用于微波電路的單層片式晶界層電容器
摘要：研究了施主摻雜還原氣氛燒結(jié)的SrTiO3基半導(dǎo)體瓷的組成與性能關(guān)系。通過(guò)等效電路分析，XRD、SEM 顯微結(jié)構(gòu)觀(guān)察，探討晶界效應(yīng)及其特性對(duì)瓷料性能作用的機(jī)理，從而制成介電系數(shù)可調(diào)（ 10000～50000），電容量變化率低（≤±4.7% ～≤±22％），使用溫域?qū)挘?/span>﹣55℃～+125℃）的單層片式晶界層電容器瓷片。通過(guò)在瓷片上濺射和電鍍方法制作電極，并以光刻腐蝕，精密加工成通用型，表面貼裝型，多電極型和陣列型的單層片 式電容器，用于微波電路。
關(guān)鍵字：?jiǎn)螌悠诫娙萜?，晶界層，介電系?shù)，溫度特性，系列產(chǎn)品
隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的迅速發(fā)展，微波在高端民用領(lǐng)域均得到廣泛應(yīng)用，如雷達(dá)、導(dǎo)彈遙控， 衛(wèi)星通訊、定位，電視衛(wèi)星接收器，無(wú)線(xiàn)局域等系統(tǒng)。微波電路中微波集成（MIC），隔直RF旁路，射頻旁路，源旁路介，匹配網(wǎng)絡(luò)，解耦電路等，都需求高精度的電容器。單層片式晶界層電容器（SLBC）具有尺寸微小、電容量大、應(yīng)用溫域?qū)挘?/span>﹣55℃～125℃）、電容變化率?。?/span>≤±4.7%～≤±22％）、頻率特性好等優(yōu)點(diǎn)，是一類(lèi)適用于微組裝工藝和微波電路的新型電容器品種。研發(fā)的單層片式晶界層電容器，采用SrTiO3系陶瓷材料，還原氣氛燒結(jié)制造半導(dǎo)體瓷，經(jīng)氧化熱處理，濺射和電鍍電極，光刻腐蝕，高精度切割等先進(jìn)工藝技術(shù)，獲得不同的產(chǎn)品規(guī)格：通用型， 表面貼裝型，多電極型和陣列型。產(chǎn)品尺寸從0.254× 0.254× 0.127mm～2.29× 2.29×0.254mm系列化，該產(chǎn)品已批量生產(chǎn)，投放市場(chǎng)。
1. 工藝技術(shù)與檢測(cè)方法
以SrTiO3為基添加施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)配成晶界層電容器瓷料，用流延或軋膜成型制備膜片，在 N2+H2 還原氣氛中燒結(jié)成半導(dǎo)體瓷片。瓷體電阻率用2182A NaNoVol METER 6221 DC AND AC CURRENT SOURCE儀測(cè)量。經(jīng)氧化熱處理后半導(dǎo)體瓷片成為具有高介電系數(shù)的晶界層電容器瓷片。在瓷片上濺射TiW，Ni和Au電極，電鍍加厚Au電極，然后切割成各種規(guī)格的電容器。用HP4278A電容測(cè)量?jī)x測(cè)量電容量和介質(zhì)損耗；4210A Test Chamber 電容溫度系數(shù)測(cè)量?jī)x測(cè)量電容溫度系數(shù)；HP4339A高阻測(cè)試儀測(cè)量絕緣電阻；34A諧振管測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量等效串聯(lián)電阻；HP8722C矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀分析介質(zhì)微波特性；JELJSM 掃描電鏡觀(guān)察半導(dǎo)體瓷的斷面形貌；Rigaku D/MAX-B全自動(dòng)X射線(xiàn)衍射儀進(jìn)行物相分析。
