（材料物理与化学专业论文）基于srtio3压控电容器的带通滤波器优化设计.pdf

电子科技大学硕士论文 摘要 在低温下，s r t i 0 3 ( 简写为s t o ) 薄膜具有强烈的非线性介电性质，即：介电 常数随外加直流电场变化而变化；y b a 2 c u 3 0 7 。( 简写为y b c o ) 具有极低的微 波表面电阻，凡( 1 0g h z ，7 7k ) 1m q ，而且它们的晶体结构相似，晶格常数匹 配以及化学性质相容。因此，利用高质量s t o b c o 外延薄膜研制的滤波器具 有响应速度快、微波损耗低、调谐范围大、承载功率高等优点，是一种极具竞 争力的电调滤波器技术方案，也是当前的研究热点和开发重点。 本论文采用脉冲激光沉积技术( p l d ) 分别在m g o 和l a o 基片上制备出了 高质量的s t o y b c o 薄膜。x r d 和a f m 分析结果表明：s t o 薄膜结晶良好， 在x r d 图谱中只存在( 0 0 1 ) 面的衍射峰，为单一c 轴取向，且薄膜表面平整、 致密，表面均方根粗糙度( r m s ) 为3 8 2n m 。在7 7k 、1 0k h z 和4 0v 直流电压 下，a “s t d y b c 0 平板电容器的电容量相对变化率为6 8 ，介电损耗为0 0 0 5 ； a u s t o m g o 叉指电容器的电容量相对变化率为2 8 ，介电损耗为0 0 0 7 ，能满 足压控微波器件研制对材料性能的要求。 本论文还对多层介质微带线和多层介质叉指电容器建立了相应的物理模 型，并进行了电磁仿真，提取了叉指电容器的性能参数，设计并优化了一个三 阶切比雪夫型梳状线带通滤波器。仿真结果表明：当电容值从1 7 2p f 变化为 1 2 6p f 时，滤波器的中心频率从1 2 5g h z 变化到1 4 3g h z ，调谐率为1 3 5 ； 通带内插入损耗小于l d b ，回波损耗低于1 3d b ，通带内波纹系数小于0 2 5d b ， 带外衰减大于4 5d b ( f o4 - 1 5 0 m h z 处) 。 关键词：s t o ，y b c o ，铁电薄膜，压控电容器，带通滤波器 电子科技大学硕士论文 a b s t r a c t s r t i 0 3 ( s t o ) t h i nf i l m se x h i b i tal a r g ee l e c t r i cf i e l dd e p e n d e n c eo fd i e i e c t r i c p e r m i t t i v i t y t h em i c r o w a v es u r f a c er e s i s t a n c eo fy b a 2 c u 3 0 7 一x ( y b c o ) i sm u c h l o w e rt h a nt h a to f t h en o r m a lc o n d u c t o r t h et y p i c a lv a l u eo f rsf o ry b c oe p i t a x i a l t h i nf i l mi ss m a l l e rt h a n1 m qa t1 0 g h za n d7 7k h i g hq u a l i t ye p i t a x i a l s t o y b c om u l t i l a y e r sc a nb ef a b r i c a t e dd u et ot h e i rs i m i l a rc r y s t a ls t r u c t u r ea n d s m a l ll a t t i c ep a r a m e t e r sm i s m a t c h t h ef i l t e rm a d ef r o ms t o y b c ot h i nf i l m s s h o w sh i g ht u n a b l es p e e d ，l o wm i c r o w a v el o s sa n dh i g hp o w e rh a n d l i n gc a p a b i l i t y s os t o y b c om u l t i l a y e r sh a v ea t t r a c t e dm u c hi n t e r e s t sf o re l e c t r o n i c a l l yt u n a b l e t i l t e ri nt h