濺射氣壓對BMN薄膜晶體形貌和介電性能的影響

2015 屆畢業(yè)設(shè)計（論文）題 目：濺射氣壓對 BMN 薄膜晶體形貌和介電性能的影響專 業(yè)：班 級：姓 名：指導老師：起訖日期：年 月目 錄濺射氣壓對 BMN 薄膜晶體形貌和介電性能的影響摘要本實驗采用磁控濺射法，在不同濺射氣壓下（本實驗所采用的實驗氣壓為0.8Pa、1.6Pa、3.2Pa、4.0Pa、5.6Pa） ，于 Si 基片上沉積鈮酸鉍鎂（Bi 1.5Mg1.0Nb1.5O7,BMN）薄膜,主要研究了不同的濺射氣壓對 BMN 薄膜的結(jié)構(gòu)、表面形貌和介電性能的影響。實驗結(jié)果顯示，制得的 BMN 薄膜具有立方焦綠石結(jié)構(gòu)。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。但當氣壓到 5.6Pa 時晶粒尺寸變小。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。薄膜的漏電流隨之氣壓的升高而減小。另外，氣壓的升高對 Bi2O3 的揮發(fā)也有很好的抑制作用。關(guān)鍵詞：磁控濺射、鈮酸鉍鎂(BMN)薄膜、介電調(diào)諧率、漏電流密度Effects of sputtering pressure on the structre and dielectric properties of Bi1.5Mg1.0Nb1.5O7 thin filmAbstrictIn is work we prepared BMN(Bi1.5Mg1.0Nb1.5O7) thin films on Si substrate by radio frequence magnetron sputtering under different pressure.(Test pressure:0.8Pa,1.6Pa,3.2Pa,4.0Pa,5.6Pa).The effects of sputtering pressure on the structure,surface morphology and dielectric properties of BMN thin films were investigated.The results show that the prepared BMN thin films exhibit cubic pyrochlore structure.And, the grain size of the film deposited in high sputtering pressure are bigger than that one which deposited in low sputtering pressure.However ,while the sputtering pressure reaches to 5.6Pa ,the grain size of the BMN thin film becomes smaller. The dielectric properties and dielectric tunability of BMN thin films increases with the increaseing of the sputtering pressure.And leakage current density of this film drops with the increaseing of the sputtering pressure.Besides,the increaseing of sputtering pressure can restrain the volatilization of Bi2O3.南京工業(yè)大學本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）I目 錄摘要 .IABSTRICT.I第一章 緒論 .11.1 BMN 薄膜的研究背景及意義 .11.2 BMN 薄膜研究現(xiàn)狀 .31.2.1 國內(nèi)外相關(guān)研究 .31.2.2 Bi1.5Mg1.0Nb1.5O7 結(jié)構(gòu)及其特點 .31.3 本文研究內(nèi)容 .5第二章 研究方法與實驗 .62.1 BMN 陶瓷靶材的制備 .62.2 襯底的預(yù)處理 .82.3 BMN 薄膜制造工藝 .82.4 電容結(jié)構(gòu) BMN 薄膜樣品的制備 .92.4.1 MIM 薄膜電容器結(jié)構(gòu) .92.4.2 電極的制備 .102.5 對薄膜進行表征 .10第三章 實驗結(jié)果與討論 .123.1 濺射氣壓對 BMN 薄膜相結(jié)構(gòu)的影響 .133.2 濺射氣壓對 BMN 薄膜表面形貌的影響 .133.3 濺射氣壓對 BMN 薄膜電性能的影響 .14第四章 結(jié)論 .17參考文獻 .18致謝 .19第一章 緒論0第一章 緒論1.1 BMN 薄膜的研究背景及意義所謂介電可調(diào)薄膜材料是指一種介電常數(shù)會隨著外加偏壓電場的變化而發(fā)生明顯變化的材料。可以利用這種特點制成各種微波壓控器件5。如移相器、可調(diào)濾波器、壓控振蕩器4等。