一种bmn介质薄膜微波压控电容器的制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种BMN介质薄膜微波压控电容器的制备方法，首先制备底电极，再通过旋涂-热处理的方法制备铌酸铋镁介质薄膜层，再对介质薄膜层图形化，并于其上制备顶电极；器件尺寸为(550～1200)×(250～600)μm2，电容有效面积为(20～200)×(20～200)μm2。本发明的制备工艺简单、易于实现；制品在微波频段下品质因子(Q值)较高，调谐率适中，器件稳定性好，为现代微波通信系统的开发和应用提供了优良的元器件基础。
【专利说明】【技术领域】
[〇〇〇1] 本发明属于电子信息材料与元器件领域，特别涉及一种用于微波调谐元器件的 BMN即铌酸铋镁介质薄膜微波压控电容器。 一种BMN介质薄膜微波压控电容器的制备方法 【背景技术】
[0002] 微波压控电容器在现代军事雷达和微波通信技术中具有极其重要的作用。军事领 域及民用无线通信技术的快速发展对微波压控器件提出了更高的要求，具有高响应速度、 高带宽、高灵敏度、低工作电压及小型化低成本等特点的微波压控介质薄膜电容器是未来 微波系统不可缺少的重要组成部分。
[0003] 为达到提高调谐率、降低损耗的目的，近年来对于微波压控电容器研究主要集 中在高介电材料领域。在众多微波压控介质材料中研究最多的是（Ba，Sr)Ti0 3(BST)和 Bi3/2ZnNb3/207 (BZN)。BST具有高介电常数与高调谐率，其薄膜与器件的制备工艺发展成熟， 在国外已经有了实际的应用，但是它在高频段时介电损耗过高限制了应用范围的进一步推 广。与BST相比，BZN薄膜的调谐率略低，但它在高频段仍具有很低的介电损耗，更适合在 微波频段下应用。Bi 3/2MgNb3/207 (BMN)具有与BZN相同的立方焦绿石结构，同样具有优良的 介电可调性能和低介电损耗的优势。据报道BMN的介电非线性系数比BZN高一个数量级， 可在更低的工作电压下获得较高的调谐率。另外，BZN内含有铋和锌两种易挥发物质，导致 在材料合成以及薄膜制备时，常出现由铋和锌元素缺失导致的化学失配。BMN中用不易挥发 的Mg元素取代了易挥发的Zn，使得材料的化学配比更容易控制。因此，BMN比现有的其它 微波压控介质材料具有更好的应用前景。
[0004] 本发明采用微细加工技术制备MIM(Metal-Insulator-Metal)结构的BMN介质薄 膜微波电容器可作为嵌入式电容应用于可调滤波器、压控振荡器等各种微波压控电路之 中。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的，为克服现有技术的缺点和不足，提供一种用于微波压控电路应用 的BMN介质薄膜电容器的制备方法。
[0006] 本发明通过如下技术方案予以实现。
[0007] -种BMN介质薄膜微波压控电容器的制备方法，具有如下步骤：
[0008] (一）制备底电极
[0009] (1)清洗基片；
[0010] 采用去离子水超声清洗lOmin、丙酮超声清洗lOmin、酒精超声清洗lOmin、再用去 离子水超声清洗l〇min的工艺对基片进行清洗，清洗后迅速将基片吹干；
[0011] (2)旋涂光刻胶
