【正文】 南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 第四章 結(jié)論 本實(shí)驗(yàn)采用磁控濺射法，在 Si 基片上沉積 BMN薄膜 ,研究了濺射氣壓對(duì) BMN薄膜的相結(jié)構(gòu)、表面形貌以及介電性能的影響。表面形貌的改善是因?yàn)?在較低的氣壓范圍內(nèi) ， 濺射粒子在輝光中受到碰撞的幾率較小， 小晶粒無法在碰撞中團(tuán)聚成較大的 晶粒； 隨著濺射氣壓升高 ， 碰撞使得濺射粒子 相互作用，小晶粒團(tuán)聚為較大晶粒，且晶粒在不斷碰撞過程中變得大小均一，所得到的薄膜變得平整； 當(dāng)濺射氣壓進(jìn)一步升高， 晶粒間過多的碰撞使晶粒得 達(dá)襯底表面時(shí)的能量過低 ，晶粒尺寸減小，這對(duì)薄膜的成膜速率也產(chǎn)生一定的影響。?? ?? （ 21） 式（ 31）中 39。這要求我們?cè)O(shè)計(jì)器件的時(shí)候也要考慮其尺寸帶來的影響 [1]。 電容結(jié)構(gòu) BMN 薄膜樣品的制備 為了測試 BMN 薄膜樣品的介電性能 ,需要將薄膜樣品制備成電容結(jié)構(gòu)薄膜電容器結(jié)構(gòu)一般米用 CP結(jié)構(gòu) ,即共面電容器 (colanar capacitor)結(jié)構(gòu)或是 MIM結(jié)構(gòu) ,即平行板電容器 (metalinsulatormetal)結(jié)構(gòu) [1]。接著在燒結(jié)溫度下保溫 210h，使得各組分發(fā)生充分的物理變化和化學(xué)反應(yīng)，接著隨爐冷卻至室溫，即可獲得結(jié)構(gòu)致密的陶瓷靶材。由于陶瓷粉料的顆粒細(xì)小，表面活性較大，因此其表面吸附了較多的氣體，其堆積密度較小。該工藝過程可以主要分成制備粉料、成型生坯和樣品燒結(jié)三個(gè)主要過程 [19]。圖中， B2O6八面體和 A2O′四面體相互套構(gòu)，共同形成了相互作用力較弱的晶體結(jié)構(gòu) [2]。本文研究的鈮酸鉍鎂 （ BMN）鉍基立方焦綠石結(jié)構(gòu)薄膜材料 [5],是用 Mg2+來代替 BZN 材料中的 Zn2+離子而得到的 ,相比原 BZN 材料，不但具有更高的介電調(diào)諧率 ,而且保持其低介電損耗值的良好特性 [1]。通常用相對(duì)介電調(diào)諧率 nr表示 [16,17]: nr=[ε(0) ε(E0)]/ ε(0) 其中， ε0 為外加偏置電場為零時(shí)材料的介 電常數(shù) ,ε(E0) 代表外加電場強(qiáng)度為 E0時(shí)材料的介電常數(shù) [2]。這對(duì)微波器件的尺寸、靈敏度、響應(yīng)速度、工作電壓以及成本方面便提出了很高的要求 [1]。 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 題 目： 濺射氣壓對(duì) BMN 薄膜晶體形貌和介電性能的影響 專 業(yè)： 班 級(jí)： 姓 名： 指導(dǎo)老師： 起訖日期： 年 月 南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） I 濺射氣壓對(duì) BMN 薄膜晶體形貌和介電性能的影響 摘要 本實(shí)驗(yàn)采用磁控濺射法，在不同濺射氣壓下（本實(shí)驗(yàn)所采用的實(shí)驗(yàn)氣壓為 、 、 、 ），于 Si 基片上沉積鈮酸鉍鎂（ ,BMN）薄膜 ,主要研究了不同的濺射氣壓對(duì) BMN 薄膜的結(jié)構(gòu)、表面形貌和介電性能的影響。