用于薄膜電學性能測試的串聯平行板電容器及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于薄膜電學性能測試的串聯平行板電容器及其制備方法。該方法是將設計有大小不同孔的掩膜板覆蓋在制備好的薄膜上表面，利用離子束濺射法在薄膜表面上濺射表面積不同的大小上電極，濺射過程中保持掩膜板與薄膜表面貼合；由此形成包括以大上電極/介電層/下電極和小上電極/介電層/下電極構成的第一電容器和第二電容器；兩電容器串聯構成串聯平行板電容器。利用大小上電極對薄膜電學性能測試時，兩探針分別與被測薄膜大、小上電極接觸即可。本發(fā)明克服了現有技術在腐蝕或刻蝕過程中不可避免會損傷薄膜、損壞襯底、腐蝕或刻蝕程度不易控制；及現有遮擋法中影響制備薄膜質量，損傷襯底；使得測量結果誤差較大的問題。
【專利說明】用于薄膜電學性能測試的串聯平行板電容器及其制備方法
【技術領域】 [0001]本發(fā)明涉及一種電子材料與電子器件技術，具體地涉及一種用于薄膜材料電學性能測試的串聯平行板電容器及其制備方法，屬于電子材料與電子器件【技術領域】。
【背景技術】
[0002]近年來，具有優(yōu)異電學性能的薄膜材料越來越受到人們的關注，薄膜材料的制備方法也越發(fā)成熟，比如有脈沖激光沉積法(PLD),磁控派射法(Magnetron Sputtering)、金屬有機化學氣相沉積法(MOCVD)、溶膠-凝膠法(Sol-gel)等。在研發(fā)和生產過程中，對生長在導電襯底比如(lll)Pt/Ti/Si02/Si上的薄膜進行電學性能測試時，現普遍采用的方法有腐蝕或刻蝕法、遮擋法等。腐蝕或刻蝕法的具體做法是對已經制備好的薄膜材料先在該薄膜表面鍍上導電金屬形成上電極，然后通過腐蝕或刻蝕工藝去掉所述薄膜導電襯底上很小的一部分薄膜，使導電襯底露出，露出部分的電極面積達到足夠用于連接電極引線，將這露出的一部分導電襯底作為下電極；則形成上電極/介電層/下電極這種夾心結構的標準平行板電容器，如圖1所示，用這種電容器來對薄膜進行介電常數、電滯回線、漏電流等電學性能的測量；其腐蝕或刻蝕工藝制作的標準平行板電容器的電容可由以下公式計算得
出:=(I)，其中Ctl為標準平行板電容器的有效電容值，^為真空介電常
a
數，L為相對介電常數，Stl為上電極的面積，d為介電層厚度。所述腐蝕或刻蝕法的不足在于:其一，腐蝕或刻蝕過程中不可避免會損傷薄膜；其二，腐蝕或刻蝕程度不易控制，如腐蝕不足在襯底表面會殘留薄膜，如過分腐蝕會破壞襯底；這兩種情況都會對薄膜電學性能測試造成影響，比如使得根據(I)式計算原理測試得到的電容值偏離實際薄膜電容值，增大其測量誤差；因而腐蝕或刻蝕法使其測試工藝變得復雜。遮擋法是指在某些制備薄膜材料的方法中，可以在沉積薄膜前遮擋部分襯底，使遮擋這部分襯底表面不沉積薄膜，最終以裸露的導電襯底、制備的薄膜材料和鍍在薄膜表面的導電金屬上電極形成的標準平行板電容器來對薄膜進行電學性能測試，其標準平行板電容器的有效電容值同樣根據(I)式計算得到。遮擋法的不足在于:對于某些制備薄膜方法比如Sol-gel法，如果先遮擋部分襯底會使薄膜鋪展得不均勻，影響薄膜質量；而且對于任何成膜方法，在遮擋襯底時可能會對襯底造成損傷或者遮擋不充分使遮擋部分也沉積了薄膜，從而最終影響薄膜電學性能的測試結果，造成較大測量誤差。提供一種制備工藝簡單、測量誤差小的串聯平行板電容器；采用該電容器來對薄膜電學性能進行測試時達到既不損傷制備的薄膜材料、又不損壞襯底、以及減小測量誤差的目的，這正是本發(fā)明的任務所在。