el a s td e c a d e i nt h ed i s s e r t a t i o n ，h i g hq u a l i t ys t o y b c om u l t i l a y e r sw e r ep r e p a r e do nm g o a n dl a a l 0 3s u b s t r a t e sb yp u l s e dl a s e rd e p o s i t i o n ( p l d ) t h ex r dr e s u l t ss h o w e d t h a ts t o y b c om u l t i l a y e r sa r ew e l l c r y s t a l l i z e da n dh i g h l y ( o o1 ) o r i e n t e d a f m i m a g e si n d i c a t e d t h a tt h es u r f a c e so fs t o y b c ot h i nf i l m sa r es m o o t ha n d h o m o g e n e o u s ( r m s = 3 8 2n m ) p a r a l l e lc a p a c i t o r sa n di n t e r d i g i t a lc a p a c i t o r s ( i d c ) w e r ef a b r i c a t e dt om e a s u r e ra n dt a n 5o ft h es t ol a y e r sa saf u n c t i o no fe x t e r n a l d ce l e c t r i cf i l e d a t10k h za n d7 7k ，t h et u n a b i l i t yo fp a r a l l e lc a p a c i t o ra n d i n t e r d i g i t a lc a p a c i t o ra r e6 8 a n d2 8 ，r e s p e c t i v e l y t h em o d e l so fm u l t i l a y e rm i c r o s t r i pa n dm u l t i l a y e rs u b s t r a t ei n t e r d i g i t a i c a p a c i t o rw e r es e tu p ，p a r a m e t e r so fi d cw e r ea l s oa b s t r a c t e df r o mt h es i m u l a t e d r e s u l t si nt h ed i s s e r t a t i o n i na d d i t i o n ，a3 - p o l et u n a b l ec o m b l i n ep a s s b a n df i l t e r b a s e do nc h e b y s h e vl o w p a s sp r o t o t y p ew a sd e s i g n e da n do p t i m i z e d t h es i m u l a t e d r e s u l t ss h o w e dt h a tt h ec e n t r a lf r e q u e n c yo ft h ef i l t e rw a st u n e df r o m1 ，2 5g h zt o 1 4 3g h z ，t h et u n a b i l i t yi sl3 5 ，w h e nt h ev a l u eo fi d cc h a n g e sf r o m1 7 2p ft o i 2 6p f w h i l ei n s e r t i o nl o s si ss m a l l e rt h a n1d b ，r e t u r nl o s si sl o w e rt h a n13d b ， p a s s b a n dr i p p l ei sa b o u to 2 5d ba n dt h ea t t e n u a t i o no u to fp a s s b a n di sh i g h e rt h a n 4 5d ba t f 04 - 15 0 m h z k e yw o r d s ：s t o ，y b c o ，f e r r o e l e c t r i ct h i nf i l m s ，v o l t a g ec o n t r o l l e dc a p a c i t o r , p a s s b a n df i l t e r i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示谢意。 