[0012] 先将基片真空吸附在匀胶机吸附台上，将光刻胶滴在基片中央；转速选择为1500 转/分钟，保持时间为10秒，将光刻胶均匀的涂覆在衬底表面，形成良好接触；所述光刻胶 的涂覆厚度为2 μ m ;
[0013] ⑶前烘
[0014] 将步骤⑵涂覆有光刻胶的基片置于干燥箱中，于130°c进行前烘处理，前烘时间 为5min，令光刻胶中的溶剂挥发出来，烘干胶体；
[0015] (4)曝光、显影、后烘
[〇〇16] 利用光刻机采用接触式曝光方式，将步骤（3)完成前烘的基片在刻有底电极图形 的掩模板下进行曝光处理，曝光时间12s ;光刻胶经紫外线曝光后，见光部分可溶解于显影 液中，从而将掩模板图形转移到光刻胶上，显影时间为30s ;再对显影后的制品进行后烘坚 膜，去除光刻胶中剩余的溶剂，提高光刻胶在后期过程中的保护能力，后烘时间为3min ;
[0017] (5)溅射镀膜、剥离
[0018] 使用磁控溅射工艺，将电极层溅射沉积到步骤（4)的制品表面，电极材料为Au，电 极厚度为200nm ;再对基片使用丙酮超声清洗，将光刻胶剥离掉，基片表面留有电极图形；
[0019] (二）制备BMN即铌酸铋镁介质薄膜层 [〇〇2〇] (1)制备铌酸铋镁前驱体溶胶
[0021] ①配制铌的柠檬酸水溶液
[0022] (a)称取五氧化二铌粉体，将五氧化二铌粉体加入氢氟酸中，水浴加热至其全部溶 解，其中Nb 205与HF的摩尔比为1:10 ;
[0023] (b)向步骤（a)溶液中加入氨水，中和生成铌酸沉淀；
[0024] (c)抽滤并洗涤步骤（b)所得的铌酸沉淀，去除Γ与NH4+ ;
[0025] (d)将步骤（c)去除Γ与NH4+后的铌酸沉淀加入柠檬酸水溶液中，磁力搅拌使柠 檬酸完全溶解，得到铌-柠檬酸水溶液，其中五氧化二铌与柠檬酸的摩尔比为1:3?1:6 ;
[0026] (e)将步骤（d)所得铌-柠檬酸水溶液经60°C磁力搅拌，加热至水分挥发完全，得 到稳定的铌-柠檬酸水溶液；
[0027] ②按Bi3/2MgNb3/207化学计量比称取五水硝酸铋，碳酸镁，加入步骤①铌-柠檬酸水 溶液中，加热搅拌得到铌酸铋镁前驱体溶胶；
[0028] ③向步骤②制得的铌酸铋镁前驱体溶胶中加入甲醇做稀释剂，加热搅拌得到所需 要的铌酸铋镁前驱体溶胶；
[0029] (2)将步骤（1)③配置的铌酸铋镁前驱体溶胶滴在基片上，用台式匀胶机匀胶，使 前驱体溶胶均匀地涂覆在制备有底电极图形的基片上，然后于500°C热处理，去除有机物；
[0030] (3)重复旋涂-热处理过程，直至薄膜达到厚度为500nm ;
[0031] (4)将步骤（3)热处理后的薄膜在750°C进行后退火；得到BMN介质薄膜层；
[0032] (三）BMN介质薄膜层的图形化
[0033] 将步骤（二）（4)制备有BMN介质薄膜层的基片经清洗、旋涂光刻胶、前烘、曝光、 显影、后烘处理后放入刻蚀液中，采用湿烘法刻蚀工艺对BMN介质薄膜层进行图形化处理， 刻蚀时间为l〇s ;
[0034] (四）制备顶电极，
[0035] 对步骤（三）图形化后的BMN介质薄膜层制备顶电极，步骤如下去：
[0036] (1)旋涂光刻胶
[0037] 先将附有介质膜的基片真空吸附在匀胶机吸附台上，将光刻胶滴在基片中央；转 盘转速选择为1500转/分钟，保持时间为10秒，将光刻胶均匀的涂覆在衬底表面，形成良 好接触；所述光刻胶的涂覆厚度为2 μ m ;