【發(fā)明內容】

[0003]本發(fā)明的目的正是為了克服現有技術中所存在的缺陷和不足，提供一種用于薄膜材料電學性能測試的串聯平行板電容器及其制備方法。該方法是采用設計好的掩膜板，將掩膜板覆蓋在薄膜上表面，利用傳統(tǒng)離子束濺射法在薄膜表面上濺射表面積不同的大小上電極；由此形成的兩大小上電極分別與介電層、下電極構成兩個串聯結構的平行板電容器；利用串聯平行板電容器的一大一小上電極對薄膜材料進行電學性能測試，解決了現有腐蝕法或刻蝕法在腐蝕或刻蝕過程中不可避免會損傷薄膜、損壞襯底，腐蝕或刻蝕程度不易控制；以及現有遮擋法中影響制備的薄膜質量，損傷襯底，而使得測量結果誤差較大的問題。
[0004]為實現上述目的，本發(fā)明是通過下述技術措施構成的技術方案來實現的。
[0005]本發(fā)明提供的一種用于薄膜電學性能測試的串聯平行板電容器，包括表面積不同的大上電極和小上電極，介電層和下電極；其中，大上電極、介電層和下電極構成第一電容器，小上電極、介電層和下電極構成第二電容器；所述第一電容器與第二電容器為串聯結構，由此形成以大上電極/介電層/下電極和小上電極/介電層/下電極構成的用于薄膜電學性能測試的串聯平行板電容器；所述大上電極和小上電極均是在被測試薄膜上表面濺射形成的；測試時兩測試探針分別接觸在大上電極和小上電極上，測試線與外加電壓連接即可進行測試。
[0006]上述技術方案中，所述表面積不同的大上電極和小上電極的面積至少相差100倍。
[0007]上述技術方案中，所述大上電極和小上電極是采用設計好的掩膜板覆蓋在薄膜上表面與薄膜表面緊密貼合，并利用離子束濺射法濺射形成的。
[0008]上述技術方案中，在所述掩膜板上分布著大小不同的孔，其中，第一孔大于第二孔，第二孔大于第三孔，第三孔大于第四孔，第四孔大于第五孔。
[0009]上述技術方案中，所述掩膜板上第一孔與第三孔、第四孔、第五孔的三組孔面積至少相差100倍，第二孔與第五孔的一組孔面積至少也相差100倍。
[0010]上述技術方案中，所述掩膜板上大小不同的孔按周期性規(guī)律分布，其中一個周期的孔分布中，兩個第一孔和兩個第二孔在行和列上交替分布，且兩個第一孔周圍均嵌套有第五孔構成的圓環(huán)，第二孔周圍嵌套有第三孔構成的圓環(huán)和第二孔周圍嵌套有第四孔構成的圓環(huán)。
[0011]上述技術方案中，所述掩膜板上大小不同的孔為圓形、或長方形、或正方形等。
[0012]上述技術方案中，所述利用掩膜板覆蓋在薄膜上表面濺射形成的大上電極和小上電極的形狀、面積大小分別與掩膜板上大小孔的設計形狀、孔面積相對應。
[0013]依本發(fā)明提供的一種用于薄膜電學性能測試的串聯平行板電容器的制備方法，是采用設計好的掩膜板，利用傳統(tǒng)離子束濺射法在作為介電層的薄膜上表面濺射形成表面積不同的大上電極和小上電極，以襯底上表面的導電層作為下電極，包括以下工藝步驟:
[0014](I)首先采用傳統(tǒng)溶膠-凝膠法制備薄膜，再將設計好的具有大小不同孔的掩膜板覆蓋在制備好的薄膜上表面，使掩膜板上大小不同的孔分布在薄膜表面上方，濺射過程中保持掩膜板與薄膜表面緊密貼合；
[0015](2)將步驟(I)中覆蓋有掩膜板且生長了薄膜的襯底放在離子束濺射儀的載樣臺上，然后接通濺射儀電源、調節(jié)好濺射儀參數開始濺射；
[0016](3)濺射完成后，移去掩膜板，取出樣品，此時在作為介電層的薄膜表面上濺射形成了表面積不同的大上電極和小上電極；