签名：墨塾星日期：2 。乡年，：月g 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 二- - - 4 签名：罢。逢至 导师签名：雪三至： 日期：0 0 5 年i 王月g 日 电子科技大学硕士论文 1 1引言 第一章绪论 滤波器是通信工程中常用的重要器件之一，它对信号具有频率选择特性， 即：在通信系统中通过或阻断、分开或合成某些频率的信号。可调滤波器是一 类特殊的滤波器，它的通带或阻带中心频率随着滤波器谐振单元的谐振频率变 化而沿着频率轴移动。 随着卫星、雷达、超宽带( u w b ) 和3 g 无线通信等现代通信系统的快速 发展，工作在射频微波各种频段前端的可调谐器件有着巨大的市场需求，而 且系统要求这类器件响应速度快、体积小、工作电平低，这使得当前的调谐电 路面临着严峻的挑战。为此，在传统调谐电路设计的基础上，人们不断地探索 新材料、新技术和新的设计思想。s r t i 0 3 ( s t o ) 是一种钙钛矿型的铁电材料，其 薄膜的介电常数具有优良的介电非线性特性，即：介电常数随着外加直流电场 的变化而变化，利用这种特性可以研制压控微波器件，如：移相器、振荡器、 滤波器和匹配网络等，尤其是与高温超导薄膜结合，可以用来研制高性能、低 损耗的微波调谐器件，这在射频微波电路中具有广阔的应用前景。本研究工 作的目的是制备高质量的s t o 薄膜，研究s t o 薄膜的介电特性，以a u 或y b c o 为电极构建s t o 薄膜电容器，设计并优化基于s t o 薄膜介电非线性的电调滤 波器。 1 。2 调谐电路概述 目前，在调谐电路设计中，主要有以下五种技术：机械调谐、磁调谐、m e m s 调谐、半导体变容管调谐和铁电压控电容器调谐【f l 。机械调谐主要用在早期的 调谐电路中，如：1 9 4 7 年，f o x 首次提出的旋转膜片式可调波导移相器。这种 调谐电路价格便宜、构造简单、损耗低，但是体积大、调谐速度慢，现在已基 本不采用。1 9 5 7 年，r e g g i a 和s p e n c e r 最先报导了磁调铁氧体移相器。这类器 件能承载比较大的功率，响应速度比机械调谐快( 几us 几十us ) ，但体积大。 1 9 6 0 年代，半导体二极管开始用于调谐电路中，它具有响应快、可调率高、容 易集成在单片微波集成电路( m m i c s ) e ? 等优点，然而，半导体变容管的结噪声 电子科技人学硕士论文 1 1 引言 第一章绪论 滤波器是通信工程中常用的重要器件之一，它对信号具有频率选择特性， 即：在通信系统中通过或阻断、分开或合成某些频率的信号。口j 调滤波器是一 类特殊的滤波器，它的通带或阻带巾心频率随着滤波器谐振单兀的谐振频率变 化而沿着频率轴移动。 随着卫星、雷达、超宽带( u w b ) 和3 g 无线通信等现代通信系统的快速 发展，工作在射频微波各种频段前端的可调谐器件有着巨大的市场需求，山 且系统要求这类器什响应速度快、体积小、工作电平低，这使得当前的调谐电 路面临着严峻的挑战。为此，在传统侧谐电路设计的基础上，人们不断地探索 新材料、新技术和新的设计思想。s r t i 0 3 ( s t o ) 是一种钙钛矿型的铁电材料，其 薄膜的介电常数具有优良的介电非线性特性，即：介电常数随着p b ；t n 直流电场 的变化而变化，利用这种特性可以研制压控微波器件，如：移相器、振荡器、 滤波器和匹配网络等，尤其是与高温超导薄膜结合，可以用来研制高性能、低 损耗的微波调谐器件，这在射频微波电路中具有广淘的应用前景。本研究工 作的目的是制各高质量的s t o 薄膜，研究s t o 薄膜的介电特性，以a u 或y b c o 为电极构建s t o 薄膜电容器，设计并优化基于s t o 薄膜介电睢线性的电调滤 波器。 1 2 调谐电路概述 目前，在调谐申l 路设计中，主要有以下五种技术：机械调谐、磁调谐、m e m s 调谐、半导伸变容管调谐和铁电压捧电容器调谐【i - 7 1 。机械调谐主要用在早期的 调谐电路中，如：1 9 4 7 年，f o x 首次提出的旋转膜片式可调波导移相器。