一種全透型薄膜壓控變?nèi)莨芗捌渲苽浞椒?br> 【專利摘要】本發(fā)明公開了一種全透型薄膜壓控變?nèi)莨芗捌渲苽浞椒ǎ诓Ａбr底(1)上依次設(shè)置有ITO薄膜(2)、BST薄膜(3)和ITO電極(4)；所述ITO薄膜(2)的化學(xué)式為SnxIn1-xO，其中0.02<x<0.04；所述BST薄膜(3)的化學(xué)式為BaxSr1-xTiO3，其中x＝0.3～0.7。采用磁控濺射沉積法，在玻璃襯底上沉積底電極ITO薄膜層、中間BaxSr1-xTiO3可調(diào)介質(zhì)層(BST薄膜)和頂電極ITO層。本發(fā)明壓控變?nèi)莨艿耐高^率≥70％；調(diào)諧率≥40％(100KHz)，且器件穩(wěn)定性好，為透明通訊和顯示設(shè)備的開發(fā)和應(yīng)用提供了優(yōu)良的電子元器件基礎(chǔ)。
【專利說明】一種全透型薄膜壓控變?nèi)莨芗捌渲苽浞椒?br>
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明是關(guān)于電子信息材料與元器件的，具體涉及一種全透型BaxSivxT13薄膜壓控變?nèi)莨芗捌渲苽浞椒ā?br>
【背景技術(shù)】
[0002]微波電子系統(tǒng)正向?qū)掝l帶、高容量、體積更加小型化的方向發(fā)展，對集成化、高性能的微波元器件的需求日益迫切。介電可調(diào)材料具有介電常數(shù)隨外加電場變化而變化的介電非線性特性，利用這種特性可以調(diào)制微波信號的頻率、相位、幅度，制成壓控微波器件，如移相器、自適應(yīng)匹配網(wǎng)絡(luò)、電調(diào)濾波器、壓控振蕩器、電控衰減器、微波開關(guān)、限幅器等。介質(zhì)壓控微波器件具有易集成、成本低、功耗小、承受功率大、響應(yīng)速度快、可靠性高的特點(diǎn)，在移動(dòng)通信、衛(wèi)星系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)等軍事和民用電子系統(tǒng)中有著巨大應(yīng)用前景。
[0003]鈦酸鍶鋇BaxSivxT13 (BST)鐵電材料的微波介電調(diào)諧性能就引起了人們的廣泛興趣。與塊體材料相比，薄膜器件工作電壓低、響應(yīng)速度快、能夠與微帶線電路技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù)集成，因此，過去近20年，BST薄膜材料的制備、結(jié)構(gòu)和性能得到集中深入的研究。制備在Pt電極上的鈦酸鍶鋇基薄膜的調(diào)諧率可達(dá)到60%以上。
[0004]透明固態(tài)電子器件在透明顯示、電子紙以及其他大面積透明電子系統(tǒng)中有著應(yīng)用前景。作為電子系統(tǒng)中的重要組成部分，壓控變?nèi)莨苁请娮油ㄓ嵲O(shè)備必不可少的元器件，因此實(shí)現(xiàn)壓控變?nèi)莨艿耐该骰菍?shí)現(xiàn)電子通訊設(shè)備透明顯示的必要環(huán)節(jié)。
[0005]BST材料具有較大的光學(xué)帶隙(>3eV)，因而在可見光范圍內(nèi)具有較好的透過率。因此，如果選用透明電極及襯底，將可能實(shí)驗(yàn)全透明的壓控變?nèi)莨?，并可能集成于未來可視電子器件中。這種全透型薄膜壓控變?nèi)莨懿⒉皇侨〈杌傻碾娮悠骷?，而是為未來可視電子器件提供一種新的概念，在透明電子器件領(lǐng)域?qū)⒂锌赡艿玫綇V泛應(yīng)用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的，是在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，提供一種新的透明BaxSivxT13薄膜壓控變?nèi)莨艿闹谱鞣椒ā?br> [0007]本發(fā)明通過如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)。
