溅射气压对BMN薄膜晶体形貌和介电性能的影响

2015 届毕业设计（论文）题 目：溅射气压对 BMN 薄膜晶体形貌和介电性能的影响专 业：班 级：姓 名：指导老师：起讫日期：年 月目 录溅射气压对 BMN 薄膜晶体形貌和介电性能的影响摘要本实验采用磁控溅射法，在不同溅射气压下（本实验所采用的实验气压为0.8Pa、1.6Pa、3.2Pa、4.0Pa、5.6Pa） ，于 Si 基片上沉积铌酸铋镁（Bi 1.5Mg1.0Nb1.5O7,BMN）薄膜,主要研究了不同的溅射气压对 BMN 薄膜的结构、表面形貌和介电性能的影响。实验结果显示，制得的 BMN 薄膜具有立方焦绿石结构。在高气压下所得到的 BMN 薄膜，其晶粒尺寸较低气压下所制得的薄膜大。但当气压到 5.6Pa 时晶粒尺寸变小。薄膜的介电常数以及介电调谐率随着气压的增大而增大。薄膜的漏电流随之气压的升高而减小。另外，气压的升高对 Bi2O3 的挥发也有很好的抑制作用。关键词：磁控溅射、铌酸铋镁(BMN)薄膜、介电调谐率、漏电流密度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.南京工业大学本科生毕业设计（论文）I目 录摘要 .IABSTRICT.I第一章 绪论 .11.1 BMN 薄膜的研究背景及意义 .11.2 BMN 薄膜研究现状 .31.2.1 国内外相关研究 .31.2.2 Bi1.5Mg1.0Nb1.5O7 结构及其特点 .31.3 本文研究内容 .5第二章 研究方法与实验 .62.1 BMN 陶瓷靶材的制备 .62.2 衬底的预处理 .82.3 BMN 薄膜制造工艺 .82.4 电容结构 BMN 薄膜样品的制备 .92.4.1 MIM 薄膜电容器结构 .92.4.2 电极的制备 .102.5 对薄膜进行表征 .10第三章 实验结果与讨论 .123.1 溅射气压对 BMN 薄膜相结构的影响 .133.2 溅射气压对 BMN 薄膜表面形貌的影响 .133.3 溅射气压对 BMN 薄膜电性能的影响 .14第四章 结论 .17参考文献 .18致谢 .19第一章 绪论0第一章 绪论1.1 BMN 薄膜的研究背景及意义所谓介电可调薄膜材料是指一种介电常数会随着外加偏压电场的变化而发生明显变化的材料。可以利用这种特点制成各种微波压控器件5。如移相器、可调滤波器、压控振荡器4等。这些微波元器件可以根据工作需要调节微波信号的相位、频率、振幅等参数。在微波通信、雷达、卫星系统等方面有着广泛的应用1。比如相控阵雷达的移相器，就是利用控制电压的方法来控制阵列天线中各辐射单元的相位的变化，使得天线波束指向在空间移动，而天线本身很少甚至不需要作机械运动3 。由于它具有增益高、功率大、精度高、可靠性和稳定性高、容易与数字计算机结合等特点，从而得到了各国的重视3。近年来，随着微波通讯产业的飞速发展，微波通信系统日趋小型化、集成化。这对微波器件的尺寸、灵敏度、响应速度、工作电压以及成本方面便提出了很高的要求1 。在 20 世纪 60 年代，介电可调材料在高频微波器件中的潜在应用价值就受到了学者们的注意4 。但由于当时微电子加工和材料制备技术不够成熟，直到 90 年代，压控可调器件才真正意义上取得较大突破 2。目前，国内外针对块体材料及其器件的研究和应用已经相当成熟1。但块体材料由于其尺寸因素，无法满足集成化、小型化的发展要求1。相对于块体材料而言，薄膜材料具有尺寸小、灵敏度高、响应速度快以及工作电压低等优势。而且薄膜材料相对于体材料而言还具有更低的介质损耗，更小的漏电流，以及更好的调谐率等优点。