[0038] (2)前烘
[0039] 将步骤⑵涂覆有光刻胶的基片置于干燥箱中，于130°C进行前烘处理，前烘时间 为5min，令光刻胶中的溶剂挥发出来，烘干胶体；
[0040] (3)曝光、显影、后烘
[0041] 利用光刻机采用接触式曝光方式将步骤（2)烘好的的基片在刻有顶电极图形的 掩模板下进行曝光处理，曝光时间12s ;光刻胶经紫外线曝光后，见光部分可溶解于显影 液中，从而将掩模板图形转移到光刻胶上，显影时间为30s ;再对显影后的制品就行后烘坚 膜，去除光刻胶中剩余的溶剂，提高光刻胶在后期过程中的保护能力，后烘时间为3min ;
[0042] ⑷溅射镀膜、剥离
[0043] 使用磁控溅射工艺，将电极层溅射沉积到步骤（4)制品表面，电极材料为Au，电极 厚度为200nm ;为了增强Au与基片的附着力使用Ti作为过渡层；再对基片使用丙酮超声清 洗，将光刻胶剥离掉，基片表面留有具下电极图形；
[0044] 制得BMN介质薄膜微波压控电容器，器件尺寸为（550?1200) X (250?600) μ m2， 电容有效面积为（20?200) X (20?200) μ m2。
[0045] 所述步骤（一）（1)的基片为Si02/Si基片。
[0046] 所述步骤（二）（2)的薄膜厚度为500nm。
[0047] 本发明的BMN介质薄膜微波压控电容器的制备方法，制备工艺简单、易于实现；制 品在微波频段下品质因子（Q值）较高，调谐率适中，器件稳定性好，为现代微波通信系统的 开发和应用提供了优良的元器件基础。 【专利附图】
【附图说明】
[0048] 图1是本发明BMN介质薄膜微波压控电容器的结构示意图；
[0049] 图2是图1的A-A向剖视图。
[0050] 附图标记如下：
[0051] 1-基片 2-底电极
[0052] 3-铌酸铋镁介质薄膜4-顶电极 【具体实施方式】
[0053] 下面结合具体实施例进一步阐述本发明，应理解，实施例仅用于说明本发明而不 用于限制本发明的保护范围。
[0054] 本发明的BMN介质薄膜微波压控电容器采用平板电容器MIM结构。图1是本发明 BMN介质薄膜微波压控电容器的结构示意图；图2是图1的A-A向剖视图。参见图1和图 2, 本发明的最底层为基片1，其上面设置有底电极2,底电极2的上面为铌酸铋镁介质薄膜 3, 铌酸铋镁介质薄膜3的上面设置有顶电极4。
[0055] 实施例1
[〇〇56](一）制备底电极 [〇〇57] (1)清洗基片；
[0058] 选取娃氧化片（Si02/Si)作为基片，采用去离子水超声清洗lOmin、丙酮超声清洗 lOmin、酒精超声清洗lOmin、再用去离子水超声清洗lOmin的工艺对Si02/Si基片进行清 洗，清洗后迅速将基片吹干；
[〇〇59] (2)旋涂光刻胶
[〇〇6〇] 先将Si02/Si基片真空吸附在匀胶机吸附台上，将光刻胶滴在基片中央；转速选择 为1500转/分钟，保持时间为10秒，将光刻胶均匀的涂覆在衬底表面，形成良好接触；得到 的光刻胶经D-100型台阶仪测试，光刻胶涂覆厚度为2 μ m ;
[0061] ⑶前烘
[0062] 将步骤⑵涂覆有光刻胶的基片置于干燥箱中，于130°C进行前烘处理，前烘时间 为5min，令光刻胶中的溶剂挥发出来，烘干胶体；
[0063] (4)曝光、显影、后烘
