3的固溶体消除了BaTiO3在室温的铁电驰豫，同时具有较高的介电常数。
[0006]然而，Ba
x
Sr1‑
x
TiO3材料的薄膜进入GHz频率后普遍具有明显的介电色散，导致电容调制比n值过低的同时伴随质量因子Q值的快速衰减。为了提高Ba
x
Sr1‑
x
TiO3薄膜的高频性能，生长了(111)取向的Ba
0.6
Sr
0.4
TiO3薄膜，在40GHz取得了10
‑
20的Q值
[1]。使用分子束外延的方法生长高质量的Ba
x
Sr1‑
x
TiO3薄膜，精细调控薄膜成分(x＝0.29)和厚度，在高频取得了2:1的n值和100的Q值
[2][3]。针对生长过程中遇到的空位、局部带电区域等缺陷所造成的额外介电损耗，采用Ruddlesden
‑
Popper相的(SrTiO3)6SrO薄膜，将标准钙钛矿结构的SrTiO3插层到由SrO层构成的岩盐结构，通过调控局域的化学剂量比和晶体结构，从根本上抑制了薄膜中的缺陷产生，结果在1
‑
100GHz的带宽内获得了100
‑
1000的高Q值和约1.3:1的n值，为提高薄膜的介电性能提供了新的思路
[4][5]。
[0007]表1：董显林组、Stemmer组和Schlom组的Ba
x
Sr1‑
x
TiO3性能对比
[0008][0009][0010]然而，Ba
x
Sr1‑
x
TiO3材料的薄膜进入GHz频率后普遍具有明显的介电色散，导致电容调制比n值过低的同时伴随质量因子Q值的快速衰减。Ba
x
Sr1‑
x
TiO3材料在4G和5G频率范围的
相变温度T
c
、Q值和n值，从中可以分析出3个共性现象：
[0011](1)相变温度T
c
普遍低于300K，薄膜在室温均处于顺电相；
[0012](2)薄膜的Q值随着频率ω的上升而逐渐衰减；
[0013](3)薄膜的n值(≈2:1)普遍较小；
[0014]对于钙钛矿铁电体材料，传统上人们认为铁电相中存在的畴壁会造成额外的介质损耗，因此Ba
x
Sr1‑
x
TiO3薄膜普遍采用相变温度远低于室温的顺电相。然而，瑞士洛桑理工学院的Alexander Tagantsev教授指出，铁电相中由畴壁移动引起的介质损耗是否占据主导作用需要进一步的研究，并不能直接排除铁电相材料作为可调介电材料的可能。