在目前的微波可调领域中，最受关注、研究最为集中、最深入、以及应用最为广泛的薄膜材料便是铁电材料钛酸德钡 BaxSr1-xTiO3(BST)了1。BST 材料兼具有高介电调谐率和高介电常数的特点2。但 BST 材料的介电损耗相对较高，因此，用其所制成的微波器件的品质因子便有所下降，这会对系统的整体性能造成影响8。另外，铁电材料的介电常数受温度的影响，如果工作温度在铁电相变温点附近，就会导致介电调谐率产生波动，这也是限制铁电材料在微波可调器件应用的重要因素2。所以，在过去的研究中 ,人们想了很多办法来降低它的介电损耗2。例如通过掺杂和后处理等技术手段，从而使薄膜的微结构得到改善；以及制备多层复合薄膜南京工业大学本科生毕业设计（论文）1来使薄膜的界面特性及整体性能得到优化1。通过这些途径 BST 薄膜材料的介电损耗值可以降低到 0.01 以下,但同时这些方法也会导致薄膜的介电调谐率也会有一定程度的下降1。通常对介电可调材料的评价有两个性能指标，一是介电调谐率，二是介电损耗 21。介电调谐率表征了在外加偏置电场下，材料或器件的介电常数具有的非线性变化特性2。通常用相对介电调谐率 nr 表示16,17:nr=(0)- (E0)/ (0)其中， 0 为外加偏置电场为零时材料的介电常数,(E 0) 代表外加电场强度为 E0 时材料的介电常数2。电介质的损耗是指，介质材料在电场作用下，会将一部分电能转化为热能，从而造成能量的损失的现象2。介质材料的介电损耗 tan 通常用介电常数虚部 与介电常数实部 的比值表示 2：tan=/我们通常希望制备得到的可调材料既具有较高的介电调谐率，又有较低的介电损耗2 。这样才能确保介质材料制备的可调器件具有优良的调谐性能和较高的品质因数2。最近，研究发现，某些具有立方焦绿石结构的介质薄膜材料也有一定的介电调谐率，并且有着很小的介电损耗2。比如铌酸锌铋 Bi1.5Zn1.0Nb1.5O7（BZN） ，有着较为适中常数的（150200） ，以及较小的介电损耗（0.002-0.004）2。但 BZN 的介电调谐率较低，必须在很高的偏置电场下才能得到较高的介电调谐率2。要在较低的调谐电场下获得较高的调谐率，通常采用多层 BST 和 BZN 复合结构，从而达到适量的性能折中2 。另外,在 BZN 薄膜中引入极性较强的组分来加强介电极化也是一种提高介电调谐率的有效方法，但这种方法会导致介电损耗的相应增加2 。为了让介电可调薄膜材料兼具高介电调谐率和低介电损耗的特点9。本文研究的铌酸铋镁 Bi1.5Mg1.0Nb1.5O7（BMN）铋基立方焦绿石结构薄膜材料5,是用Mg2+来代替 BZN 材料中的 Zn2+离子而得到的,相比原 BZN 材料，不但具有更高的介电调谐率,而且保持其低介电损耗值的良好特性1。有报道称在调谐电场为 第一章 绪论21.2MV/cm 时， BMN 调谐率为 29.2%，同时介电损耗保持在 0.002 左右22。且由没有了容易挥发的 Zn 组分,使得 BMN 薄膜材料的可重复性得到增强 ,其制备相对BZN 材料更为简便1。与 BST 材料相比,BMN 材料的介电损耗值较低8,并且由于其是非铁电材料的缘故,BMN 材料用于比 BST 材料具有更好的温度稳定性 1。利用 BMN 薄膜材料制备的微波器件,将具有高的品质因子、低插入损耗、以及良好的介电特性,具有广泛的发展前景1。1.2 BMN 薄膜研究现状1.2.1 国内外相关研究早在 20 世 90 年代，便有学者发现，铋基焦绿石结构的 Bi2O3-MgO-Nb2O5 体系具有较高的介电常数和较低的介电损耗7。此后，人们对此类材料更为深入的进行了研究，并取得了一定的成果2。