【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 BMN 薄膜相結構、化學組分、顯微形貌 以及介電性能的影響。立方焦綠石晶體表達式 為 A2B2O6Oˊ[2]。另外 ,在 BZN 薄膜中引入極性較強的組分來加強介電極化也是一種提高介電調諧率的有效方法，但這種方法會導致介電損耗的相應增加 [2]。 通常對介電可調材料的評價有兩個性能指標，一是介電調諧率，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)字計算機結合等特點，從而得到了各國的重視 [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，國內外針對塊體材料及其器件的研究和應用已經相當成熟 [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]。下面將簡單介紹主要步驟的實驗參數(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。 襯底的預處理 薄膜的制備對襯底的清洗要求非常嚴格，襯底表面殘留的有機污染物會降低薄膜與襯底之間的粘附力，導致薄膜容易脫落。故本文的工作中采用 MIM 電容器結構 [1]。一是 Pt 具有良好的導電性 ,如果電極材料的電阻過大 ,在測試過程中就會引入測量誤差 ,影響測試結果 [1]。 通過測試得到的 CV 曲線評估其調諧能力，計算公式如下 [27]： 00()1 0 0 %VCCC? ??? （ 22） 式（ 32）中 ? 為薄膜的介電調諧率，0C為外加電場為零時薄膜的電容值，VC為外加電場值最大時薄膜的電容值。 第三章 實驗結果與討論 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 BMN 薄膜電性能的影響 南京工業(yè)大學本科生畢業(yè)設計（論文） 15 選取濺射氣壓 Pa 和 Pa BMN 薄膜為研究對 象，控制薄膜厚度均為 300 nm 左右。當氣壓 升高到 Pa 時，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，沉積薄膜的介電調諧率 約為 26%；濺射氣壓為 Pa 時，薄膜的介電調諧率約為 13%，且濺射氣壓 Pa 時較濺射氣壓為 Pa BMN 薄膜擊穿場強較大、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小的晶粒。 BMN 薄膜樣品的漏電流密度特性通過鐵電測試系統(tǒng)（ Premier Ⅱ Radiant,SIOS Meβtechnik GmbH,America）測試得到。此外器件的高頻 Q 值還會受到尺寸效應的影響 [13]。 （ 5）通入高純氧氣，調節(jié)流量計，設定 Ar/O2(2:1)，并使腔室氣壓達到實驗的濺射南京工業(yè)大學本科生畢業(yè)設計（論文） 9 氣壓（ Pa、 Pa、 Pa、 Pa、 Pa）。燒結過程大致如下 : 首先是生坯從室溫升至 100℃保溫 10min，排除靶材中的水分。 將預燒的粉料進行二次球磨，球磨時間為 8 小時。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性 ,其制備相對 BZN 材料更為簡便 [1]。 第一章 緒論 4 鈮酸鉍鎂 （ BMN） 具有立方焦綠石結構 [6]。要在較低的調諧電場下獲得較高的調諧率，通常采用多層 BST 和 BZN 復合結構，從而達到適量的性能折中 [2]。通過這些途徑 BST 薄膜材料的介電損耗值可以降低到 以下 ,但同時這些方法也會導致薄膜的介電調諧率也會有一定程度的下降 [1]。比如相控陣雷達的移相器，就是利用控制電壓的方法來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，而天線本身很少甚至不需要作機械運動 [3]。但當氣壓到 時晶粒尺寸變小。但塊體材料由于其尺寸因素，無法滿足集成化、小型化的發(fā)展要求 [1]。