技术实现思路

[0015]本专利技术的目的在于提供一种Ba
x
Sr1‑
x
TiO3薄膜的制备办法，以提升薄膜的微波介电性能对温度的响应。
[0016]本专利技术提供的Ba
x
Sr1‑
x
TiO3薄膜的制备办法，其流程参见图2所示，包括：精确标定出各Ba
x
Sr1‑
x
TiO3成分的薄膜和衬底组合的微波介电谐振的工作温区；通过相场模型描绘铁电极化P在畴壁区域的实际分布，并结合分子动力学方法计算畴壁区域的原子运动轨迹，寻找局域性的声子散射模式，厘清谐振频率ω
r
反转的微观机制；应用上述理论，以BaTiO3和SrTiO3的靶材，设计实现梯度成分的Ba
x
Sr1‑
x
TiO3薄膜的制备。具体步骤如下：
[0017](1)利用GLD模型
[6][7]计算Ba
x
Sr1‑
x
TiO3(0＜X＜1)的相图
[0018]从能量角度考虑，固溶体Ba
x
Sr1‑
x
TiO3体系的自由能F包括朗道自由能F
Landau
、弹性势能F
elastic
和静电势能F
electric
；自由能F可以表达为：
[0019]F＝G+u
i σ
i ， (i＝1～6)，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0020]其中，G为吉布斯自由能，是关于序参量P偶次项多项式之和，u
i
为衬底和薄膜晶格失配造成的应变，σ
i
为外界对薄膜施加的应力，P为薄膜的极化强度，用于描述薄膜的有序化程度，被称为序参量；对于生长在衬底上的(001)方向的Ba
x
Sr1‑
x
TiO3薄膜，在自由表面没有外加机械力的作用，故σ3＝0、σ4＝0、σ5＝0；在衬底表面应变完全由衬底控制，即u1＝u
m
，u2＝u
m
，u6＝0；u
m
为失配应变；b为衬底的晶格常数，a
x
为薄膜的等效晶格常数。由此可以将自由能F表达式转为关于序参量P、温度T和失配应变u
m
的函数，即：
[0021][0022]其中，β、k、α、t为相关系数，通过实验确定；是固溶体的二阶序参数，在计算时置为零；P1，P2，P3分别是P在(100)、(010)、(001)的分量；
[0023][0024]当在本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种Ba
x
Sr1‑
x
TiO3薄膜的制备办法，其特征在于，具体步骤如下：(1)利用GLD模计算Ba
x
Sr1‑
x
TiO3的相图，0＜X＜1固溶体Ba
x
Sr1‑
x
TiO3体系的自由能F包括朗道自由能F
Landau
、弹性势能F
elastic
和静电势能F
electric
；自由能F表达为：F＝G+u
i
σ
i
，(i＝1～6)，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)其中，G为吉布斯自由能，是关于序参量P偶次项多项式之和，u
i
为衬底和薄膜晶格失配造成的应变，σ
i
为外界对薄膜施加的应力，P为薄膜的极化强度，用于描述薄膜的有序化程度，被称为序参量；对于生长在衬底上的(001)方向的Ba
x
Sr1‑
x
TiO3薄膜，在自由表面没有外加机械力的作用，故σ3＝0、σ4＝0、σ5＝0；在衬底表面应变完全由衬底控制，即u1＝u
m
，u2＝u
m
，u6＝0；u
m
为失配应变；b为衬底的晶格常数，a
x
为薄膜的等效晶格常数；由此将自由能F表达式转为关于序参量P、温度T和失配应变u
m
的函数，具体为：其中，β、k、α、t为相关系数，是固溶体的二阶序参数；P1，P2，P3分别是P在(100)、(010)、(001)的分量；其中s
ij
为固溶体的柔度；当在一定温度和失配应变下，自由能对序参量P的导数为零，即可求出此时的畴结构，以此为基础计算得到Ba
x
Sr1‑
x
TiO3关于失配应变和温度的相图；(2)选择衬底材料为了清晰地表征薄膜畴壁区域，采用晶格常数比Ba
x
Sr1‑
x
TiO3薄膜更大的衬底，以便对
薄膜施加更大的拉伸应力，使Ba
x
Sr1‑
x
TiO3薄膜通过产生更为致密的铁电畴结构来降低弹性势能；具体地控制薄膜与衬底的晶格失配不高于1.5％；(3)成分梯度型Ba
x
Sr1‑
x
TiO3薄膜的生长根据预设的Ba
x
Sr1‑
x
TiO3薄膜成分变化率，选取原型BaTiO3和SrTiO3的靶材，在梯度型薄膜生长前，先找到BaTiO3和SrTiO3的生长条件，以此确定两个材料的共同生长窗口；在生长过程中通过电脑程序，线性控制转靶系统在BaTiO3和SrTiO3两个靶间来回切换，同时搭配合适的KrF激光的打靶频率，预留足够的时间完成靶间切换，以防激光打到靶材托盘造成污染；在薄膜生长后，表征薄膜的晶体结构和成分，根据薄膜的各项性能调整生长工艺，将SrTiO3靶替换为一定成分的Ba
x
Sr1‑
x
TiO3靶，为和BaTiO3靶的搭配生长提供更大的共同窗口；具体流程为：(3.1)Ba
x
Sr1‑
x
TiO3薄膜的生长：选取xBa
x
Sr1‑
x
TiO3陶瓷溅射靶材，装载于高真空薄膜生长腔体；(3.2)将薄膜生长的衬底对准于入射的红外加热激光后固定于衬底托，抽取本底高真空1e
‑
6torr后，使用红外加热激光照射衬底加热至生长温度600℃～700℃；(3.3)在腔体中注入mtorr大小的高纯度氧气，使用氟化氪KrF脉冲激光以固定打靶频率轰击Ba
x
Sr1‑
x
TiO3陶瓷溅射靶材，形成等离子体羽辉，沉积至薄膜生长的衬底；(3.4)薄膜生长至预定的厚度后向腔体注入1atm的氧气，以5℃/min的速率降低衬底温度冷却至室温；(3.5)使用标准光刻工艺流程制作叉指电极结构的电容图案，通过热蒸发设备蒸镀金属镉Cr和金Au，浸泡去胶溶液用于去除光刻胶；在生长过程中，通过电脑程序，线性控制转靶系统在BaTiO3和SrTiO3两个靶间来回切换，通过控制打不同靶的时间，生成不同成分的Ba
x
Sr1‑
x
TiO3薄膜，在BaTiO3和SrTiO3两个靶间以固定打靶时间比切换，生成单一均匀成分的Ba
x
Sr1‑
x
TiO3薄膜，0＜X＜1，通过线性变化打靶时间比，生成一定厚度内成分连续线性变化的Ba
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Sr1‑
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TiO3梯度成分薄膜，0＜X＜1。2.根据权利要求1所述的Ba
x
Sr1‑
x
TiO3薄膜的制备办法，其特征在于，所述表征薄膜的晶体结构和成分，包括：(1)利用x射线衍射与原子力显微镜表征薄膜...

【专利技术属性】
技术研发人员：顾宗铨，于浦，殷立峰，徐鸿涛，许凯，陆冰彬，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：