[0008]—種全透型薄膜壓控變?nèi)莨?包括導(dǎo)電玻璃襯底和電極，其特征在于，在玻璃襯底(I)的上面依次設(shè)置有ITO薄膜⑵、BST薄膜(3)和ITO電極(4);
[0009]所述ITO薄膜(2)即摻錫氧化銦薄膜，化學(xué)式為SnxIrvxO,其中0.02<x<0.04 ；
[0010]所述BST薄膜⑶即鈦酸鍶鋇基薄膜，化學(xué)式為BaxSr^xT13，其中x = 0.3?0.7 ;
[0011]該全透型薄膜壓控變?nèi)莨艿闹苽浞椒?，具有如下步驟:
[0012](I)采用固相燒結(jié)法制備BaxSr1-J13靶材及ITO靶材；
[0013]按BaxSivxT13，其中x = 0.3?0.7對應(yīng)元素的化學(xué)計(jì)量比稱取BaC03、SrCO3和T12,經(jīng)充分混合后，壓制成型，再置于箱式電爐中逐步升溫至1150°c，并保溫10小時(shí)，制得BaxSr1-J13 靶材；
[0014]按SnxIrvxO,其中0.02<x<0.04對應(yīng)元素的化學(xué)計(jì)量比稱取SnO2和In2O3，經(jīng)充分混合后，壓制成型，再置于箱式電爐中逐步升溫至1150°C，并保溫10小時(shí)，制得ITO靶材；
[0015](2)將清潔干燥的襯底放入磁控濺射樣品臺(tái)上；
[0016](3)將磁控濺射系統(tǒng)的本底真空抽至P = 1.0X 10_6?7.0X KT6Torr，然后加熱襯底至400?500°C ；
[0017](4)在步驟(3)系統(tǒng)中，使用Ar和O2作為濺射氣體，濺射功率為50?200W，進(jìn)行沉積得到厚度為150?600nm的ITO導(dǎo)電薄膜電極；
[0018](5)步驟(4)停止后，使用Ar和O2作為濺射氣體，濺射功率為50?200W，進(jìn)行沉積得到厚度為150?400nm的BaxSr1-J13薄膜；
[0019](6)步驟(5)停止后，待襯底溫度降至100°C以下時(shí)，取出制品，在氧氣氣氛爐中進(jìn)行后退火處理；
[0020](7)在步驟(5)退火處理后的BaxSivxT1j^膜上面，利用掩膜版，采用磁控濺射法制備厚度為100?600nm的ITO透明電極，制得全透型BaxSivxT13薄膜壓控變?nèi)莨堋?br> [0021]所述步驟(I)的原料BaC03、SrCO3和T12的純度均在99%以上；Sn02和In2O3的純度均在99.9%以上。
[0022]所述步驟(2)的襯底為石英、普通玻璃或者藍(lán)寶石襯底。
[0023]所述步驟⑷或(5)的Ar和O2的純度均在99.99 %以上，磁控濺射系統(tǒng)中的氧氣和IS氣的分壓比在1/15與1/4之間。
[0024]所述步驟(4)或(5)沉積得到的薄膜厚度通過調(diào)節(jié)工藝參數(shù)或者沉積時(shí)間來控制。
[0025]所述步驟(6)的氧氣氛爐中通入的氧氣壓強(qiáng)彡0.1Mpa，氧氣純度彡99%。
[0026]所述步驟(6)的退火溫度為700°C，退火時(shí)間為5?60min。
[0027]所述步驟(7)的ITO透明電極為圓形電極，直徑為0.1?0.3mm。
[0028]該全透型BaxSivxT13薄膜變?nèi)莨艿耐高^率> 70% ;調(diào)諧率> 40%，測試頻率為10KHz。