铌酸铋镁材料除了上文提到的 Bi1.5Mg1.0Nb1.5O7 形式外，还有一种主要的化学计量比 Bi2Mg2/3Nb4/3O7，该种材料具有较高的介电常数（210） ，但不具备介电可调性能15 相较于介电常数较低的 Bi2Zn2/3Nb4/3O7（80）而言，其高介电常数是 Mg2+替代 Zn2+从而增强了材料介电响应导致的2 。Bi 2Mg2/3Nb4/3O7 属于单斜晶系，通常制备温度较低，同时用于较小的介电损耗和漏电流密度14，适用于制备嵌入式电容2。目前，主要是韩国的 Jong-Hyun park 等学者从事 Bi2Mg2/3Nb4/3O7 材料的成分、结构和介电性能等研究，并将之运用于相应器件15。国外目前对于具有介电调谐特性的 Bi1.5Mg1.0Nb1.5O7 材料研究较少，主要集中在其制备工艺上，如 Jun-Ku Ahn 等人在 Pt/TiO2/SiO2/Si 基片上利用射频磁控溅射（500 oC）制备出了具有较高介电常数（104） ，且结晶良好的 Bi1.5Mg1.0Nb1.5O7薄膜10。国内学者利用射频溅射在蓝宝石基片上沉积了具有调谐性能的Bi1.5Mg1.0Nb1.5O7 薄膜，其介电常数适中（86） ，介电损耗低（0.0018-0.004） ，当外加偏置电场 1.6MV/cm 时13，最大的介电调谐率可达 39%16。虽然现在对于介电可调 Bi1.5Mg1.0Nb1.5O7 薄膜材料的研究日益深入，但对其介电调谐机理，损耗类型和损耗机理的研究尚不充分5，这限制了该类材料的性能优化和实际应用2。南京工业大学本科生毕业设计（论文）31.2.2 Bi1.5Mg1.0Nb1.5O7 结构及其特点铌酸铋镁 Bi1.5Mg1.0Nb1.5O7（BMN）具有立方焦绿石结构 6。立方焦绿石晶体表达式为 A2B2O6O2。图 1 为立方焦绿石晶体结构示意图。图中，B 2O6 八面体和 A2O四面体相互套构，共同形成了相互作用力较弱的晶体结构 2。目前学术界尚无 BMN 准确的晶体结构模型，因此以同类材料铌酸锌铋 Bi1.5Zn1.0Nb1.5O7（BZN）为例来介绍 Bi 基立方焦绿石结构，BZN 晶体结构如图 2 所示18：图 1 立方焦绿石结构示意图Fig 1 Schematic diagram of cubic pyrochlore structure第一章 绪论4图 2 Bi1.5Zn1.0Nb1.5O7 晶体结构Fig 2 Crystal structure of Bi1.5Zn1.0Nb1.5O7BZN 由 A2O四面体和 B2O6 八面体套构而成， A 位由 Bi 占据， B 位由Nb 占据 5。在110方向有 21%的 Bi 原子被 Zn 原子取代，还有 4%的 A 位为空穴。另外有 25%的 Zn 原子取代了 B 位的 Nb 原子2 。每个 A 位原子有 6 个等效位置，O离子也有 12 个等效位置，从而展现出随机性位移，并产生无序性结构特点2 。相关研究表明16 ，基于 Bi 基焦绿石的结构特点， BMN 具有的介电调谐特性与其在外加电场下双势井中随机的，无相互作用的偶极子激发有关2。占据 A 位的位移型阳离子间产生的随机场会导致极化现象的产生2 。当施加一定程度的外加电场时，这种极化会更加明显，从而使得 BMN 表现出可调谐特性2。在以往的研究中,认为 BZN 薄膜材料的介电调谐机制与立方焦绿石结构A2B2O6O中 A 位离子及 O离子的无序特性及其介电响应有关 1。所以通过研究 A位离子的构成、无序分布以及电场作用下的驰豫运动和计划响应,可以改善秘基立方