这种 调谐电路价格便宜、构造简单、损耗低，但是体积大、调谐速度慢，现在已基 本不采用。1 9 5 7 年，r e g g i a 和s p e n c e r 最先报导了磁调铁氧体移相器。这类器 件能承载比较大的功率，响应速度比机械调谐快( 几ur 几寸“s ) ，但体积大。 1 9 6 0 年代，半导体一极管开始用于调谐电路中，它具自响应快、可凋率高、容 易集成在单片微波集成电路( m m i c s ) 中等优点，然而半导体变容管的结噪卢 易集成在单片微波集成电路( m m i c s ) 中等优点，然而半导体变容管的结噪声 屯子科技大学硕士论文 会引起器件性能的恶化，在大信号作用时表现得更加显著，承载功率也较小， 并且当信号电平高于偏置电压时可能出现电阻效应，这也是半导体变容管的一 个潜在问题。从1 9 9 0 年开始，人们开始采用m e m s 调谐元件，它的射频微 波损耗很小，能承载较高的功率，但它的可调率较小，开关速度慢( us ) ，与其 它电路的集成困难，所需的偏置电压也比较高，通常在几十伏甚至上百伏，而 且对密封的要求非常严格。因此，这种调谐技术的应用受到了一定限制。除上 面几种调谐器件外，还有一种可用于调谐电路的器件是基于铁电材料的变容管， 它兼具半导体变容管和m e m s 二者的优点，即：响应速度快、微波损耗低、承 载功率高，而且，由于铁电电容器的电容与电压关系曲线( c v 曲线) 相对于 偏置电压是对称的，所以，与半导体变容管必须加反向偏置电压才能工作不同， 它可以加正向偏置电压，也可以加反向偏置电压，这给微波器件直流偏置电路 的设计提供了很大的灵活度。在早期，由于薄膜技术不成熟，铁电材料多采用 块材，直接把共面波导或微带电路构建在上面。8 0 年代，随着脉冲激光沉积 ( p l d ) 、溅射( s p u t t e r i n g ) 、化学气相沉积( c v d ) 等多种薄膜制备技术的成熟，可 以在基片上先制备铁电薄膜，再将导体沉积在上面，并通过光刻工艺形成所需 的电路。因此，以铁电材料为介质的平行板电容器和叉指电容器，也可以与其 它微波电路进行集成。这种多层薄膜结构不但可以减小器件的体积，而且能充 分利用铁电材料的介电非线性特性，并降低偏置电压。 目前，s r t i 0 3 ( s t o ) 矛hb a 。s r l 。t i 0 3 ( b s t ) 是用于研制射频微波调谐电路最 广泛的两种材料。b s t 的居里温度t c 随着b a 含量的增加几乎线性地从4 0k ( x = 0 ) 增加到4 1 5k ( x = 1 ) 1 8 1 。因此，通过调节b a 含量，可以获得在常温下 工作的b s t 薄膜。但是，b s t 薄膜的介电损耗一般在1 0 2 量级，与s t o 薄膜( 1 0 。) 相比，高出一个数量级，这在微波器件应用中会带来比较大的微波损耗，降低 器件的品质因子( q 值) 。在低温下，s t o 薄膜表现出强烈的介电非线性特性， 且晶体结构与y b a 2 c u 3 0 7 。( y b c o ) 同属于钙钛矿型氧化物，晶格常数和热膨胀 系数也相近。因此，采用y b c o s t o 多层薄膜制备的滤波器具有调谐速度快、 可调率高、损耗小等优点。 1 3 s r t i 0 3 材料的性质及研究进展 虽然s t o 强烈的非线性介电性质可用于研制各种压控微波器件，但目前仍 电子科技大学硕士论文 然面临两个主要问题。第一：介电损耗比较大( 单晶块材为1 0 。4 、薄膜为1 0 。) ， 第二：工作时需要加载较高的直流偏置电场才能获得大的可调率。研究表明， 铁电材料的介电特性强烈地依赖于温度和外加电场，是温度和电场的复杂函数。 v e n d i k 等人f 9 - j o j 的唯象模型认为，铁电材料的介电损耗主要有四种，即：光子 散射损耗、铁电极化损耗、电荷缺陷损耗和德拜损耗。在微波场作用下，铁电 材料的损耗机制更加复杂，这与铁电软模声子的散射及因剩余铁电极化而导致 的微波极化场转化为声子振动有关。目前，铁电材料的介电损耗机理还没有完 整的理论解释，它与工艺条件密切相关，因此，通过改进薄膜制各工艺可以改 善铁电薄膜的介电特性。 1 3 1 s r t i 0 3 材料的性质 在室温条件下，s r t i 0 3 属于立方晶系，是一种典型的a b 0 3 型钙钛矿氧化 物，a 位离子s r 2 + 处在立方体的角上，b 位离子t i 4 + 在立方体的体心，氧离子 0 2 一处于立方体各个面的面心，如图1 1 所示。s t o 单晶的晶胞参数为3 9 0 5a 。 s r t i o d 上曲娃 厂7 z 久。