這些微波元器件可以根據(jù)工作需要調(diào)節(jié)微波信號的相位、頻率、振幅等參數(shù)。在微波通信、雷達、衛(wèi)星系統(tǒng)等方面有著廣泛的應(yīng)用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 。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(jié)合等特點，從而得到了各國的重視3。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。這對微波器件的尺寸、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 。在 20 世紀 60 年代，介電可調(diào)材料在高頻微波器件中的潛在應(yīng)用價值就受到了學者們的注意4 。但由于當時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。目前，國內(nèi)外針對塊體材料及其器件的研究和應(yīng)用已經(jīng)相當成熟1。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。相對于塊體材料而言，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。而且薄膜材料相對于體材料而言還具有更低的介質(zhì)損耗，更小的漏電流，以及更好的調(diào)諧率等優(yōu)點。在目前的微波可調(diào)領(lǐng)域中，最受關(guān)注、研究最為集中、最深入、以及應(yīng)用最為廣泛的薄膜材料便是鐵電材料鈦酸德鋇 BaxSr1-xTiO3(BST)了1。BST 材料兼具有高介電調(diào)諧率和高介電常數(shù)的特點2。但 BST 材料的介電損耗相對較高，因此，用其所制成的微波器件的品質(zhì)因子便有所下降，這會對系統(tǒng)的整體性能造成影響8。另外，鐵電材料的介電常數(shù)受溫度的影響，如果工作溫度在鐵電相變溫點附近，就會導致介電調(diào)諧率產(chǎn)生波動，這也是限制鐵電材料在微波可調(diào)器件應(yīng)用的重要因素2。所以，在過去的研究中 ,人們想了很多辦法來降低它的介電損耗2。例如通過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；以及制備多層復合薄膜南京工業(yè)大學本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）1來使薄膜的界面特性及整體性能得到優(yōu)化1。通過這些途徑 BST 薄膜材料的介電損耗值可以降低到 0.01 以下,但同時這些方法也會導致薄膜的介電調(diào)諧率也會有一定程度的下降1。通常對介電可調(diào)材料的評價有兩個性能指標，一是介電調(diào)諧率，二是介電損耗 21。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。通常用相對介電調(diào)諧率 nr 表示16,17:nr=(0)- (E0)/ (0)其中， 0 為外加偏置電場為零時材料的介電常數(shù),(E 0) 代表外加電場強度為 E0 時材料的介電常數(shù)2。電介質(zhì)的損耗是指，介質(zhì)材料在電場作用下，會將一部分電能轉(zhuǎn)化為熱能，從而造成能量的損失的現(xiàn)象2。介質(zhì)材料的介電損耗 tan 通常用介電常數(shù)虛部 與介電常數(shù)實部 的比值表示 2：tan=/我們通常希望制備得到的可調(diào)材料既具有較高的介電調(diào)諧率，又有較低的介電損耗2 。這樣才能確保介質(zhì)材料制備的可調(diào)器件具有優(yōu)良的調(diào)諧性能和較高的品質(zhì)因數(shù)2。最近，研究發(fā)現(xiàn)，某些具有立方焦綠石結(jié)構(gòu)的介質(zhì)薄膜材料也有一定的介電調(diào)諧率，并且有著很小的介電損耗2。比如鈮酸鋅鉍 Bi1.5Zn1.0Nb1.5O7（BZN） ，有著較為適中常數(shù)的（150200） ，以及較小的介電損耗（0.002-0.004）2。但 BZN 的介電調(diào)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(diào)諧率2。要在較低的調(diào)諧電場下獲得較高的調(diào)諧率，通常采用多層 BST 和 BZN 復合結(jié)構(gòu)，從而達到適量的性能折中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(diào)諧率的有效方法，但這種方法會導致介電損耗的相應(yīng)增加2 。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9。本文研究的鈮酸鉍鎂 Bi1.5Mg1.0Nb1.5O7（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。