[0017](4)將上述在薄膜表面上濺射形成的大上電極和小上電極分別與介電層、下電極構成第一電容器和第二電容器，兩電容器為串聯結構；則形成以大上電極/介電層/下電極和小上電極/介電層/下電極構成的串聯平行板電容器；測試時將兩測試探針分別接觸在大上電極和小上電極上，測試線接通外加電壓，即能對薄膜電學性能進行測試。
[0018]上述技術方案中，所述表面積不同的大上電極和小上電極的面積至少相差100倍。
[0019]上述技術方案中，所述掩膜板上分布的大小孔中，第一孔大于第二孔，第二孔大于第三孔，第三孔大于第四孔，第四孔大于第五孔；第一孔與第三孔、第四孔、第五孔的三組孔面積至少相差100倍，第二孔與第五孔的一組孔面積至少也相差100倍。
[0020]上述技術方案中，所述掩膜板(15)上大小不同的孔為圓形，或長方形、或正方形。
[0021]上述技術方案中，在所述薄膜表面上濺射的大上電極和小上電極的表面積分別與掩膜板上大小孔的設計形狀、孔面積相對應。
[0022]上述技術方案中，所述掩膜板上大小不同的孔按周期性規(guī)律分布，其中一個周期的孔分布中，兩個第一孔和兩個第二孔在行和列上交替分布，且兩個第一孔周圍均嵌套有第五孔構成的圓環(huán)，第二孔周圍嵌套有第三孔構成的圓環(huán)和和第二孔周圍嵌套有第四孔構成的圓環(huán)。
[0023]本發(fā)明的基本設計思想是:結合電容計算公式和電容器串聯原理，提出理論上可行的第一電容器和第二電容器的上電極表面積相差至少100倍的大小電極,即一大一小的上電極結構；并設計加工出孔面積相差至少100倍、孔規(guī)律分布的掩膜板；第一電容器和第二電容器串聯構成用于薄膜電學性能測試的串聯平行板電容器。
[0024]用于薄膜電學性能測試的串聯平行板電容器的電容值計算公式由下式表示:
【權利要求】
1.一種用于薄膜電學性能測試的串聯平行板電容器，包括上電極(I)、介電層(2)和下電極(3);其特征在于所述上電極(I)包括表面積不同的大上電極(4)和小上電極(5);其中，大上電極(4)、介電層(2)和下電極(3)構成第一電容器(C1),小上電極(5)、介電層(2)和下電極(3)構成第二電容器(C2);所述第一電容器(C1)與第二電容器(C2)為串聯結構，由此形成以大上電極(4)/介電層(2)/下電極(3)和小上電極(5)/介電層(2)/下電極(3)構成用于薄膜電學性能測試的串聯平行板電容器；所述大上電極(4)和小上電極(5)均是在被測試薄膜上表面濺射形成的；測試時兩測試探針(6)分別接觸在大上電極(4)和小上電極(5)上，測試線(7)與外加電壓(V)連接即可進行測試。
2.根據權利要求1所述的串聯平行板電容器，其特征在于所述表面積不同的大上電極(4)和小上電極(5)的面積至少相差100倍。
3.根據權利要求1所述的串聯平行板電容器，其特征在于所述大上電極(4)和小上電極(5)是采用設計好的掩膜板(15)覆蓋在薄膜上表面與薄膜表面緊密貼合，利用離子束濺射法濺射形成的。
4.根據權利要求 3所述的串聯平行板電容器，其特征在于所述掩膜板(15)上分布著大小不同的孔，其中，第一孔(9)大于第二孔(10)，第二孔(10)大于第三孔(11)，第三孔(11)大于第四孔(12)，第四孔(12)大于第五孔(13);第一孔(9)與第三孔(11)、第四孔(12)、第五孔(13)的三組孔面積至少相差100倍，第二孔(10)與第五孔(13)的一組孔面積至少也相差100倍。
