[发明专利]一种晶界层电容器的制作方法

说明书

本发明提供一种晶界层电容器的制作方法，采用三步法制备STO晶界层电容器。首先将STO生瓷片在还原性气氛中烧结得到半导体化基片，再选用适当氧化剂对STO半导体化基片进行绝缘化，最后利用STO晶界层电容器电阻值随负载电压及加压时间不断增加的特点，在加载电压条件下，对晶界层电容进行快速热处理来提高电容器的绝缘电阻值和一致性。该方法效果明显，对SrTiO₃晶界层电容器在微波集成技术、微波电路和微波通讯中的应用具有重要意义。

技术领域

本发明涉及半导体以及电子功能材料技术领域，特别设计一种晶界层电容器的制作方法。

背景技术

晶界层电容器具有尺寸小、介电常数大、应用温度范围宽(﹣55℃～125℃)、电容温度稳定性高(≤±4.0％～≤±25％)和频率稳定特性好等优点，在微波电路和微波通讯中有广泛应用。单层片式晶界层电容器一般用SrTiO₃(STO)或电子掺杂的STO作为母相，经一步法或二步法制成。一步法就是STO的半导化和绝缘化在同一次烧结中完成。二步法就是先将STO在具有还原性的N2/H2混合气氛中，在1300℃以上高温进行烧结成具有良好导电性的半导化陶瓷片，然后再在瓷片上涂敷含有受主离子的一种或多种金属离子的氧化剂，在空气或氧化性气氛中，经1100–1200℃(一般低于半导化温度)保温，表面涂敷氧化剂通过热扩散到晶界处形成绝缘层后得到最终STO瓷片。目前市场上单层片式半导体陶瓷材料的生产厂家，国际上主要有DLI、PRESIDIO COM-PENONT、TECDIA等厂家，国内生产单位主要有广州可纳瑞电子科技有限公司、广州金陶电子有限公司和电子科技大学。对于相同尺寸的STO晶界层电容器，国内产品在电容、损耗、电容温度变化系数和使用频率等诸多性能参数与国际产品相差不大，但电阻和耐压值与国外先进产品相差较大，一般在数倍(2～5倍)以上。

STO晶界层电容器性能参数主要包括介电常数、损耗、电容温度系数和绝缘电阻值。其中电阻值越高，电容器耐压值则越大，稳定性越好，器件越不容易损坏，因此提高STO晶界层电容的电阻值和耐压值具有重要意义。STO晶界层电容的电阻取决于位于晶界处的绝缘层，国内一般采用二步法技术获得高阻值晶界层电容瓷片，因此在瓷片绝缘化时选择适当氧化剂至关重要。同时由于在二步法中，涂敷在表面的氧化剂通过热扩散进入晶界，热扩散和晶界层形态、厚度等都难于精确控制，因此瓷片电阻值大小和一致性也很难得到保证。目前国内市场的STO III类瓷，尺寸为1mm(长)x 1mm(宽)，厚0.25mm，电容值为900-1000pF(介电常数25000–30000)，加载电压为50V时，电阻值一般在10GΩ–100GΩ，耐压值小于200V。

STO晶界层电容器的绝缘电阻值取决于晶界层，该电阻起源于两方面，一是由晶界层中玻璃化物质产生的欧姆型电阻，二是位于晶界层中受主离子与N型导电的STO晶粒之间的空间电荷区所产生的势垒电阻。一般地，晶界层的势垒电阻远远大于其欧姆电阻，因此如何选择氧化剂和受主离子对STO瓷片的绝缘电阻值大小至关重要。理论上，晶界处的空间电荷层越厚，晶界层电容器的电阻值越大，但同时因空间电荷区厚度增加，电容器的电容会迅速减小，所以在实际中往往以牺牲电容器的电容值来获得高电阻和耐压值的增加，但这样做在实际应用中可能会得不偿失。另一方面，晶界层的受主离子和玻璃物质(绝缘物质)通过热扩散方式进入晶界，但该过程在技术上极难精确控制，因此在实际产品中，电容器的电阻值往往差别较大，一致性较差，影响了产品使用的稳定性。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种晶界层电容器的制作方法，采用三步法制备STO晶界层电容器。首先在还原性气氛中对STO基片生坯进行烧结得到半导化基片；再选用适当氧化剂对半导化STO基片进行绝缘化；最后利用STO晶界层电容器电阻值随负载电压及加压时间不断增加的特点，在加载电压条件下，对晶界层电容进行快速热处理得到最后待测瓷片。通过该法制得的STO III类瓷片综合介电性能好，在提升电容器的绝缘电阻值和一致性中效果明显，对SrTiO₃晶界层电容器在微波集成技术、微波电路和微波通讯中的应用具有重要意义。