與介電常數(shù)實部 ε39。利用 BMN 薄膜材料制備的微波器件 ,將具有高的品質因子、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 A 位原子有 6 個等效位置， O′離子也有 12 個等效位置，從而展現(xiàn)出隨機性位移，并產生無序性結構特點 [2]。 根據(jù)化學式 ，對預處理后的 Bi2O MgO、 Nb2O5等原料進行質量計算，考慮到 Bi 易揮發(fā)，稱重時 Bi2O3過量 10%。值得注意的是，粘結劑的加入量過少，則成型困難，過多會導致陶瓷靶材致密度降低。此外，吸附在襯底表面的顆粒雜質，將導致制備的薄膜不均勻，增大薄膜的表面粗糙度，從而嚴重影響薄膜的性能 [12]。 MIM 薄膜電容器結構 MIM 結構是一種傳統(tǒng)的電容器結構 ,即上下兩金屬電極層中間夾一層介質薄膜 ,利用上下電極來進行介電性能測試 [1]。二是 Pt 溶點高 ,能耐高溫 ,使得高溫沉積及高溫退火制備 BMN 薄膜的過程中電極不會受到影響 [1]。 第三章 實驗結果與討論 12 第三章 實驗結果與討論 本組實驗通過調整氬氣和氧氣 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。 圖中曲線相對于零偏壓是對稱的，并且沒有滯后性。實驗通過 場發(fā)射掃描電子顯微鏡（ FESEM）對 BMN 薄膜表面形貌 進行觀測， 如圖 32 所示，圖 32(a)(e)為濺射 氣壓分別為 Pa、 Pa、 Pa、 Pa、 Pa 時制備的 BMN 經 750℃快速 薄膜退火后的 FESEM 圖 像。 通過場發(fā)射掃描電子顯微鏡（ Ultra55 FESEM）對 BMN 薄膜樣品的表面形貌進行分析。研究表明分別用 Au及 Pt作為電極測出來的 Q值 ,在去除電極的影響后 (Rs 項 ),在高頻下 Q值的差異有所減少 ,兩種電極測得的 Q 值變得較為接近 [1]。 （ 4） 當襯底溫度達到實驗溫度后，先關閉靶材擋板，調節(jié)射頻功率至 150W，預濺射 3~5min，以去除靶材表面的污染物，達到凈化靶材表面的目的。為了防止 Bi的揮發(fā)，本實驗中 BNM 陶瓷靶材的燒結采用埋燒。預燒的主要目的主要是使混合原料經過化學反應生成所需要的產物的主晶相，改變原料的結構將有利于陶瓷樣品的成型和燒結，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、離子半徑更小的 Mg2+離子取代 [5],得到的 BMN 材料將會比原 BZN 材料具有更高的介電調諧潛力 [1]。 雖然現(xiàn)在對于介電可調 薄膜材料的研究日益深入，但對其介電調諧機理，損耗類型和損耗機理的研究尚不充分 [5]，這限制了該類材料的性能優(yōu)化和實際應用 [2]。但 BZN 的介電調諧率較低，必須在很高的偏置電場下才能得到較高的介電調諧率 [2]。例如通過摻雜和后處理等技術手段，從而使 薄膜的微結構得到改善；以及制備多層復合薄膜第一章 緒論 2 來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、衛(wèi)星系統(tǒng)等方面有著廣泛的應用 [1]。薄膜的介電常數(shù)以及介電調諧率隨著氣壓的增大而增大。相對于塊體材料而言，薄膜材料具有尺寸小、靈敏度高、響應速度快以及工作電壓低等優(yōu)勢。的比值表示 [2]： tanδ=ε39。 BMN 薄膜研究現(xiàn)狀 國內外相關研究 早在 20 世 90 年代，便有學者發(fā)現(xiàn)，鉍基焦綠石結構的 Bi2O3MgONb2O5體系具有較高的介電常數(shù)和較低的介電損耗 [7]。 相關研究表明 [16]，基于 Bi 基焦綠石的結構特點， BMN 具有的介電調諧特性與其在外加電場下雙勢井中隨機的，無相互作用的偶極子激發(fā)有關 [2]。配料后，將稱得的原粉料放入球磨罐混合（裝料時應盡量避免將量少的原料最先或最后放入球磨罐，應盡量將其分布于量多的原料中