【正文】 磁控濺射法在 Pt(111)/Ti/SiO2/Si 襯底上 制備 BMN 薄膜，研究濺射 氣壓對(duì) BMN 薄膜相結(jié)構(gòu)、化學(xué)組分、顯微形貌 以及介電性能的影響。立方焦綠石晶體表達(dá)式 為 A2B2O6Oˊ[2]。另外 ,在 BZN 薄膜中引入極性較強(qiáng)的組分來(lái)加強(qiáng)介電極化也是一種提高介電調(diào)諧率的有效方法，但這種方法會(huì)導(dǎo)致介電損耗的相應(yīng)增加 [2]。 通常對(duì)介電可調(diào)材料的評(píng)價(jià)有兩個(gè)性能指標(biāo)，一是介電調(diào)諧率，二是介電損耗 [21]。由于它具有增益高、功率大、精度高、可靠性和穩(wěn)定性高、容易與數(shù)字計(jì)算機(jī)結(jié)合等特點(diǎn)，從而得到了各國(guó)的重視 [3]。在高氣壓下所得到的 BMN薄膜，其晶粒尺寸較低氣壓下所制得的薄膜大。目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)塊體材料及其器件的研究和應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)成熟 [1]。39。與 BST 材料相比 ,BMN 材料的介電損耗值較低 [8],并且由于其是非鐵電材料的緣故 ,BMN 材料用于比 BST 材料具有更好的溫度穩(wěn)定性 [1]。另外有 25%的 Zn 原子取代了 B 位的 Nb 原子 [2]。下面將簡(jiǎn)單介紹主要步驟的實(shí)驗(yàn)參數(shù)。這有利于成型胚體密度的提高，改善胚體密度的均勻分布。 襯底的預(yù)處理 薄膜的制備對(duì)襯底的清洗要求非常嚴(yán)格，襯底表面殘留的有機(jī)污染物會(huì)降低薄膜與襯底之間的粘附力，導(dǎo)致薄膜容易脫落。故本文的工作中采用 MIM 電容器結(jié)構(gòu) [1]。一是 Pt 具有良好的導(dǎo)電性 ,如果電極材料的電阻過(guò)大 ,在測(cè)試過(guò)程中就會(huì)引入測(cè)量誤差 ,影響測(cè)試結(jié)果 [1]。 通過(guò)測(cè)試得到的 CV 曲線評(píng)估其調(diào)諧能力，計(jì)算公式如下 [27]： 00()1 0 0 %VCCC? ??? （ 22） 式（ 32）中 ? 為薄膜的介電調(diào)諧率，0C為外加電場(chǎng)為零時(shí)薄膜的電容值，VC為外加電場(chǎng)值最大時(shí)薄膜的電容值。 第三章 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論 14 （ a） （ b） （ c） （ d） （ e） 圖 32 不同濺射氣壓下沉積 BMN薄膜的 FESEM圖， (a) Pa, (b) Pa, (c) Pa, (d) Pa, (e) Pa Fig 32 FESEM of BMN films deposited at (a) Pa, (b) Pa, (c) Pa, (d) Pa, (e) Pa 濺射氣壓對(duì) BMN 薄膜電性能的影響 南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 選取濺射氣壓 Pa 和 Pa BMN 薄膜為研究對(duì) 象，控制薄膜厚度均為 300 nm 左右。當(dāng)氣壓 升高到 Pa 時(shí)，雜相消失， 表明較高的濺射氣壓能有效的抑制 Bi2O3的揮發(fā)。 圖中可以看出， 濺射氣壓為 Pa 時(shí)，沉積薄膜的介電調(diào)諧率 約為 26%；濺射氣壓為 Pa 時(shí)，薄膜的介電調(diào)諧率約為 13%，且濺射氣壓 Pa 時(shí)較濺射氣壓為 Pa BMN 薄膜擊穿場(chǎng)強(qiáng)較大、損耗較低。 從圖中可以看出， Pa 的濺射氣壓下， 薄膜表面晶粒尺寸較小且大小不均一，大晶粒間夾雜著很多細(xì)小的晶粒。 BMN 薄膜樣品的漏電流密度特性通過(guò)鐵電測(cè)試系統(tǒng)（ Premier Ⅱ Radiant,SIOS Meβtechnik GmbH,America）測(cè)試得到。