[0064] 利用光刻机采用接触式曝光方式将步骤（3)完成前烘的基片在刻有底电极图形 的掩模板下进行曝光处理，曝光时间12s ;光刻胶经紫外线曝光后，见光部分可溶解于显影 液中，从而将掩模板图形转移到光刻胶上，显影时间为30s ;再对显影后的制品进行后烘坚 膜，去除光刻胶中剩余的溶剂，提高光刻胶在后期过程中的保护能力，后烘时间为3min ;
[0065] (5)溅射镀膜、剥离
[〇〇66] 使用磁控溅射工艺，将Au电极层溅射沉积到步骤⑷制品表面，电极厚度为 200nm;再对基片使用丙酮超声清洗，将光刻胶剥离掉，基片表面留有Au电极图形；
[〇〇67] 为了增强Au与基片的附着力，在沉积Au层之前，先在步骤（4)的制品表面溅射一 层Ti作为缓冲层，以增强Au的附着性；
[0068](二）制备BMN即铌酸铋镁介质薄膜层 [〇〇69] (1)制备铌酸铋镁前驱体溶胶
[0070] ①配制铌的柠檬酸水溶液
[0071] (a)称取五氧化二铌粉体，将五氧化二铌粉体加入氢氟酸中，水浴加热至其全部溶 解，其中Nb 205与HF的摩尔比为1:10 ;
[0072] (b)向步骤（a)溶液中加入氨水，中和生成铌酸沉淀；
[0073] (c)抽滤并洗涤步骤（b)所得的铌酸沉淀，去除Γ与NH4+ ;
[0074] (d)将步骤（c)去除Γ与NH4+后的铌酸沉淀加入柠檬酸水溶液中，磁力搅拌使柠 檬酸完全溶解，得到铌-柠檬酸水溶液，其中五氧化二铌与柠檬酸的摩尔比为1:6 ;
[0075] (e)将步骤（d)所得铌-柠檬酸水溶液经60°C磁力搅拌，加热至水分挥发完全，得 到稳定的铌-柠檬酸水溶液；
[0076] ②按Bi3/2MgNb3/207化学计量比称取五水硝酸铋，碳酸镁，加入步骤①铌-柠檬酸水 溶液中，加热搅拌得到铌酸铋镁前驱体溶胶；
[0077] ③向步骤②制得的铌酸铋镁前驱体溶胶中加入甲醇做稀释剂，加热搅拌得到所需 要的铌酸铋镁前驱体溶胶；
[0078] (2)将步骤⑴③配置的铌酸铋镁前驱体溶胶滴在Si02/Si基片上，用台式匀胶机 匀胶，使前驱体溶胶均匀地涂覆在制备有底电极图形的基片上，然后于500°C热处理，去除 有机物；
[〇〇79] (3)重复步骤（2)，直至薄膜达到厚度为500nm ;制备多层BMN介质薄膜；
[0080] (4)将步骤（3)热处理后的薄膜在750°C进行后退火；得到BMN介质薄膜层；
[〇〇81](三）BMN介质薄膜层的图形化
[〇〇82] 将步骤（二）（4)制备有BMN介质薄膜层的基片经清洗、旋涂光刻胶、前烘、曝光、 显影、后烘处理后放入刻蚀液中，采用湿烘法刻蚀工艺对BMN介质薄膜层进行图形化处理， 刻蚀时间为l〇s ;
[0083] (四）制备顶电极
[0084] 对步骤（三）图形化后的BMN介质薄膜层制备顶电极，步骤如下：
[0085] (1)旋涂光刻胶
[0086] 先将附有介质膜基片真空吸附在匀胶机吸附台上，将光刻胶滴在基片中央；转盘 转速选择为1500转/分钟，保持时间为10秒，将光刻胶均匀的涂覆在衬底表面，形成良好 接触；所述光刻胶的涂覆厚度为2 μ m ;
[0087] (2)前烘
[0088] 将步骤⑵涂覆有光刻胶的基片置于干燥箱中，于130°C进行前烘处理，前烘时间 为5min，令光刻胶中的溶剂挥发出来，烘干胶体；