有報道稱在調(diào)諧電場為 第一章 緒論21.2MV/cm 時， BMN 調(diào)諧率為 29.2%，同時介電損耗保持在 0.002 左右22。且由沒有了容易揮發(fā)的 Zn 組分,使得 BMN 薄膜材料的可重復性得到增強 ,其制備相對BZN 材料更為簡便1。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。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。1.2 BMN 薄膜研究現(xiàn)狀1.2.1 國內(nèi)外相關(guān)研究早在 20 世 90 年代，便有學者發(fā)現(xiàn)，鉍基焦綠石結(jié)構(gòu)的 Bi2O3-MgO-Nb2O5 體系具有較高的介電常數(shù)和較低的介電損耗7。此后，人們對此類材料更為深入的進行了研究，并取得了一定的成果2。鈮酸鉍鎂材料除了上文提到的 Bi1.5Mg1.0Nb1.5O7 形式外，還有一種主要的化學計量比 Bi2Mg2/3Nb4/3O7，該種材料具有較高的介電常數(shù)（210） ，但不具備介電可調(diào)性能15 相較于介電常數(shù)較低的 Bi2Zn2/3Nb4/3O7（80）而言，其高介電常數(shù)是 Mg2+替代 Zn2+從而增強了材料介電響應(yīng)導致的2 。Bi 2Mg2/3Nb4/3O7 屬于單斜晶系，通常制備溫度較低，同時用于較小的介電損耗和漏電流密度14，適用于制備嵌入式電容2。目前，主要是韓國的 Jong-Hyun park 等學者從事 Bi2Mg2/3Nb4/3O7 材料的成分、結(jié)構(gòu)和介電性能等研究，并將之運用于相應(yīng)器件15。國外目前對于具有介電調(diào)諧特性的 Bi1.5Mg1.0Nb1.5O7 材料研究較少，主要集中在其制備工藝上，如 Jun-Ku Ahn 等人在 Pt/TiO2/SiO2/Si 基片上利用射頻磁控濺射（500 oC）制備出了具有較高介電常數(shù)（104） ，且結(jié)晶良好的 Bi1.5Mg1.0Nb1.5O7薄膜10。國內(nèi)學者利用射頻濺射在藍寶石基片上沉積了具有調(diào)諧性能的Bi1.5Mg1.0Nb1.5O7 薄膜，其介電常數(shù)適中（86） ，介電損耗低（0.0018-0.004） ，當外加偏置電場 1.6MV/cm 時13，最大的介電調(diào)諧率可達 39%16。雖然現(xiàn)在對于介電可調(diào) Bi1.5Mg1.0Nb1.5O7 薄膜材料的研究日益深入，但對其介電調(diào)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(yīng)用2。南京工業(yè)大學本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）31.2.2 Bi1.5Mg1.0Nb1.5O7 結(jié)構(gòu)及其特點鈮酸鉍鎂 Bi1.5Mg1.0Nb1.5O7（BMN）具有立方焦綠石結(jié)構(gòu) 6。立方焦綠石晶體表達式為 A2B2O6O2。圖 1 為立方焦綠石晶體結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，B 2O6 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。目前學術(shù)界尚無 BMN 準確的晶體結(jié)構(gòu)模型，因此以同類材料鈮酸鋅鉍 Bi1.5Zn1.0Nb1.5O7（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第一章 緒論4圖 2 Bi1.5Zn1.0Nb1.5O7 晶體結(jié)構(gòu)Fig 2 Crystal structure of Bi1.5Zn1.0Nb1.5O7BZN 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。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。另外有 25%的 Zn 原子取代了 B 位的 Nb 原子2 。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(chǎn)生無序性結(jié)構(gòu)特點2 。相關(guān)研究表明16 ，基于 Bi 基焦綠石的結(jié)構(gòu)特點， BMN 具有的介電調(diào)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(guān)2。占據(jù) A 位的位移型陽離子間產(chǎn)生的隨機場會導致極化現(xiàn)象的產(chǎn)生2 。當施加一定程度的外加電場時，這種極化會更加明顯，從而使得 BMN 表現(xiàn)出可調(diào)諧特性2。在以往的研究中,認為 BZN 薄膜材料的介電調(diào)諧機制與立方焦綠石結(jié)構(gòu)A2B2O6O中 A 位離子及 O離子的無序特性及其介電響應(yīng)有關(guān) 1。所以通過研究 A位離子的構(gòu)成、無序分布以及電場作用下的馳豫運動和計劃響應(yīng),可以改善秘基立方