线 b 自孙 图i - 1s r t i 0 3 单晶结构图1 - 2 铁磁体的磁滞回线 低温下，由于量子顺电态的存在，s t o 在顺电相具有较高的介电常数，遵 循居里一外斯定律，低温时的介电常数饱和现象并不是在居里温度处出现铁电 相变。s t o 的铁电相变是因为平衡状态中非简谐振动原子的位错在晶体中产生 极化，但是这种相变由于离子零点运动而被冻结。晶体中的缺陷和畸变使正负 离子之间位置发生相对移动，形成电偶极子及取向一致的偶极畴，对外表现出 剩余极化强度。其极化强度在外电压为零时并不等于零，且其极化方向可以随 外电场的反向而反向，这个特性与铁磁体的磁滞回线很相似，如图1 2 所示， 故称为“铁电材料”。 电子科技大学硕士论文 在s t o 单晶中，存在两种由于光学横模软化而导致的相转变。一种是由于 布里渊区边界软模的不稳定性而产生的从立方相到四方相转变( 1 0 5k ) ，导致 t i o 八面体旋转，如图1 - 3 ( a ) ，四方结构仍然是中心对称的，所以这种相转变 不产生铁电性；另一种相转变是由于布里渊区中心软模的不稳定而导致的t i 离 子与o 离子相向运动( 4 0 k ) ，引起自发极化和铁电性，如图1 - 3 ( b ) 。 图1 - 3 光学横模软化而导致的相转变示意图 当无外加电场时，单晶s t o 的e 。随温度降低而单调增加，在2 0k 时e ， 达到2 0 0 0 0 ，如图1 - 4 所示。在外加直流电场作用下，2 0k 8 0k 的温度范围 内，s t o 单晶的介电常数随着直流偏置电场的增大而迅速减小l “i 。s t o 的这种 非线性介电性质使s t o 材料应用于可调谐微波器件成为可能。 1 o 1 0 m 2 口k f 3 5 kq 柚#釜 慕 5 x 图1 - 4 s t o 单晶的介电特性：( a ) c r t 关系；( b ) ，e 关系 s t o 的介电非线性性质可以用软膜理论来解释。假如在某个晶格振动模式 中，t i 原子和o 原子作相向振动，而且振动的本征波矢沿c 轴。当降温到某个 ”i m。0 。删 e d l 电子科技人学硕士论文 温度时，该振动被“冻结”，原子偏离平衡位置的振幅成为静态位移。原子既已 进入新的平衡位置，晶体的对称性也就发生了变化。伴随着正负离子的相对静 态位移，形成了沿位移轴的电偶极矩。铁电软模理论的基本概念是：铁电性的 产生联系于布里渊区中心某个光学横模的软化。根据晶格动力学理论，离子晶 体的介电常数与晶格振动频率之间满足l s t ( l y d d a n e s a c h s t e l l e r ) 关系，即： e 。= ”l 0 2 o t 0 2 ，e 。是光频介电常数，。l o 和”t o 分别为光学纵模和光学 横模的频率。在4 0 k 时，s t o 单晶布里渊区中心软模频率降到零，然而，并没 有出现铁电相转变。s t o 的非线性介电性质主要是由于电场作用下软模声子的 硬化引起的。当加上电场以后，软模频率增高。根据l s t 方程，比较高的软模 频率导致低频的降低j ”l 。 在微波应用中，铁电材料的介电可调率和介电损耗( t a n6 ) 是两个最基本、 最重要的参数。尽管s t o 材料在顺电相和铁电相均具有非线性介电性质，但由 于铁电相s t o 的介电损耗因畴壁运动而增大，所以，压控微波器件研制通常采 用顺电相s t o 。 1 3 2s r t i 0 3 薄膜的介电特性 虽然s t o 单晶材料显示出很强的介电非线性效应，但是很少直接采用s t o 块材制作可调微波器件，主要是因为：块材不利于可调谐微波器件的集成化， 小型化。s t o 单晶的的非线性介电性质出现在4i o6 5k ，在高于6 5k 时， 介电常数不随外加偏压变化。而通常应用于低温的可调谐微波器件工作在液氮 温区( 7 7k ) 。采用块材研制的可调谐微波器件，通常需要很高的直流偏置电 压，这在实际应用中将很难被接受。解决这些问题的办法是将s t o 薄膜化。 s t o 薄膜的介电常数随温度的变化曲线( e ，t ) 如图1 5 ，在2 0k 8 0k 之间出现一个最大值，在6 0 8 0k 之问s t o 薄膜e 随电场有较大的可调率，即 s t o 薄膜的居里点向高温方向移动。在不同的单晶基片上，s t o 薄膜的介电常 数与介电常数可调率显示出不同的特征。这是由于外延生长薄膜的应力与基片 晶格常数之间有很大的关系，从而影响了s t o 薄膜的晶格常数，晶格常数的变 化又影响晶格中的振动模式，特别是与电磁性能相关的长光学横波t o 振动模 式的改变，引起s t o 薄膜介电性能的改变，显示出与s t o 单晶体材料不同的 性质。