2. 組分、結(jié)構(gòu)、工藝對(duì)晶界層電容器性能的影響
2.1 使半導(dǎo)體瓷片的晶粒具有盡可能低的電阻率，是保證SrTiO3晶界層電容器具有高介電系數(shù)和低介質(zhì)損耗優(yōu)良性能的重要條件之一。SrTiO3的半導(dǎo)體化，是以施主摻雜加還原氣氛（N2+H2）燒結(jié)的方式進(jìn)行。在以SrTiO3為基的主料中，用三價(jià)離子(La3+、Y3+ 、Yb3+、Sm3+中的一種或幾種)作A位取代，或/和五價(jià)離子(Nb5+、Ta5+中的一種)作B位取代的方式進(jìn)行施主摻雜，生成 LaSr3++ 或/和 NbTi5+施主，一方面提供了導(dǎo)電電子，另一方面施主摻雜使晶格發(fā)生畸變，有助于氧脫離晶格點(diǎn)，此時(shí)在還原氣氛的同時(shí)作用下， 氧較易于擴(kuò)散遷移離開(kāi)晶格，導(dǎo)致一、二價(jià)電離氧空位V0 ×· 、V0 ×·· 缺陷的生成，也提供了導(dǎo)電電子，從而使參與導(dǎo)電的電子數(shù)量大大增加；由于SrTiO3中的Ti 為易變價(jià)元素，上述的導(dǎo)電電子易于被鄰近的Ti4+變價(jià)為T(mén)i3+(相當(dāng)于T i4++e＇)，此弱束博電子以跳躍(hopping)方式參與導(dǎo)電，從而具有較高的電子遷移率；因兩者的同時(shí)作用而得到良好的n型半導(dǎo)體化晶粒[1-4]。試驗(yàn)表明，施主摻雜物的添加量與電阻率成U形曲線(xiàn)關(guān)系，通過(guò)優(yōu)選施主摻雜量，用四探針?lè)y(cè)得半導(dǎo)體瓷片的電阻率可低至0.2～0.5Ω·cm。
對(duì)已半導(dǎo)化的半導(dǎo)體瓷片進(jìn)行X射線(xiàn)衍射分析，其譜線(xiàn)圖如圖1；已知未摻雜的SrTiO3晶體為立方結(jié)構(gòu)，而瓷片也呈現(xiàn)為立方結(jié)構(gòu)，只是晶格參數(shù)略有變化，這是施主雜質(zhì)進(jìn)入晶格取代的結(jié)果。
2.2 使瓷片具有適合的晶界層結(jié)構(gòu)，則是保證SrTiO3晶界層電容器具有高介電系數(shù)、低介質(zhì)損耗和小的電容溫度變化率的另一重要條件。在瓷料中添加的受主摻雜物和后續(xù)工藝中的涂覆物，經(jīng)燒結(jié)和氧化熱處理后形成所需的晶界層。晶界層包括由涂覆物形成的第二相絕緣層，以及由氧擴(kuò)散進(jìn)入晶粒表層形成的擴(kuò)散層。絕緣層和擴(kuò)散層的厚度對(duì)視在靜態(tài)介電系數(shù)和電容溫度變化率影響極大，薄的晶界層能得到高的介電系數(shù)，但低的電容變化率只有在絕緣層與擴(kuò)散層厚度之間有一合適的比例時(shí)才能得到[5、6]；因此，一般是通過(guò)調(diào)整涂覆物含量以及優(yōu)化熱處理工藝，加意控制兩層之間的比例，使介電系數(shù)和電容溫度系數(shù)兩者的綜合性能能滿(mǎn)足應(yīng)用要求為度。研發(fā)的兩種不同電容器用瓷片的介電系數(shù)及其溫度特性如圖2。
2.3 通過(guò)晶粒與晶界層尺寸的不同組合，可調(diào)整晶界層電容器的視在靜態(tài)介電系數(shù) Keff 值。圖3為晶界層電容器的等效電路圖,絕緣層、擴(kuò)散層和晶粒的參數(shù)分別用下標(biāo)i、d和g表示。
