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直流金属共溅射法沉积LaCoO3薄膜的制作方法

直流金属共溅射法沉积lacoo3薄膜
技术领域
1.本公开总体上涉及一种在衬底上制备lacoo3薄膜的方法，更具体地说，涉及一种在衬底上制备lacoo3薄膜的方法，所述方法包括在高真空溅射室中从两种金属靶材溅射钴原子和镧原子，使它们与氧反应，从而形成lacoo3薄膜。

背景技术：

2.射频(rf)功率限制器通常用于接收器前端电路和其他器件，用于保护敏感的电子元件(例如低噪声放大器(lna)免受高功率rf信号的影响。传统上，这些功率限制器是采用半导体元件的固态器件，例如p-i-n二极管或mesfet器件，可限制特定频率范围的输入功率。然而，随着射频元件和系统的功率和灵活性的进步，传统的射频功率限制器面临低功耗、更高入射功率控制和高可靠性等额外的挑战。这些挑战引发了对新的功率限制材料的研究，这些材料通常利用绝缘体金属相变(insulator-to-metal phase transition)(imt)对随功率增加而升高的特定温度变化做出响应。电流增加，从而温度增加，imt材料对此做出响应，在给定阈值以上时，将从绝缘状态转变到金属状态，从而将功率分流。
3.一种具有用于功率限制用途的imt行为的imt材料是二氧化钒(vo2)。人们采用多种方法合成vo2，例如分子束外延法(mbe)、脉冲激光沉积法以及直流溅射法和射频溅射法。当加热到开氏温度大约340度左右时，vo2材料的电阻急剧下降。然而，对于许多系统的实际器件操作来说，该温度通常太低。
4.另一种具有imt行为的imt材料是钴酸镧(lacoo3)。与其它imt材料(如vo2)相比，lacoo3在更高温度下表现出imt行为。更具体地说，由于非结构相变，例如电子自旋态转变或轨道熔化机制，电阻随温度升高而快速下降，lacoo3在开氏温度大约500度时表现出电阻大幅降低。据文献报道，典型的lacoo3合成方法都关注多孔体积的产生，因为对这种材料的大部分研究都是其在气体传感器和湿度传感器催化方面的应用。文献中报道了各种沉积lacoo3薄膜的方法，这些方法通常聚焦催化应用，包括mbe法、离子束溅射法、化学气相沉积法和脉冲激光沉积法。众所周知，mbe法可以制备高质量、光滑的结晶薄膜。但它却是耗时长、难度大且成本高昂的。文献表明，可以采用金属靶材的直流(dc)共溅射法制备lacoo3薄膜，但为了使薄膜适当地氧化和结晶，这些方法需要沉积后煅烧步骤。

技术实现要素：

5.以下对本公开实施方案涉及在衬底上制备lacoo3薄膜的方法的讨论本质上仅仅是示例性的，并非意图限制本公开或其应用或用途。
6.本公开提出采用lacoo3薄膜制备rf器件，当温度升高到阈值以上时，所述薄膜的电阻快速下降。面临的挑战是在各种衬底上制备具有较高绝缘体金属转变点且光滑的高质量结晶lacoo3薄膜，并且成本相对较低，适合大规模生产。为了简单起见，还应该只由一个步骤组成，并保护底层器件层在高温煅烧中免受损坏。这种方法能够将lacoo3薄膜沉积到具有不同介电特性的各种衬底上，以优化薄膜特性和器件性能。
7.为了提供如上所述的rf器件，本公开描述了一种单步直流溅射法，这种方法使用可以快速制备大型晶圆材料的相对便宜的源材料合成lacoo3。所提出的方法并不使用预烧结的lacoo3陶瓷靶材，而是使用更便宜的镧钴金属靶材。所述方法在反应性氧/氩气气氛中采用加热的衬底以及金属靶材沉积。这些金属通过直流磁控蒸发，喷射到衬底上。在这些条件下，金属反应，并直接在衬底表面结晶，形成lacoo3薄膜。因此，并不需要采用二次处理步骤使薄膜完全结晶或氧化。所提出方法的另一个优点是使用独立控制的金属靶材可以调整薄膜组成，从而更好地控制薄膜性能的优化。采用所述方法可以改变衬底温度，允许平衡700℃生长的高结晶薄膜和低温生长的非晶形薄膜之间的好处。此外，虽然仍然能够制备光滑的优质薄膜，但溅射法被认为是用于大型晶圆合成的低成本快速制备工具。
附图说明
8.图1是采用lacoo3薄膜的功率限制器的示意框图；和
9.图2是制备lacoo3薄膜的溅射系统的示意框图。
具体实施方式
10.图1是功率限制器10的示意框图，所述功率限制器10限制可以输送到灵敏的电气元件12(例如lna)的功率。将输入信号提供给波导14，波导14将信号输送至器件12。在波导14的一侧形成lacoo3薄膜16，lacoo3薄膜16与接地元件18耦合，在波导14的相对侧形成lacoo3薄膜20，lacoo3薄膜20与接地元件22耦合。随着输入信号的功率增加，在薄膜16和20中产生更多的热量。当薄膜16和20中的热量水平低于某个阈值时，薄膜16和20是绝缘体，信号直接通过波导14输送到器件12。当薄膜16和20中的热量水平达到阈值时，薄膜16和20转变为金属并变得导电，信号中的功率通过薄膜16和20分流到接地元件18和22，并且最大限度地减少输送到器件12的功率。当薄膜16和20中的热量水平低于阈值时，薄膜16和20转变回绝缘体。
11.图2是包括真空室32的溅射系统30的示意框图。钴源靶材34和镧源靶材36在真空室32中相对于衬底38定位，其中衬底38是任何合适材料的衬底，例如碳化硅、蓝宝石、熔融石英、硅、铝酸镧等，或完全制作的器件，例如gan晶圆。取决于应用，衬底38可以采用加热器40加热到所需温度，例如400℃至700℃，以增强溅射。将来自源44的氩气或其他合适的惰性气体和来自源46的氧气排放到真空室32中，将真空室32中的压力增加到例如5毫托。
12.采用直流电源52和54分别向靶材34和36施加负向偏压。采用磁铁(未示出)，在靶材34和36的表面附近捕获电子云，增加氩气碰撞和电离的可能性，从而增加电离频率。正氩离子轰击靶材34和36，从靶材34释放出钴原子56和从靶材36释放出镧原子58。原子56和58被吸引到衬底38上，它们直接与氧反应，在衬底38上形成结晶lacoo3薄膜60。转动装置62转动衬底38，使薄膜60的钴镧浓度均匀。持续溅射，直到薄膜60的厚度达到所需厚度，例如40-200nm。仔细调整真空室32中氧气的百分含量，避免靶材34和36显著氧化。
13.前述讨论仅公开和描述了本公开的示例性实施方案。从所述讨论以及附图和权利要求中，本领域技术人员将很容易地认识到可以做出各种改变、修改和变化而并不背离下述权利要求中限定的本公开的精神和范围。

