用于薄膜电学性能测试的串联平行板电容器及其制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于薄膜电学性能测试的串联平行板电容器及其制备方法。该方法是将设计有大小不同孔的掩膜板覆盖在制备好的薄膜上表面，利用离子束溅射法在薄膜表面上溅射表面积不同的大小上电极，溅射过程中保持掩膜板与薄膜表面贴合；由此形成包括以大上电极/介电层/下电极和小上电极/介电层/下电极构成的第一电容器和第二电容器；两电容器串联构成串联平行板电容器。利用大小上电极对薄膜电学性能测试时，两探针分别与被测薄膜大、小上电极接触即可。本发明克服了现有技术在腐蚀或刻蚀过程中不可避免会损伤薄膜、损坏衬底、腐蚀或刻蚀程度不易控制；及现有遮挡法中影响制备薄膜质量，损伤衬底；使得测量结果误差较大的问题。
【专利说明】用于薄膜电学性能测试的串联平行板电容器及其制备方法
【技术领域】 [0001]本发明涉及一种电子材料与电子器件技术，具体地涉及一种用于薄膜材料电学性能测试的串联平行板电容器及其制备方法，属于电子材料与电子器件【技术领域】。
【背景技术】
[0002]近年来，具有优异电学性能的薄膜材料越来越受到人们的关注，薄膜材料的制备方法也越发成熟，比如有脉冲激光沉积法(PLD),磁控派射法(Magnetron Sputtering)、金属有机化学气相沉积法(MOCVD)、溶胶-凝胶法(Sol-gel)等。在研发和生产过程中，对生长在导电衬底比如(lll)Pt/Ti/Si02/Si上的薄膜进行电学性能测试时，现普遍采用的方法有腐蚀或刻蚀法、遮挡法等。腐蚀或刻蚀法的具体做法是对已经制备好的薄膜材料先在该薄膜表面镀上导电金属形成上电极，然后通过腐蚀或刻蚀工艺去掉所述薄膜导电衬底上很小的一部分薄膜，使导电衬底露出，露出部分的电极面积达到足够用于连接电极引线，将这露出的一部分导电衬底作为下电极；则形成上电极/介电层/下电极这种夹心结构的标准平行板电容器，如图1所示，用这种电容器来对薄膜进行介电常数、电滞回线、漏电流等电学性能的测量；其腐蚀或刻蚀工艺制作的标准平行板电容器的电容可由以下公式计算得
出:=(I)，其中Ctl为标准平行板电容器的有效电容值，^为真空介电常
a
数，L为相对介电常数，Stl为上电极的面积，d为介电层厚度。所述腐蚀或刻蚀法的不足在于:其一，腐蚀或刻蚀过程中不可避免会损伤薄膜；其二，腐蚀或刻蚀程度不易控制，如腐蚀不足在衬底表面会残留薄膜，如过分腐蚀会破坏衬底；这两种情况都会对薄膜电学性能测试造成影响，比如使得根据(I)式计算原理测试得到的电容值偏离实际薄膜电容值，增大其测量误差；因而腐蚀或刻蚀法使其测试工艺变得复杂。遮挡法是指在某些制备薄膜材料的方法中，可以在沉积薄膜前遮挡部分衬底，使遮挡这部分衬底表面不沉积薄膜，最终以裸露的导电衬底、制备的薄膜材料和镀在薄膜表面的导电金属上电极形成的标准平行板电容器来对薄膜进行电学性能测试，其标准平行板电容器的有效电容值同样根据(I)式计算得到。遮挡法的不足在于:对于某些制备薄膜方法比如Sol-gel法，如果先遮挡部分衬底会使薄膜铺展得不均匀，影响薄膜质量；而且对于任何成膜方法，在遮挡衬底时可能会对衬底造成损伤或者遮挡不充分使遮挡部分也沉积了薄膜，从而最终影响薄膜电学性能的测试结果，造成较大测量误差。提供一种制备工艺简单、测量误差小的串联平行板电容器；采用该电容器来对薄膜电学性能进行测试时达到既不损伤制备的薄膜材料、又不损坏衬底、以及减小测量误差的目的，这正是本发明的任务所在。
【发明内容】
[0003]本发明的目的正是为了克服现有技术中所存在的缺陷和不足，提供一种用于薄膜材料电学性能测试的串联平行板电容器及其制备方法。该方法是采用设计好的掩膜板，将掩膜板覆盖在薄膜上表面，利用传统离子束溅射法在薄膜表面上溅射表面积不同的大小上电极；由此形成的两大小上电极分别与介电层、下电极构成两个串联结构的平行板电容器；利用串联平行板电容器的一大一小上电极对薄膜材料进行电学性能测试，解决了现有腐蚀法或刻蚀法在腐蚀或刻蚀过程中不可避免会损伤薄膜、损坏衬底，腐蚀或刻蚀程度不易控制；以及现有遮挡法中影响制备的薄膜质量，损伤衬底，而使得测量结果误差较大的问题。
[0004]为实现上述目的，本发明是通过下述技术措施构成的技术方案来实现的。
[0005]本发明提供的一种用于薄膜电学性能测试的串联平行板电容器，包括表面积不同的大上电极和小上电极，介电层和下电极；其中，大上电极、介电层和下电极构成第一电容器，小上电极、介电层和下电极构成第二电容器；所述第一电容器与第二电容器为串联结构，由此形成以大上电极/介电层/下电极和小上电极/介电层/下电极构成的用于薄膜电学性能测试的串联平行板电容器；所述大上电极和小上电极均是在被测试薄膜上表面溅射形成的；测试时两测试探针分别接触在大上电极和小上电极上，测试线与外加电压连接即可进行测试。