在角頻率x ® 0 的低頻情況下，由簡(jiǎn)化的等效電路，得到 Keff 的計(jì)算式(1)，其中 s g 為SrTiO3 晶粒的本征介電系數(shù)[7]：
由式（ 1）可見(jiàn)，晶界層電容器瓷片的晶粒徑增大或晶界層厚度減小，都可使dg/（dd+di）比值增大，得到較大的視在介電系數(shù)；反之相反。因此，可通過(guò)調(diào)整瓷料配方組成和工藝技術(shù)，使瓷片晶粒大小不同或/和晶界層厚薄不同，以得到不同的介電系數(shù)值。當(dāng)然，這時(shí)還必需兼顧到電容溫度變化率的要求，為此晶界層內(nèi)的絕緣層與擴(kuò)散層之間還必須如2.1中所述，做到合理的組合，以保證介電系數(shù)和電容溫度變化率兩個(gè)參數(shù)，都能滿(mǎn)足應(yīng)用的要求。
圖 中（a ）晶粒徑約40～60微米，對(duì)應(yīng)的介電系數(shù)50000～60000，（b）晶粒徑約5～20微米，對(duì)應(yīng)的介電系數(shù)8000～12000，此規(guī)律與等效電路的分析相符。
2.4 應(yīng)用于微波頻率下的晶界層電容器，僅僅介質(zhì)損耗低是不夠的，還要求電容器的電極和終端金屬材料的損耗要小，介質(zhì)損耗和金屬損耗之和用一個(gè)等效串聯(lián)電阻(ESR)的參數(shù)表示，即 ESR要小；由于在微波頻段，金屬的趨膚效應(yīng)隨頻率的增加將愈來(lái)愈嚴(yán)重， 故降低金屬部分的損耗顯得尤為重要。采用在瓷片上濺射T i-W ，Ni和Au電極，并輔以電鍍加厚Au電極，用光刻技術(shù)使電極的結(jié)構(gòu)和布置更為合理等工藝，可使1GHz頻率下的ESR值降低至100mΩ以下，不僅具有較小的ESR值，而且其頻率特性也比較優(yōu)良。圖 5是用34A諧振管測(cè)量系統(tǒng)測(cè)得的ESR頻率特性。小的ESR值能顯著提高微波電路的有效增益，降低插入損耗，延長(zhǎng)便攜式裝置的電池壽命等。
2.5 晶界層電容器在微波頻率下工作時(shí)，作為電抗元件的寄生參數(shù)對(duì)微波網(wǎng)絡(luò)特性的作用和影響，其中特別是應(yīng)具有盡可能高的自諧振頻率這一要求，是元件研發(fā)人員需要關(guān)注和了解的問(wèn)題。用HP8722C矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量晶界層電容器產(chǎn)品的散射參數(shù)S21 值，其頻率響應(yīng)曲線(xiàn)如圖6，S21幅值響應(yīng)出現(xiàn)下凹最低處的頻率為元件的并聯(lián)諧振頻率，對(duì)圖示參數(shù)的產(chǎn)品為31.350GHz，是一個(gè)相當(dāng)好的性能指標(biāo)。電容量大的產(chǎn)品(尺寸相應(yīng)大)，諧振頻率低。如電容器在工作頻帶附近發(fā)生并聯(lián)諧振，它將衰減微波能量，以致元件起不到所希望的作用。因此，電容量選擇的上限應(yīng)保證自諧振頻率高于最高使用頻率。單層片式晶界層電容器在具有較大電容量的情況下，能有較高的自諧振頻率，這與它的視在介電系數(shù)高，只需微小尺寸就能獲得所需的大電容量，以致寄生串聯(lián)電感、寄生并聯(lián)電容數(shù)值都大大減小有關(guān)。
3. 單層片式晶界層電容器系列
單層片式晶界層電容器系列包括通用型產(chǎn)品，表面貼裝型產(chǎn)品，多電極型產(chǎn)品和陣列型產(chǎn)品。各種產(chǎn)品示意圖如圖7所示。