此外器件的高頻 Q 值還會(huì)受到尺寸效應(yīng)的影響 [13]。 （ 5）通入高純氧氣，調(diào)節(jié)流量計(jì)，設(shè)定 Ar/O2(2:1)，并使腔室氣壓達(dá)到實(shí)驗(yàn)的濺射南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 氣壓（ Pa、 Pa、 Pa、 Pa、 Pa）。燒結(jié)過(guò)程大致如下 : 首先是生坯從室溫升至 100℃保溫 10min，排除靶材中的水分。 將預(yù)燒的粉料進(jìn)行二次球磨，球磨時(shí)間為 8 小時(shí)。且由于取代去除了容易揮發(fā)的 Zn 組分 ,BMN 薄膜材料具有更好的可重復(fù)性 ,其制備相對(duì) BZN 材料更為簡(jiǎn)便 [1]。 第一章 緒論 4 鈮酸鉍鎂 （ BMN） 具有立方焦綠石結(jié)構(gòu) [6]。要在較低的調(diào)諧電場(chǎng)下獲得較高的調(diào)諧率，通常采用多層 BST 和 BZN 復(fù)合結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到適量的性能折中 [2]。通過(guò)這些途徑 BST 薄膜材料的介電損耗值可以降低到 以下 ,但同時(shí)這些方法也會(huì)導(dǎo)致薄膜的介電調(diào)諧率也會(huì)有一定程度的下降 [1]。比如相控陣?yán)走_(dá)的移相器，就是利用控制電壓的方法來(lái)控制陣列天線中各輻射單元的相位的變化，使得天線波束指向在空間移動(dòng)，而天線本身很少甚至不需要作機(jī)械運(yùn)動(dòng) [3]。但當(dāng)氣壓到 時(shí)晶粒尺寸變小。但塊體材料由于其尺寸因素，無(wú)法滿足集成化、小型化的發(fā)展要求 [1]。與介電常數(shù)實(shí)部 ε39。利用 BMN 薄膜材料制備的微波器件 ,將具有高的品質(zhì)因子、低插入損耗、以及良好的介電特性 ,具有廣泛的發(fā)展前景 [1]。每個(gè) A 位原子有 6 個(gè)等效位置， O′離子也有 12 個(gè)等效位置，從而展現(xiàn)出隨機(jī)性位移，并產(chǎn)生無(wú)序性結(jié)構(gòu)特點(diǎn) [2]。 根據(jù)化學(xué)式 ，對(duì)預(yù)處理后的 Bi2O MgO、 Nb2O5等原料進(jìn)行質(zhì)量計(jì)算，考慮到 Bi 易揮發(fā)，稱(chēng)重時(shí) Bi2O3過(guò)量 10%。值得注意的是，粘結(jié)劑的加入量過(guò)少，則成型困難，過(guò)多會(huì)導(dǎo)致陶瓷靶材致密度降低。此外，吸附在襯底表面的顆粒雜質(zhì)，將導(dǎo)致制備的薄膜不均勻，增大薄膜的表面粗糙度，從而嚴(yán)重影響薄膜的性能 [12]。 MIM 薄膜電容器結(jié)構(gòu) MIM 結(jié)構(gòu)是一種傳統(tǒng)的電容器結(jié)構(gòu) ,即上下兩金屬電極層中間夾一層介質(zhì)薄膜 ,利用上下電極來(lái)進(jìn)行介電性能測(cè)試 [1]。二是 Pt 溶點(diǎn)高 ,能耐高溫 ,使得高溫沉積及高溫退火制備 BMN 薄膜的過(guò)程中電極不會(huì)受到影響 [1]。 第三章 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論 12 第三章 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論 本組實(shí)驗(yàn)通過(guò)調(diào)整氬氣和氧氣 總氣壓 ，在不同濺射氣壓下制備 BMN 薄膜，并且研究在 Pa 到 Pa 濺射氣壓對(duì)薄膜相組成、微觀形貌和電性能的影響。 圖 33 為不同氣壓下濺射 BMN 薄膜的介電常數(shù)和介電損耗隨頻率的變化曲線。 另外，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。 