在 20 世紀(jì) 60 年代，介電可調(diào)材料在高頻微波器 件中的潛在應(yīng)用價(jià)值就受到了學(xué)者們的注意 [4]。 電介質(zhì)的損耗是指，介質(zhì)材料在電場作用下，會(huì)將一部分電能轉(zhuǎn)化為熱能，從而造成能量的損失的現(xiàn)象 [2]。有報(bào)道稱在調(diào)諧電場為 時(shí)， BMN 調(diào)諧率為 %，同時(shí)介電損耗保持在 左右 [22]。目前學(xué)術(shù)界尚無 BMN 準(zhǔn)確的晶體結(jié)構(gòu)模型，因此以同類材料鈮酸鋅鉍 （ BZN）為例來介紹 Bi 基立方焦綠石結(jié)構(gòu)， BZN 晶體結(jié)構(gòu)如圖 2 所示 [18]： 圖 1 立方焦綠石結(jié)構(gòu)示意圖 Fig 1 Schematic diagram of cubic pyrochlore structure 圖 2 晶體結(jié)構(gòu) Fig 2 Crystal structure of 南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 BZN 由 A2O′四面體和 B2O6八面體套構(gòu)而成， A 位由 Bi 占據(jù)， B 位由 Nb 占據(jù) [5]。雖然介質(zhì)陶瓷的組成和結(jié)構(gòu)決定了陶瓷樣品的性能，但是，當(dāng)樣品的組分配方確定以后，控制好制備的各個(gè)工藝環(huán)節(jié)將決定了樣品是否能夠達(dá)到所希望的性能。加壓成型時(shí)，來不及排除的氣體不可避免的圍困在胚體中，并且粉料會(huì)在模壓的拐角處積聚，導(dǎo)致胚體邊緣卻塊。 最后對(duì)獲得的陶瓷靶材進(jìn)行表 面拋光，使其兩個(gè)表面光滑平行。 MIM 結(jié)構(gòu)能充分利用外加偏置電場 ,與 CP結(jié)構(gòu)相比 ,在較小的偏置電壓下能獲得較大的介電調(diào)諧率 [1]。 電極的制備 MIM 電容結(jié)構(gòu)的上下電極可以使用 Au、 Ag、 Pt、 Cu等材料 [1]。? 和 ? 分別表示有效介電常數(shù)的實(shí)部和虛部。 綜述所述，濺射氣壓對(duì)薄膜表面形貌具有很大影響，選取合適的濺射氣壓，才能獲得具有尺度適中且大小均勻晶粒的 BMN 薄膜，這對(duì)于薄膜的電學(xué)性能具有重要影響。得出以下結(jié)果 : 隨著濺射氣壓的升高， BMN 薄膜顯示出明顯的（ 222）擇優(yōu)取向 。氣壓的升高對(duì)薄膜的介電性能也是有利的。當(dāng)濺射氣壓增加到 Pa 時(shí)，薄膜晶粒尺寸約為 70nm，大小較為均一，表面孔洞較少。測得的介電損耗為有效損耗的正切值（ ?tan ），用下式表示： tan 39。有研究認(rèn)為這一尺寸效應(yīng)是 由介質(zhì)薄膜的金屬電極膜層、其界面及表面態(tài)之間的隧道電阻所造成的。 （ 7） 實(shí)驗(yàn)濺射的 BMN 薄膜均為非晶薄膜，經(jīng)過 750 ℃快速退火 30 min 得到晶化薄膜。因?yàn)榘胁某叩诙? 研究方法與實(shí)驗(yàn) 8 寸較大，胚體內(nèi)部和表面的溫差較大，熱膨脹不一致容易導(dǎo)致靶材開裂，這一階段的升溫速率不易過快，實(shí)驗(yàn)中采用的是 5℃ /min。球磨后經(jīng)過干燥、研磨，添加粘合劑進(jìn)行造粒。 第二章 研究方法與實(shí)驗(yàn) 6 第二章 研究方法與實(shí)驗(yàn) BMN 陶瓷靶材的制備 本實(shí)驗(yàn)采用傳統(tǒng)的二次球磨固相反應(yīng)法制備 BMN 陶瓷靶材 [10]，其制備工藝流程如圖 3 所示。圖 1 為立方焦綠石晶體結(jié)構(gòu)示意圖。 