[0006]上述技术方案中，所述表面积不同的大上电极和小上电极的面积至少相差100倍。
[0007]上述技术方案中，所述大上电极和小上电极是采用设计好的掩膜板覆盖在薄膜上表面与薄膜表面紧密贴合，并利用离子束溅射法溅射形成的。
[0008]上述技术方案中，在所述掩膜板上分布着大小不同的孔，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]上述技术方案中，所述掩膜板上第一孔与第三孔、第四孔、第五孔的三组孔面积至少相差100倍，第二孔与第五孔的一组孔面积至少也相差100倍。
[0010]上述技术方案中，所述掩膜板上大小不同的孔按周期性规律分布，其中一个周期的孔分布中，两个第一孔和两个第二孔在行和列上交替分布，且两个第一孔周围均嵌套有第五孔构成的圆环，第二孔周围嵌套有第三孔构成的圆环和第二孔周围嵌套有第四孔构成的圆环。
[0011]上述技术方案中，所述掩膜板上大小不同的孔为圆形、或长方形、或正方形等。
[0012]上述技术方案中，所述利用掩膜板覆盖在薄膜上表面溅射形成的大上电极和小上电极的形状、面积大小分别与掩膜板上大小孔的设计形状、孔面积相对应。
[0013]依本发明提供的一种用于薄膜电学性能测试的串联平行板电容器的制备方法，是采用设计好的掩膜板，利用传统离子束溅射法在作为介电层的薄膜上表面溅射形成表面积不同的大上电极和小上电极，以衬底上表面的导电层作为下电极，包括以下工艺步骤:
[0014](I)首先采用传统溶胶-凝胶法制备薄膜，再将设计好的具有大小不同孔的掩膜板覆盖在制备好的薄膜上表面，使掩膜板上大小不同的孔分布在薄膜表面上方，溅射过程中保持掩膜板与薄膜表面紧密贴合；
[0015](2)将步骤(I)中覆盖有掩膜板且生长了薄膜的衬底放在离子束溅射仪的载样台上，然后接通溅射仪电源、调节好溅射仪参数开始溅射；
[0016](3)溅射完成后，移去掩膜板，取出样品，此时在作为介电层的薄膜表面上溅射形成了表面积不同的大上电极和小上电极；
[0017](4)将上述在薄膜表面上溅射形成的大上电极和小上电极分别与介电层、下电极构成第一电容器和第二电容器，两电容器为串联结构；则形成以大上电极/介电层/下电极和小上电极/介电层/下电极构成的串联平行板电容器；测试时将两测试探针分别接触在大上电极和小上电极上，测试线接通外加电压，即能对薄膜电学性能进行测试。
[0018]上述技术方案中，所述表面积不同的大上电极和小上电极的面积至少相差100倍。
[0019]上述技术方案中，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；第一孔与第三孔、第四孔、第五孔的三组孔面积至少相差100倍，第二孔与第五孔的一组孔面积至少也相差100倍。
[0020]上述技术方案中，所述掩膜板(15)上大小不同的孔为圆形，或长方形、或正方形。
[0021]上述技术方案中，在所述薄膜表面上溅射的大上电极和小上电极的表面积分别与掩膜板上大小孔的设计形状、孔面积相对应。
[0022]上述技术方案中，所述掩膜板上大小不同的孔按周期性规律分布，其中一个周期的孔分布中，两个第一孔和两个第二孔在行和列上交替分布，且两个第一孔周围均嵌套有第五孔构成的圆环，第二孔周围嵌套有第三孔构成的圆环和和第二孔周围嵌套有第四孔构成的圆环。
[0023]本发明的基本设计思想是:结合电容计算公式和电容器串联原理，提出理论上可行的第一电容器和第二电容器的上电极表面积相差至少100倍的大小电极,即一大一小的上电极结构；并设计加工出孔面积相差至少100倍、孔规律分布的掩膜板；第一电容器和第二电容器串联构成用于薄膜电学性能测试的串联平行板电容器。
[0024]用于薄膜电学性能测试的串联平行板电容器的电容值计算公式由下式表示:
【权利要求】
1.一种用于薄膜电学性能测试的串联平行板电容器，包括上电极(I)、介电层(2)和下电极(3);其特征在于所述上电极(I)包括表面积不同的大上电极(4)和小上电极(5);其中，大上电极(4)、介电层(2)和下电极(3)构成第一电容器(C1),小上电极(5)、介电层(2)和下电极(3)构成第二电容器(C2);所述第一电容器(C1)与第二电容器(C2)为串联结构，由此形成以大上电极(4)/介电层(2)/下电极(3)和小上电极(5)/介电层(2)/下电极(3)构成用于薄膜电学性能测试的串联平行板电容器；所述大上电极(4)和小上电极(5)均是在被测试薄膜上表面溅射形成的；测试时两测试探针(6)分别接触在大上电极(4)和小上电极(5)上，测试线(7)与外加电压(V)连接即可进行测试。