通过改变不同的工艺条件( 如：不同的基片、缓冲层和退火时间等) ，可 以得到满足不同要求的s t o 薄膜。与s t o 单晶体相比，s t o 薄膜的介电常数 电子科技大学硕士论文 e ，要小一个数量级，而介电损耗t a n6 则高一个数量级。除了较高晶格缺陷密 度引起的损耗外，s t o 薄膜与基片之间的界面层、薄膜与电极界面的肖特基势 垒、薄膜中的氧空位、薄膜中的应力以及薄膜的漏导损耗等诸多因素共同决定 了s t o 薄膜的介电性能较单晶差。 n o i r e i d n2 , 0 x 1 0 4v ( ：m 4 o x l 0 4v c r n t 觚l 阱n m # 龟k 图1 - 5 不同电场时，s r t i o s 薄膜介电常数随温度的变化关系 1 3 3 s r t i 0 3 薄膜介电特性的影响因素 铁电薄膜顺电相中的应力会诱发局部的铁电相，从而引起额外的介电损耗。 因此，如何有效地提高可调率、降低损耗是当前s t o 薄膜在微波应用中所要解 决的首要问题。同s t o 单晶相比，s t o 薄膜的介电特性与基片、底电极、薄膜 厚度、工艺条件、掺杂等多种因素密切相关。 1 基片对s t o 薄膜的晶体结构、取向和介电特性影响显著。s t o 单晶的 品格常数为3 9 0 5a ，采用晶体结构和晶格常数与之匹配良好的基片，可以制备 出表面平整、致密的高质量外延薄膜，获得优良的介电特性。根据研究结果， 具有良好微波特性的l a o 、m g o 和a 1 2 0 3 单晶基片是制备s t o 薄膜的最佳基 片。s t o 薄膜r q 以直接沉积在l a o 和m g o 单晶基片上，而在使用y a 1 2 0 3 基 片时，由于两者的晶格失配较大，需要先沉积适当厚度的缓冲层( 如：c e o ：) 后， 再生长s t o 薄膜：1 3 - 1 43 0 2 电极材料是获得s t o 薄膜优良介电特性的一个重要因素。作为s t o 薄 膜生长的表面，底电极必须与基片兼容性好，在高温氧气环境中能保持稳定。 近几年来，底电极对s t o 薄膜介电特性的影响己有大量报导。y b a 2 c u 3 0 7 _ x 、 ll穗嚣箕疆。l粤譬莲 电子科技大学硕士论文 s m b a 2 c u 3 0 7 _ x 、g d b a 2 c u 3 0 7 _ x 、s r r u 0 3 作为底电极时，s t o 薄膜的介电常数变 化不大，但介电可调率和介电损耗却表现出很大的差异。其中s t o s r r u 0 3 的 介电特性最好，这主要是它们的晶格匹配良好，也与s t o 薄膜和电极间所谓的 “死层”有关 15 o 此外，在l a o7 s r 03 m n 0 3 上制备的s t o 薄膜也表现出良好的 介电特性“。 3 掺杂可以有效地改善s t o 薄膜的介电特性。在s t o 靶材中少量掺入某 些元素，能改变s t o 薄膜的介电性质。当掺入c e 、c a 、c r 、m o 、m n 、w 、 c o 、y 、g a 和l r 等元素时，s t o 薄膜的介电损耗略有增加，但可调率有所提 高。而n b 的掺入将改变s t o 薄膜的电导率，且随着掺n b 量的增加，s t o 薄 膜的电导率也随之增大7 l 。 4 沉积温度是影响s t o 薄膜介电特性的关键因素。在薄膜沉积过程中，基 片温度对s t o 薄膜的介电特性和晶体结构影响明显。我们研究发现，低温制各 的s t o 薄膜介电常数和可调率均较小，随着基片温度的升高，s t o 薄膜取向更 好，介电性能更佳。但是温度过高，薄膜将发生开裂而使介电性能显著恶化。 c a r lh m u e l l e r 等人【is 1 研究了沉积温度对s t o 薄膜介电特性的影响，在8 0 0 、 l a o 基片上制备的s t o 薄膜，外加1 0 0 v 直流偏置电压时，叉指电容器的电 容值从6 2 p f 减小到1 9 p f ，损耗从0 0 1 5 减小o 0 0 1 。 5 薄膜厚度对s t o 薄膜介电性质的影响。对于异质外延薄膜，晶格常数失 配和热膨胀系数的差异会产生失配应变和热应变，由于薄膜的厚度远远小于基 片的厚度，所以应变主要集中在薄膜中。根据失配度( f = a s a 。a e ) 是小于零还是 大于零的不同，外延薄膜在平行基片表面的横向将产生压应变或张应变，相应 地，在垂直基片表面的纵向将产生张应变或压应变，从而引起薄膜品格常数的 改变。薄膜应变能随薄膜厚度的增加而线性地增大，而失配位错能随薄膜厚度 的增加以对数形式缓慢地增大。