5.根據權利要求3或4所述的串聯平行板電容器，其特征在于所述掩膜板(15)上大小不同的孔按周期性規(guī)律分布，其中一個周期(8)的孔分布中，兩個第一孔(9)和兩個第二孔(10)在行和列上交替分布，且兩個第一孔(9)周圍均嵌套有第五孔(13)構成的圓環(huán)，第二孔(10)周圍嵌套有第三孔(11)構成的圓環(huán)和第四孔(12)構成的圓環(huán)。
6.根據權利要求3或4所述的串聯平行板電容器，其特征在于所述掩膜板(15)上大小不同的孔為圓形、或長方形、或正方形；所述掩膜板(15)覆蓋在薄膜上表面濺射形成的大上電極(4)和小上電極(5)的形狀、面積大小分別與掩膜板(15)上大小孔的設計形狀、孔面積相對應。
7.一種用于薄膜電學性能測試的串聯平行板電容器的制備方法，其特征在于采用設計好的掩膜板(15)，利用傳統(tǒng)離子束濺射法在作為介電層(2)的薄膜上表面濺射形成表面積不同的大上電極(4)和小上電極(5)，以襯底(14)上表面的導電層作為下電極(3)，包括以下工藝步驟: (O首先采用傳統(tǒng)溶膠-凝膠法制備薄膜，再將設計好的具有大小不同孔的掩膜板(15)覆蓋在制備好的薄膜上表面，使掩膜板(15)上大小不同的孔分布在薄膜表面上方，濺射過程中保持掩膜板(15)與薄膜表面緊密貼合； (2)將步驟(1)中覆蓋有掩膜板(15)且生長了薄膜的襯底(14)放在離子束濺射儀的載樣臺上，然后接通濺射儀電源、調節(jié)好濺射儀參數開始濺射； (3)濺射完成后，移去掩膜板(15)，取出樣品，此時在作為介電層(2)的薄膜表面上形成了表面積不同的大上電極(4)和小上電極(5)； (4)將上述在薄膜表面上形成的大上電極(4)和小上電極(5)分別與介電層(2)、下電極(3)構成第一電容器(C1)和第二電容器(C2),兩電容器為串聯結構；則形成以大上電極(4)/介電層(2)/下電極(3)和小上電極(5)/介電層(2)/下電極(3)構成的串聯平行板電容器；測試時將兩測試探針(6)分別接觸在大上電極(4)和小上電極(5)上，測試線(7)接通外加電壓(V)，即能對薄膜電學性能進行測試。
8.根據權利要求7所述的制備方法，其特征在于所述表面積不同的大上電極(4)和小上電極(5)的面積至少相差100倍；所述掩膜板(15)上分布的大小孔中，第一孔(9)大于第二孔(10)，第二孔(10)大于第三孔(11)，第三孔(11)大于第四孔(12)，第四孔(12)大于第五孔(13);第一孔(9)與第三孔(11)、第四孔(12)、第五孔(13)的三組孔面積至少相差100倍，第二孔(10)與第五孔(13)的一組孔面積至少也相差100倍。
9.根據權利要求7或8所述的制備方法，其特征在于在所述掩膜板(15)上大小不同的孔為圓形，或長方形、或正方形；所述薄膜表面上濺射的大上電極(4)和小上電極(5)的表面積分別與掩膜板(15)上大小孔的設計形狀、孔面積相對應。
10.根據權利要求7或9所述的制備方法，其特征在于所述掩膜板(15)上大小不同的孔按周期性規(guī)律分布，其中一個周期(8)的孔分布中，兩個第一孔(9)和兩個第二孔(10)在行和列上交替分布，且兩個第一孔(9)周圍均嵌套有第五孔(13)構成的圓環(huán)，第二孔(10)周圍嵌套有第三孔(11)構成的圓環(huán)和第四孔(12)構成的圓環(huán)。
【文檔編號】G01R27/26GK103545107SQ201310483056
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年10月15日 優(yōu)先權日:2013年10月15日
【發(fā)明者】朱小紅, 任銀娟 申請人:四川大學