[0089] (3)曝光、显影、后烘
[〇〇9〇] 利用光刻机采用接触式曝光方式将步骤（2)烘好的的基片在刻有底电极图形的 掩模板下进行曝光处理，曝光时间12s ;光刻胶经紫外线曝光后，见光部分可溶解于显影 液中，从而将掩模板图形转移到光刻胶上，显影时间为30s ;再对显影后的制品就行后烘坚 膜，去除光刻胶中剩余的溶剂，提高光刻胶在后期过程中的保护能力，后烘时间为3min ;
[0091] ⑷溅射镀膜、剥离
[0092] 使用磁控溅射工艺，将电极层溅射沉积到步骤（3)制品表面，电极材料为Au，电极 厚度为200nm ;为了增强Au与基片的附着力使用Ti作为过渡层；再对基片使用丙酮超声清 洗，将光刻胶剥离掉，基片表面留有具下电极图形；制得BMN介质薄膜微波压控电容器，器 件尺寸为550X350 μ m2,电容有效面积为50X50 μ m2。
[0093] 为了增强Au顶电极与BMN介质薄膜层的附着力，在沉积Au顶电极层之前，先在步 骤（二）得到的BMN介质薄膜层的表面溅射一层Ti作为缓冲层，以增强Au的附着性；
[0094] (5)利用微波探针对BMN介质薄膜压控电容器进行微波性能测试，测试频率为 2GHz，其有效电容值为1. 75pF，有效品质因子为45. 5,调谐率为11. 3%。
[0095] 实施例2?5
[0096] 实施例2?5的制备步骤相同于实施例1，仅是器件尺寸与电容有效面积有所不 同，各个实施例的区别特征及其相关微波性能详见表1。
[0097] 表 1
[0098]
【权利要求】
1. 一种BMN介质薄膜微波压控电容器的制备方法，具有如下步骤： (一） 制备底电极 (1) 清洗基片； 采用去离子水超声清洗lOmin、丙酮超声清洗lOmin、酒精超声清洗lOmin、再用去离子 水超声清洗lOmin的工艺对基片进行清洗，清洗后迅速将基片吹干； (2) 旋涂光刻胶 先将基片真空吸附在匀胶机吸附台上，将光刻胶滴在基片中央；转速选择为1500转/ 分钟，保持时间为10秒，将光刻胶均匀的涂覆在衬底表面，形成良好接触；所述光刻胶的涂 覆厚度为2μηι ; (3) 前烘 将步骤（2)涂覆有光刻胶的基片置于干燥箱中，于130°C进行前烘处理，前烘时间为 5min，令光刻胶中的溶剂挥发出来，烘干胶体； (4) 曝光、显影、后烘 利用光刻机采用接触式曝光方式，将步骤（3)完成前烘的基片在刻有底电极图形的 掩模板下进行曝光处理，曝光时间12s ;光刻胶经紫外线曝光后，见光部分可溶解于显影液 中，从而将掩模板图形转移到光刻胶上，显影时间为30s ;再对显影后的制品进行后烘坚 膜，去除光刻胶中剩余的溶剂，提高光刻胶在后期过程中的保护能力，后烘时间为3min ; (5) 溅射镀膜、剥离 使用磁控溅射工艺，将电极层溅射沉积到步骤（4)的制品表面，电极材料为Au，电极厚 度为200nm ;再对基片使用丙酮超声清洗，将光刻胶剥离掉，基片表面留有电极图形； (二） 制备BMN即铌酸铋镁介质薄膜层 (1) 制备铌酸铋镁前驱体溶胶 ① 配制铌的柠檬酸水溶液 (a) 称取五氧化二铌粉体，将五氧化二铌粉体加入氢氟酸中，水浴加热至其全部溶解， 其中Nb205与HF的摩尔比为1:10 ; (b) 向步骤（a)溶液中加入氨水，中和生成铌酸沉淀； (c) 抽滤并洗涤步骤（b)所得的铌酸沉淀，去除Γ与NH4+ ; (d) 