[0029]本發(fā)明的全透型BaxSivxT13薄膜壓控變?nèi)莨艿耐该餍愿?，調(diào)諧率較高，且器件穩(wěn)定性好，為透明通訊和顯示設(shè)備的開發(fā)和應(yīng)用提供了優(yōu)良的電子元器件基礎(chǔ)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]圖1為本發(fā)明全透型薄膜壓控變?nèi)莨艿慕Y(jié)構(gòu)示意圖；
[0031]圖1中的附圖標(biāo)記如下:
[0032]1-玻璃襯底 2-1TO薄膜
[0033]3-BST 薄膜 4-1TO 電極
[0034]圖2為實(shí)施例1的IT0/Baa6Sra4Ti03/IT0結(jié)構(gòu)薄膜壓控變?nèi)莨艿墓鈱W(xué)透過性能(紫外-可見光譜)圖譜；
[0035]圖3為實(shí)施例1的IT0/BaQ.6SrQ.4Ti03/IT0結(jié)構(gòu)薄膜壓控變?nèi)莨艿慕殡娦阅?電場可調(diào))圖譜。

【具體實(shí)施方式】
[0036]下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步闡述，應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0037]本發(fā)明選用的Sn摻雜的In2O3(ITO)為底電極層，其分子通式為SnxIrvxO(0.02〈χ〈0.04)，電阻率約為 2Χ 1(Γ4 ?9Χ 1(Γ4 歐姆?厘米。以 BaxSr1^xT13 作為可調(diào)介質(zhì)層。其特征在于:在襯底上沉積底電極ITO層(即ITO薄膜2)、中間BaxSivxT13可調(diào)介質(zhì)層(即BST薄膜3)和頂電極ITO層(即ITO電極4)。由上下電極層和可調(diào)介質(zhì)層構(gòu)成透明可調(diào)壓控變?nèi)莨埽捎么趴貫R射沉積法制作，具體工藝步驟如下:
[0038]實(shí)施例1
[0039](I)采用固相燒結(jié)法制備Baa6Sra4T13靶材及ITO靶材
[0040]用電子天平按Baa6Sra4T13對應(yīng)元素的化學(xué)計(jì)量比稱取純度均為99%的BaC03、SrCO3和T12,經(jīng)充分混合后，在30Mpa的壓力下壓制成型，最后置于箱式電爐中逐步升溫至1450°C，并保溫 10 小時(shí)，制得 Baa6Sra4T13-M ;；
[0041]用電子天平按Snatl3Ina97O,對應(yīng)元素的化學(xué)計(jì)量比稱取純度均為99.99%的SnO2和In2O3，經(jīng)充分混合后，在30Mpa的壓力下壓制成型，最后置于箱式電爐中逐步升溫至1150°C，并保溫10小時(shí)，制得ITO陶瓷靶材。
[0042](2)將石英玻璃襯底，經(jīng)丙酮、乙醇和去離子水標(biāo)準(zhǔn)超聲清洗，以N2吹干并放入磁控濺射樣品臺(tái)上。
[0043](3)將磁控濺射系統(tǒng)的本底真空抽至7.0X 10_6Torr，然后加熱石英玻璃襯底襯底至 400°C。
[0044](4)采用制得的ITO陶瓷靶材，使用高純(99.99% )Ar和O2作為濺射氣體，氬氣和氧氣的流量比為15:1，濺射氣壓為lOmTorr。濺射功率為100W，沉積得到厚度為300nm的ITO導(dǎo)電薄膜電極(底電極層)，即圖1中的ITO薄膜2 ；
[0045]再采用Baa6Sra4T13靶材，以高純(99.99% )Ar和O2作為濺射氣體，氬氣和氧氣的流量比為17:3，濺射氣壓為1mTorr。濺射功率為200W，進(jìn)行沉積得到厚度為200nm的Baa6Sra4T13薄膜，即圖1中的BST薄膜3 ;可以通過調(diào)節(jié)工藝參數(shù)或者沉積時(shí)間控制薄膜厚度。
[0046](5)將步驟(4)得到的Baa6Sra4T13薄膜置入氣氛爐中進(jìn)行后退火處理，通入純度為99%的O2，退火氣壓為0.02Mpa，退火溫度為700°C，退火時(shí)間為lOmin。