圖中曲線相對(duì)于零偏壓是對(duì)稱(chēng)的，并且沒(méi)有滯后性。實(shí)驗(yàn)通過(guò) 場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（ FESEM）對(duì) BMN 薄膜表面形貌 進(jìn)行觀測(cè)， 如圖 32 所示，圖 32(a)(e)為濺射 氣壓分別為 Pa、 Pa、 Pa、 Pa、 Pa 時(shí)制備的 BMN 經(jīng) 750℃快速 薄膜退火后的 FESEM 圖 像。 通過(guò)場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（ Ultra55 FESEM）對(duì) BMN 薄膜樣品的表面形貌進(jìn)行分析。研究表明分別用 Au及 Pt作為電極測(cè)出來(lái)的 Q值 ,在去除電極的影響后 (Rs 項(xiàng) ),在高頻下 Q值的差異有所減少 ,兩種電極測(cè)得的 Q 值變得較為接近 [1]。 （ 4） 當(dāng)襯底溫度達(dá)到實(shí)驗(yàn)溫度后，先關(guān)閉靶材擋板，調(diào)節(jié)射頻功率至 150W，預(yù)濺射 3~5min，以去除靶材表面的污染物，達(dá)到凈化靶材表面的目的。為了防止 Bi的揮發(fā)，本實(shí)驗(yàn)中 BNM 陶瓷靶材的燒結(jié)采用埋燒。預(yù)燒的主要目的主要是使混合原料經(jīng)過(guò)化學(xué)反應(yīng)生成所需要的產(chǎn)物的主晶相，改變?cè)系慕Y(jié)構(gòu)將有利于陶瓷樣品的成型和燒結(jié)，從而獲得性能良好的陶瓷靶材。因此 ,將 BZN 材料中的 Zn2+離子用極化能力更強(qiáng)、離子半徑更小的 Mg2+離子取代 [5],得到的 BMN 材料將會(huì)比原 BZN 材料具有更高的介電調(diào)諧潛力 [1]。 雖然現(xiàn)在對(duì)于介電可調(diào) 薄膜材料的研究日益深入，但對(duì)其介電調(diào)諧機(jī)理，損耗類(lèi)型和損耗機(jī)理的研究尚不充分 [5]，這限制了該類(lèi)材料的性能優(yōu)化和實(shí)際應(yīng)用 [2]。但 BZN 的介電調(diào)諧率較低，必須在很高的偏置電場(chǎng)下才能得到較高的介電調(diào)諧率 [2]。例如通過(guò)摻雜和后處理等技術(shù)手段，從而使 薄膜的微結(jié)構(gòu)得到改善；以及制備多層復(fù)合薄膜第一章 緒論 2 來(lái)使薄膜的界面特性及整體性能得到優(yōu)化 [1]。在微波通信、 雷達(dá)、衛(wèi)星系統(tǒng)等方面有著廣泛的應(yīng)用 [1]。薄膜的介電常數(shù)以及介電調(diào)諧率隨著氣壓的增大而增大。相對(duì)于塊體材料而言，薄膜材料具有尺寸小、靈敏度高、響應(yīng)速度快以及工作電壓低等優(yōu)勢(shì)。的比值表示 [2]： tanδ=ε39。 BMN 薄膜研究現(xiàn)狀 國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究 早在 20 世 90 年代，便有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，鉍基焦綠石結(jié)構(gòu)的 Bi2O3MgONb2O5體系具有較高的介電常數(shù)和較低的介電損耗 [7]。 相關(guān)研究表明 [16]，基于 Bi 基焦綠石的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)， BMN 具有的介電調(diào)諧特性與其在外加電場(chǎng)下雙勢(shì)井中隨機(jī)的，無(wú)相互作用的偶極子激發(fā)有關(guān) [2]。配料后，將稱(chēng)得的原粉料放入球磨罐混合（裝料時(shí)應(yīng)盡量避免將量少的原料最先或最后放入球磨罐，應(yīng)盡量將其分布于量多的原料中