将步骤（c)去除Γ与NH4+后的铌酸沉淀加入柠檬酸水溶液中，磁力搅拌使柠檬酸 完全溶解，得到铌-柠檬酸水溶液，其中五氧化二铌与柠檬酸的摩尔比为1:3?1:6 ; (e) 将步骤（d)所得铌-柠檬酸水溶液经60°C磁力搅拌，加热至水分挥发完全，得到稳 定的铌-柠檬酸水溶液； ② 按Bi3/2MgNb3/207化学计量比称取五水硝酸铋，碳酸镁，加入步骤①铌-柠檬酸水溶液 中，加热搅拌得到铌酸铋镁前驱体溶胶； ③ 向步骤②制得的铌酸铋镁前驱体溶胶中加入甲醇做稀释剂，加热搅拌得到所需要的 铌酸铋镁前驱体溶胶； (2) 将步骤（1)③配置的铌酸铋镁前驱体溶胶滴在基片上，用台式匀胶机匀胶，使前驱 体溶胶均匀地涂覆在制备有底电极图形的基片上，然后于500°C热处理，去除有机物； (3) 重复旋涂-热处理过程，直至薄膜达到厚度为500nm ; (4) 将步骤（3)热处理后的薄膜在750°C进行后退火；得到BMN介质薄膜层； (三） BMN介质薄膜层的图形化 将步骤（二）（4)制备有BMN介质薄膜层的基片经清洗、旋涂光刻胶、前烘、曝光、显影、 后烘处理后放入刻蚀液中，采用湿烘法刻蚀工艺对BMN介质薄膜层进行图形化处理，刻蚀 时间为l〇s ; (四） 制备顶电极， 对步骤（三）图形化后的BMN介质薄膜层制备顶电极，步骤如下去： (1) 旋涂光刻胶 先将附有介质膜的基片真空吸附在匀胶机吸附台上，将光刻胶滴在基片中央；转盘转 速选择为1500转/分钟，保持时间为10秒，将光刻胶均匀的涂覆在衬底表面，形成良好接 触；所述光刻胶的涂覆厚度为2 μ m ; (2) 前烘 将步骤（2)涂覆有光刻胶的基片置于干燥箱中，于130°C进行前烘处理，前烘时间为 5min，令光刻胶中的溶剂挥发出来，烘干胶体； (3) 曝光、显影、后烘 利用光刻机采用接触式曝光方式将步骤（2)烘好的的基片在刻有顶电极图形的掩模 板下进行曝光处理，曝光时间12s ;光刻胶经紫外线曝光后，见光部分可溶解于显影液中， 从而将掩模板图形转移到光刻胶上，显影时间为30s ;再对显影后的制品就行后烘坚膜，去 除光刻胶中剩余的溶剂，提高光刻胶在后期过程中的保护能力，后烘时间为3min ; (4) 溅射镀膜、剥离 使用磁控溅射工艺，将电极层溅射沉积到步骤（4)制品表面，电极材料为Au，电极厚度 为200nm ;为了增强Au与基片的附着力使用Ti作为过渡层；再对基片使用丙酮超声清洗， 将光刻胶剥离掉，基片表面留有具下电极图形； 制得BMN介质薄膜微波压控电容器，器件尺寸为（550?1200) X (250?600) μ m2,电 容有效面积为（20?200) X (20?200) μ m2。
2. 根据权利要求1所述的一种BMN介质薄膜微波压控电容器的制备方法，其特征在于， 所述步骤（一）（1)的基片为Si02/Si基片。
3. 根据权利要求1所述的一种BMN介质薄膜微波压控电容器的制备方法，其特征在于， 所述步骤（二）（2)的薄膜厚度为500nm。
【文档编号】H01G7/06GK104064357SQ201410299269
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年6月26日 优先权日:2014年6月26日
【发明者】李玲霞, 董和磊, 金雨馨, 于仕辉, 许丹 申请人:天津大学