[0047](6)采用孔洞直徑為0.2mm的掩膜版，摻雜Sn (3at% )的In2O3陶瓷靶材，在本底真空為4.0X KT4Pa和400°C條件下，在退火后的Baa6Sra4T13薄膜上面沉積厚度為400nm的ITO頂電極，即圖1中的ITO電極4 ;制得全透型Baa6Sra4T13薄膜壓控變?nèi)莨堋?br> [0048]制備獲得的透明Baa6Sra4T13薄膜壓控變?nèi)莨?，其結(jié)構(gòu)為普通玻璃襯底上具有IT0/BST/IT0 “三明治結(jié)構(gòu)”(“三文治結(jié)構(gòu)”是指底層為ITO薄膜，中間層為為BST薄膜，頂層為ITO電極)。如圖1所示。
[0049]圖2為IT0/BaQ.6SrQ.4Ti03/IT0薄膜壓控變?nèi)莨苤破返墓鈱W(xué)透過性能(紫外-可見光譜)圖譜，可見在可見光范圍內(nèi)的平均光學(xué)透過率達(dá)73%。
[0050]圖3為IT0/BaQ.6SrQ.4Ti03/IT0薄膜壓控變?nèi)莨苤破返慕殡娦阅?電場可調(diào))圖譜，可見在1.0MV/cm的電場下調(diào)諧率為42%。
[0051]實(shí)施例2
[0052](I)采用固相燒結(jié)法制備Baa3Sra7T13靶材及ITO靶材
[0053]用電子天平按Baa3Sra7T13對應(yīng)元素的化學(xué)計(jì)量比稱取純度均為99%的BaC03、SrCO3和T12,經(jīng)充分混合后，在30Mpa的壓力下壓制成型，最后置于箱式電爐中逐步升溫至1450°C，并保溫 10 小時(shí)，制得 Baa3Sra7T13-M ;；
[0054]用電子天平按Snatl3Ina97O,對應(yīng)元素的化學(xué)計(jì)量比稱取純度均為99.99%的SnO2和In2O3，經(jīng)充分混合后，在30Mpa的壓力下壓制成型，最后置于箱式電爐中逐步升溫至1150°C，并保溫10小時(shí)，制得ITO陶瓷靶材。
[0055](2)將石英玻璃襯底，經(jīng)丙酮、乙醇和去離子水標(biāo)準(zhǔn)超聲清洗，以N2吹干并放入磁控濺射樣品臺(tái)上。
[0056](3)將磁控濺射系統(tǒng)的本底真空抽至7.0X 10_6Torr，然后加熱石英玻璃襯底襯底至 400°C。
[0057](4)采用制得的ITO陶瓷靶材，使用高純(99.99% )Ar和O2作為濺射氣體，氬氣和氧氣的流量比為15:1，濺射氣壓為lOmTorr。濺射功率為100W，沉積得到厚度為300nm的ITO導(dǎo)電薄膜電極(底電極層)。
[0058]再采用Baa3Sra7T13靶材，以高純(99.99% )Ar和O2作為濺射氣體，氬氣和氧氣的流量比為17:3，濺射氣壓為1mTorr。濺射功率為200W，進(jìn)行沉積得到厚度為150nm的Ba0.6Sr0.J13薄膜，可以通過調(diào)節(jié)工藝參數(shù)或者沉積時(shí)間控制薄膜厚度。
[0059](5)將步驟(4)得到的Baa3Sra7T13薄膜置入氣氛爐中進(jìn)行后退火處理，通入純度為99%的O2，退火氣壓為0.02Mpa，退火溫度為700°C，退火時(shí)間為lOmin。
[0060](6)采用孔洞直徑為0.2mm的掩膜版，摻雜Sn (3at% )的In2O3陶瓷靶材，在本底真空為4.0X KT4Pa和400°C條件下，在退火后的Baa3Sra7T13薄膜上面沉積厚度為400nm的ITO頂電極，制得全透型Baa3Sra7T13薄膜壓控變?nèi)莨堋?br> [0061]所制得的IT0/BaQ.3SrQ.7Ti03/IT0薄膜壓控變?nèi)莨苤破返脑诳梢姽夥秶鷥?nèi)的平均光學(xué)透過率達(dá)75%。