為了讓介電可調(diào)薄膜材料兼具高介電調(diào)諧率和低介電損耗的特點(diǎn) [9]。介電調(diào)諧率表征了在外加偏置電場下，材料或器件的介電常數(shù)具有的非線性變化特性 [2]。 近年來，隨著微波通訊產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，微波通信系統(tǒng)日趨小型化、集成化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，制得的 BMN 薄膜具有立方焦綠石結(jié)構(gòu)。但由于當(dāng)時(shí)微電子加工和材料制備技術(shù)不夠成熟，直到 90 年代，壓控可調(diào)器件才真正意義上取得較大突破 [2]。介質(zhì)材料的介電損耗 tanδ 通常用介電常數(shù)虛部 ε39。且由沒有了容南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 易揮發(fā)的 Zn組分 ,使得 BMN薄膜材料的可重復(fù)性得到增強(qiáng) ,其制備相對(duì) BZN材料更為 簡便 [1]。在〈 110〉方向有 21%的 Bi 原子被 Zn 原子取代，還有 4%的 A 位為空穴。因此控制好這三個(gè)主要環(huán)節(jié)將對(duì)樣品的性能產(chǎn)生很大影響。但是，如果加入粘合劑使細(xì)小粉 料形成團(tuán)粒，則會(huì)加大粉料的流動(dòng)性，使得粉料方便裝模，并且分布均勻。因?yàn)楣饣叫械谋砻婺軌蚓o密貼合濺射儀中的靶材裝置臺(tái)，有利于濺射過程中靶材的冷卻，防止離子轟擊誘發(fā)的靶材高溫，從而產(chǎn)生應(yīng)力導(dǎo)致靶材開裂。并能有效地避免 CP 結(jié)構(gòu)中存在的邊緣電容 (fringing capacitance)效應(yīng)。本文的工作中選用 Pt 作為電極材料 ,其主要原因有三個(gè) [1]。這里 ?tan 的包括了介電損耗和電導(dǎo)損耗，論文中將統(tǒng)稱為介電損耗。本組實(shí)驗(yàn)中，我們選取 Pa 和 Pa 濺射條件下的薄膜進(jìn)行電學(xué)性能測試。當(dāng)濺射氣壓在 Pa 以下時(shí)， 觀察到部分 MgNb2O6（ JCPDS 卡號(hào) 330875）的衍射峰，這可能是由于高溫下 Bi2O3 的揮發(fā)引起的 ，這種物相的產(chǎn)生可能對(duì)薄膜的電性能產(chǎn)生一定影響。這可能與薄膜的晶粒尺寸有關(guān)，晶粒尺寸大，結(jié)晶越好，調(diào)諧率越大；也可能與濺射氣壓為 Pa BMN 薄膜產(chǎn)生的第二相 MgNb2O6 有關(guān)， 即MgNb2O6這種物質(zhì)的產(chǎn)生可能導(dǎo)致薄膜調(diào)諧率降低，引起電性能惡化。隨著濺射氣壓的增大， BMN表面晶粒大小逐漸均一，晶粒尺寸逐漸變大，薄膜趨于平整。 通過精密阻抗分析儀（ A m e r ic a 42 94 A ,A gi le nt ）對(duì) BMN薄膜樣品的介電性能進(jìn)行測試。這是塊材器件所沒有的 ,是由于器件薄膜化后所引入的[1]。 （ 6） 調(diào)節(jié)電壓為 120 V，打開擋板，開始鍍膜 。接著從 100℃升至燒結(jié)溫度 1050℃，這一階段各組分初步的反應(yīng)開始在胚體內(nèi)部發(fā)生。二次球磨的目的主要是細(xì)化結(jié)晶的粉料，為后續(xù)的燒結(jié)做準(zhǔn)備。 本文研究內(nèi)容 (1) 采用傳統(tǒng)的固相反應(yīng)法制備磁控濺射用 BMN 陶瓷靶材 (2) 采用