技术特征：

1.一种在衬底上制备lacoo3薄膜的方法，所述方法包括：将衬底定位在真空室中；将钴靶材定位在真空室中；将镧靶材定位在真空室中；向真空室中提供氧气；和溅射钴靶材释放出钴原子，溅射镧靶材释放出镧原子，从而钴原子和镧原子与氧相互作用，在衬底上形成lacoo3薄膜。2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括加热所述衬底。3.根据权利要求2所述的方法，其中加热所述衬底包括将所述衬底加热到400℃至700℃。4.根据权利要求1所述的方法，进一步包括转动所述衬底。5.根据权利要求1所述的方法，其中溅射钴原子和镧原子包括在室中产生惰性气体等离子体，对钴靶材和镧靶材施加偏压使等离子体离子轰击所述靶材。6.根据权利要求5所述的方法，其中所述惰性气体是氩气。7.根据权利要求1所述的方法，其中所述衬底是功率限制器的一部分。8.一种在衬底上制备lacoo3薄膜的系统，所述系统包括：将衬底定位在真空室中的装置；将钴靶材定位在真空室中的装置；将镧靶材定位在真空室中的装置；向真空室中提供氧气的装置；和用于溅射钴靶材释放出钴原子，溅射镧靶材释放出镧原子，从而钴原子和镧原子与氧相互作用，在衬底上形成lacoo3薄膜的装置。9.根据权利要求8所述的系统，进一步包括用于加热所述衬底的装置。10.根据权利要求9所述的系统，其中加热所述衬底的装置将所述衬底加热到400℃至700℃。11.根据权利要求8所述的系统，进一步包括转动所述衬底的装置。12.根据权利要求8所述的系统，其中溅射钴原子和镧原子的装置在室中产生惰性气体等离子体，对钴靶材和镧靶材施加偏压，使等离子体离子轰击所述靶材。13.根据权利要求12所述的系统，其中所述惰性气体是氩气。14.根据权利要求8所述的系统，其中所述衬底是功率限制器的一部分。15.一种用于限制施加到电子器件的功率的功率限制器，所述功率限制器包括：接收输送到电子器件的输入信号的波导；在所述波导上形成的至少一层lacoo3薄膜；和与所述波导相对的所述至少一层lacoo3薄膜上形成的至少一个接地元件，其中当所述至少一层lacoo3薄膜中的热量水平低于预定阈值时，所述至少一层lacoo3薄膜为绝缘体，输入信号直接通过所述波导输送至电子器件12，其中当所述至少一层lacoo3薄膜中的热量水平达到阈值时，所述至少一层lacoo3薄膜变得导电，输入信号通过所述至少一层lacoo3薄膜分流到所述至少一个接地元件。16.根据权利要求15所述的功率限制器，其中所述至少一层lacoo3薄膜是在所述波导的
一侧形成的第一lacoo3薄膜和在所述波导的相对侧形成的第二lacoo3薄膜，并且其中所述至少一个接地元件是在第一lacoo3薄膜上形成的第一接地元件和在第二lacoo3薄膜上形成的第二接地元件。17.根据权利要求15所述的功率限制器，其中所述至少一层lacoo3薄膜的厚度是40至200nm。

技术总结

一种在衬底上制备LaCoO3薄膜的方法，包括将所述衬底置于真空室中，将钴靶材置于真空室中，将镧靶材置于真空室中，向真空室中提供氧气，从钴靶材溅射释放出钴原子并从镧靶材溅射释放出镧原子，从而钴原子和镧原子与氧相互作用，在衬底上形成LaCoO3薄膜。还公开了一种采用一层或多层LaCoO3薄膜的功率限制器。薄膜的功率限制器。薄膜的功率限制器。