[0062]所制得的ImZBaa3Sra7TiCVITO薄膜壓控變?nèi)莨苤破吩?.0MV/cm的電場下調(diào)諧率為40%。
[0063]實(shí)施例3
[0064](I)采用固相燒結(jié)法制備Baa7Sra3T13靶材及ITO靶材
[0065]用電子天平按Baa7Sra3T13對應(yīng)元素的化學(xué)計(jì)量比稱取純度均為99%的BaC03、SrCO3和T12,經(jīng)充分混合后，在30Mpa的壓力下壓制成型，最后置于箱式電爐中逐步升溫至1450°C，并保溫 10 小時(shí)，制得 Baa7Sra3T13-M ;；
[0066]用電子天平按Snatl3Ina97O,對應(yīng)元素的化學(xué)計(jì)量比稱取純度均為99.99%的SnO2和In2O3，經(jīng)充分混合后，在30Mpa的壓力下壓制成型，最后置于箱式電爐中逐步升溫至1150°C，并保溫10小時(shí)，制得ITO陶瓷靶材。
[0067](2)將石英玻璃襯底，經(jīng)丙酮、乙醇和去離子水標(biāo)準(zhǔn)超聲清洗，以N2吹干并放入磁控濺射樣品臺(tái)上。
[0068](3)將磁控濺射系統(tǒng)的本底真空抽至7.0X 10_6Torr，然后加熱石英玻璃襯底襯底至 400°C。
[0069](4)采用制得的ITO陶瓷靶材，使用高純(99.99% )Ar和O2作為濺射氣體，氬氣和氧氣的流量比為15:1，濺射氣壓為lOmTorr。濺射功率為100W，沉積得到厚度為300nm的ITO導(dǎo)電薄膜電極(底電極層)。
[0070]再采用Baa7Sra3T13靶材，以高純(99.99% )Ar和O2作為濺射氣體，氬氣和氧氣的流量比為17:3，濺射氣壓為1mTorr。濺射功率為200W，進(jìn)行沉積得到厚度為400nm的Ba0.6Sr0.J13薄膜，可以通過調(diào)節(jié)工藝參數(shù)或者沉積時(shí)間控制薄膜厚度。
[0071](5)將步驟(4)得到的Baa7Sra3T13薄膜置入氣氛爐中進(jìn)行后退火處理，通入純度為99%的O2，退火氣壓為0.02Mpa，退火溫度為700°C，退火時(shí)間為lOmin。
[0072](6)采用孔洞直徑為0.2mm的掩膜版，摻雜Sn (3at% )的In2O3陶瓷靶材，在本底真空為4.0X KT4Pa和400°C條件下，在退火后的Baa7Sra3T13薄膜上面沉積厚度為400nm的ITO頂電極，制得全透型Baa7Sra3T13薄膜壓控變?nèi)莨堋?br> [0073]所制得的IT0/Baa 7Sra 3T13/1TO薄膜壓控變?nèi)莨苤破返脑诳梢姽夥秶鷥?nèi)的平均光學(xué)透過率達(dá)71 %。
[0074]所制得的ITCVBaa7Sra3TiCVITO薄膜壓控變?nèi)莨苤破吩?.0MV/cm的電場下調(diào)諧率為49%。
【權(quán)利要求】
1.一種全透型薄膜壓控變?nèi)莨?，包括?dǎo)電玻璃襯底和電極，其特征在于，在玻璃襯底(I)的上面依次設(shè)置有ITO薄膜⑵、BST薄膜(3)和ITO電極(4); 所述ITO薄膜⑵即摻錫氧化銦薄膜，化學(xué)式為SnxIrvxO,其中0.02<x<0.04 ； 所述BST薄膜(3)即鈦酸鍶鋇基薄膜，化學(xué)式為BaxSr1-J13,其中x = 0.3?0.7 ; 該全透型薄膜壓控變?nèi)莨艿闹苽浞椒?，具有如下步驟: (1)采用固相燒結(jié)法制備BaxSivxT13靶材及ITO靶材； 按BaxSivxT13，其中X = 0.3?0.7對應(yīng)元素的化學(xué)計(jì)量比稱取BaC03、SrC03和T12,經(jīng)充分混合后，壓制成型，再置于箱式電爐中逐步升溫至1150°C，并保溫10小時(shí)，制得BaxSr1-J13 靶材； 按SnxIrvxO,其中0.02<x<0.04對應(yīng)元素的化學(xué)計(jì)量比稱取SnO2和In2O3,經(jīng)充分混合后，壓制成型，再置于箱式電爐中逐步升溫至1150°C，并保溫10小時(shí)，制得ITO靶材； (2)將清潔干燥的襯底放入磁控濺射樣品臺(tái)上； (3)將磁控濺射系統(tǒng)的本底真空抽至P=LOX10_6?7.0 X 10_6Torr，然后加熱襯底至400 ?500。。