2.根据权利要求1所述的串联平行板电容器，其特征在于所述表面积不同的大上电极(4)和小上电极(5)的面积至少相差100倍。
3.根据权利要求1所述的串联平行板电容器，其特征在于所述大上电极(4)和小上电极(5)是采用设计好的掩膜板(15)覆盖在薄膜上表面与薄膜表面紧密贴合，利用离子束溅射法溅射形成的。
4.根据权利要求 3所述的串联平行板电容器，其特征在于所述掩膜板(15)上分布着大小不同的孔，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)与第三孔(11)、第四孔(12)、第五孔(13)的三组孔面积至少相差100倍，第二孔(10)与第五孔(13)的一组孔面积至少也相差100倍。
5.根据权利要求3或4所述的串联平行板电容器，其特征在于所述掩膜板(15)上大小不同的孔按周期性规律分布，其中一个周期(8)的孔分布中，两个第一孔(9)和两个第二孔(10)在行和列上交替分布，且两个第一孔(9)周围均嵌套有第五孔(13)构成的圆环，第二孔(10)周围嵌套有第三孔(11)构成的圆环和第四孔(12)构成的圆环。
6.根据权利要求3或4所述的串联平行板电容器，其特征在于所述掩膜板(15)上大小不同的孔为圆形、或长方形、或正方形；所述掩膜板(15)覆盖在薄膜上表面溅射形成的大上电极(4)和小上电极(5)的形状、面积大小分别与掩膜板(15)上大小孔的设计形状、孔面积相对应。
7.一种用于薄膜电学性能测试的串联平行板电容器的制备方法，其特征在于采用设计好的掩膜板(15)，利用传统离子束溅射法在作为介电层(2)的薄膜上表面溅射形成表面积不同的大上电极(4)和小上电极(5)，以衬底(14)上表面的导电层作为下电极(3)，包括以下工艺步骤: (O首先采用传统溶胶-凝胶法制备薄膜，再将设计好的具有大小不同孔的掩膜板(15)覆盖在制备好的薄膜上表面，使掩膜板(15)上大小不同的孔分布在薄膜表面上方，溅射过程中保持掩膜板(15)与薄膜表面紧密贴合； (2)将步骤(1)中覆盖有掩膜板(15)且生长了薄膜的衬底(14)放在离子束溅射仪的载样台上，然后接通溅射仪电源、调节好溅射仪参数开始溅射； (3)溅射完成后，移去掩膜板(15)，取出样品，此时在作为介电层(2)的薄膜表面上形成了表面积不同的大上电极(4)和小上电极(5)； (4)将上述在薄膜表面上形成的大上电极(4)和小上电极(5)分别与介电层(2)、下电极(3)构成第一电容器(C1)和第二电容器(C2),两电容器为串联结构；则形成以大上电极(4)/介电层(2)/下电极(3)和小上电极(5)/介电层(2)/下电极(3)构成的串联平行板电容器；测试时将两测试探针(6)分别接触在大上电极(4)和小上电极(5)上，测试线(7)接通外加电压(V)，即能对薄膜电学性能进行测试。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于所述表面积不同的大上电极(4)和小上电极(5)的面积至少相差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)与第三孔(11)、第四孔(12)、第五孔(13)的三组孔面积至少相差100倍，第二孔(10)与第五孔(13)的一组孔面积至少也相差100倍。
9.根据权利要求7或8所述的制备方法，其特征在于在所述掩膜板(15)上大小不同的孔为圆形，或长方形、或正方形；所述薄膜表面上溅射的大上电极(4)和小上电极(5)的表面积分别与掩膜板(15)上大小孔的设计形状、孔面积相对应。
10.根据权利要求7或9所述的制备方法，其特征在于所述掩膜板(15)上大小不同的孔按周期性规律分布，其中一个周期(8)的孔分布中，两个第一孔(9)和两个第二孔(10)在行和列上交替分布，且两个第一孔(9)周围均嵌套有第五孔(13)构成的圆环，第二孔(10)周围嵌套有第三孔(11)构成的圆环和第四孔(12)构成的圆环。
【文档编号】G01R27/26GK103545107SQ201310483056
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2013年10月15日 优先权日:2013年10月15日
【发明者】朱小红, 任银娟 申请人:四川大学