通用型產(chǎn)品采用微電子組裝工藝安裝于電路中，其中有留邊的產(chǎn)品可以有效避免高溫下焊料揮發(fā)所導(dǎo)致的短路問(wèn)題；表面貼裝型產(chǎn)品則可適應(yīng)目前廣泛使用的表面貼裝工藝，在微波集成電路中取代多層陶瓷電容器；多電極型產(chǎn)品可實(shí)現(xiàn)微波環(huán)境下的精確調(diào)容，主要應(yīng)用于匹配網(wǎng)絡(luò)、并聯(lián)諧振回路、介質(zhì)諧振器的調(diào)諧或耦合；陣列型產(chǎn)品具有集中性高、空間利用率高、組裝成本低的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用于解耦電路、射頻旁路、砷化鎵IC隔直流電路中。
4 結(jié)論
4.1 三價(jià)或/和五價(jià)施主摻雜還原氣氛下燒成，經(jīng)適合的氧化物涂覆及熱處理，研制成的SrTiO3晶界層電容器用瓷片，具有介電系數(shù)高、介質(zhì)損耗低、電容溫度變化率小等優(yōu)良性能，可用于制備小體積、大容量而且溫度、頻率穩(wěn)定性要求又較高的晶界層電容器。
4.2用濺射、電鍍、光刻、精密切割等微細(xì)加工手段，可制得最小為0.254×0.254×0.127mm等尺寸系列的單層片式晶界層電容器，以微小尺寸便可得到大的電容量，故自諧振頻率高，能滿(mǎn)足微波應(yīng)用的需求。
4.3在瓷片上濺射Ti-W ，Ni和Au電極，并輔以電鍍加厚Au電極，用光刻技術(shù)使電極的結(jié)構(gòu)和布置更為合理等工藝，有效地降低了等效串聯(lián)電阻ESR值，而且頻率特性?xún)?yōu)良，有利于提高微波網(wǎng)絡(luò)的工作性能。
4.4 已生產(chǎn)出單層片式晶界層電容器系列，各型產(chǎn)品可適應(yīng)微波頻率下不同的使用需求。產(chǎn)品性能優(yōu)良，實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。
參考文獻(xiàn)
[1] 莊嚴(yán)、朱卓雄. Sr/Ti及TiO2晶型對(duì)SrTiO3晶界層結(jié)構(gòu)瓷性能的影響.電子元件與材料，2002，21（1）：30-34
[2] 曹全喜、周曉華、蔡式東等. SrTiO3陶瓷中摻雜和Ti/Sr的配合.功能材料，1995，26（5）：439-441
[3] 徐慶、陳文、嚴(yán)家強(qiáng)等.SrTiO3等系功能陶瓷中一次燒成中的摻雜行為.硅酸鹽學(xué)報(bào)，1997，16（2）：21-23
[4] 莊嚴(yán).SrO-Nb2O5-TiO2系壓敏陶瓷中Nb5+ 和Sr2+ 的研究.無(wú)機(jī)材料學(xué)報(bào)，2002，17（6）：1174-1180
[5] Chung Sung-Yoon, LeeByoung-Ki,Kang Suk-Joong L.
[6] Core-sheii structure in Nb O -doped SrTiO by oxygen partial pressure change . [J] J Am Ceram Soc ,1998,81(11): 3016-3018
[7] 陳志雄、莊嚴(yán).氧擴(kuò)散熱處理SrTiO3壓敏電阻器的非線(xiàn)性和界面勢(shì)壘.電子元件與材料. 2004，23（9）： 11-13，16
[8] 江濤.半導(dǎo)體敏感材料與器件. [M] 廣州華南理工大學(xué)教材中心 2002，3
論文摘抄自 程超、蔡楊、楊俊峰、馮毅龍、趙海飛 《用于微波電路的單層片式晶界層電容器》