； (4)在步驟(3)系統(tǒng)中，使用Ar和O2作為濺射氣體，濺射功率為50?200W，進(jìn)行沉積得到厚度為150?600nm的ITO導(dǎo)電薄膜電極； (5)步驟⑷停止后，使用Ar和O2作為濺射氣體，濺射功率為50?200W，進(jìn)行沉積得到厚度為150?400nm的BaxSr1^xT13薄膜； (6)步驟(5)停止后，待襯底溫度降至100°C以下時(shí)，取出制品，在氧氣氣氛爐中進(jìn)行后退火處理； (7)在步驟(5)退火處理后的BaxSivxT1j^膜上面，利用掩膜版，采用磁控濺射法制備厚度為100?600nm的ITO透明電極，制得全透型BaxSivxT13薄膜壓控變?nèi)莨堋?br> 2.根據(jù)權(quán)利要求1的一種全透型薄膜壓控變?nèi)莨埽涮卣髟谟?，所述步驟(I)的原料BaCO3> SrCO3和T12的純度均在99%以上；Sn02和In2O3的純度均在99.9%以上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的一種全透型薄膜壓控變?nèi)莨?，其特征在于，所述步驟(2)的襯底為石英、普通玻璃或者藍(lán)寶石襯底。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的一種全透型薄膜壓控變?nèi)莨埽涮卣髟谟?，所述步驟(4)或(5)的Ar和O2的純度均在99.99%以上，磁控濺射系統(tǒng)中的氧氣和氬氣的分壓比在1/15與1/4之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的一種全透型薄膜壓控變?nèi)莨埽涮卣髟谟?，所述步驟(4)或(5)沉積得到的薄膜厚度通過調(diào)節(jié)工藝參數(shù)或者沉積時(shí)間來控制。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的一種全透型薄膜壓控變?nèi)莨埽涮卣髟谟?，所述步驟(6)的氧氣氛爐中通入的氧氣壓強(qiáng)彡0.1Mpa，氧氣純度彡99%。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的一種全透型薄膜壓控變?nèi)莨?，其特征在于，所述步驟(6)的退火溫度為700°C，退火時(shí)間為5?60min。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的一種全透型薄膜壓控變?nèi)莨?，其特征在于，所述步驟(7)的ITO透明電極為圓形電極，直徑為0.1?0.3mm。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的一種全透型薄膜壓控變?nèi)莨?，其特征在于，該全透型BaxSivxT13薄膜變?nèi)莨艿耐高^率彡70% ;調(diào)諧率彡40%，測試頻率為10KHz。
【文檔編號】C23C14/08GK104134541SQ201410238872
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年5月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月30日
【發(fā)明者】李玲霞, 于仕輝, 董和磊, 許丹, 金雨馨 申請人:天津大學(xué)