因此，薄膜厚度的不同，对应不同的应变，同 时将产生不同数量的缺陷以使这种应变得到充分地松弛，进而影响到介电常数 和介电损耗。 1 4 基于s r t i 0 3 薄膜的电调滤波器研究进展 6 0 年代初期，人们丌始研究铁电材料的介电特性及其在微波器件中的应用， 但是，直到1 9 8 6 年高温超导体被发现以后，铁电材料在微波器件中的应用才真 电子科技大学硕士论文 正出现，一方面因为是薄膜制备技术的成熟，另一方面是铁电材料和高温超导 体的晶体结构相似、制备工艺相近，便于制各集成薄膜。目前，基于高温超导 体和铁电材料的微波调谐器件正成为电子薄膜与集成器件领域的研究热点。 1 4 1基于s r t i 0 3 薄膜的压控电容器 s r t i 0 3 压控电容器主要有两种基本结构：平行板电容器和叉指电容器。平 行板电容器可以在较低的直流电场作用下获得大的可调率，但功率承载能力较 小；此外，它还需要上电极和下电极。与此相比，叉指电容器的可调率小，要 想获得大的可调率就必须提高直流偏置电场：由于又指电容器的叉指间距比平 行板电容器的上下电极间距离大得多，所以能承载比较大的功率，而且它不需 要底电极，易于与其它平面微波电路集成，只是对微细加工工艺要求高。对两 种电容器来说，损耗主要来源于电极材料和铁电材料，从而引起电容器品质因 子( q 值) 的下降。因此，找到一种既适合s t o 薄膜高温生长环境，微波损耗小， 又具有良好匹配性和附着力的电极材料是提高q 值的一个重要方面。用于微波 调谐电路的铁电材料，介电可调率和介电损耗是两个最重要的参数，在提高可 调率的同时应尽量降低损耗。从目前研究来看，要同时取得高可调率和低微波 损耗的铁电材料还比较困难。近几年来，人们采用脉冲激光沉积法、直流溅射 等多种薄膜制备技术，对掺杂和不掺杂的s t o 、b s t o 进行了大量的研究，并 测试了不同频率和温度时的介电可调率和介电损耗1 ”2 1 1 。表1 1 列出了已报导 s t o 和b s t o 的典型可调率和微波损耗参数，可见：目前的s t o 薄膜t a n6 典 型值为1 0 ，仍比相应块体单晶的损耗( 1 0 4 ) 高一个数量级。 电子科技人学硕士论文 表1 1 铁电材料的可调率和微波损耗 m a d eb y ： t y p e t a n6 f ( g h z ) t ( k ) t u n i n g p l a la “s t o 几a o0 0 0 1 3 1 6 7 71 0 p l a a g b s t o d m g o ( x - o 5 1 o21 02 9 83 0 p l ah t s ，s t o l a o00 0 7 567 72 3 3 p l a a u a g b s t o m g o ( x = 0 6 ) 00 0 6l o3 0 05 6 弓 盘 p l a a u t i s t o m g o 0 0 453 0 03 0 u l p l as 1 o 几a o 0 0 41 51 0 03 8 置 卫 岛 p l a a g ，y b c o s t o m g o o 0 5 1 1 43 0 目 星 p l aa u t j s t q 儿a oo0 1i 5 - 2 5 3 0 0 吕 i 蛊 p l a a l 】，y b c o s t o l a oo 0 22 02 02 5 口 上 p l a a g b s t o l a o o 1l o7 5 p l aa u y b c o s t o l a o0 0 0 67 57 97 m a 9 2c u s t o c e o s a p p h i r e o 0 23 1 07 8 1 0 04 5 p l a c u s t o c e o s a p p h i r e o 1 657 74 0 p l ay b c o s t 0 l a o0 0 0 3 2424 量 王 c e r 3 m gd o p e db s t o 00 0 6 5l o3 0 03 6 6 -i = _ s i n g l e 0 0 0 2 42 23 0 0 s t o c r , s t a j00 0 1 42 21 7 0 p u l s e dl a s e ra b l a t i o n ：2 m a g n e t r o ns p u t t e r i n g ；3 c e r a m i c 1 4 2 基于s r t i 0 3 薄膜的电调滤波器 自1 9 8 6 年高温超导体发现以来，基于s t o 薄膜的低通、高通、带通和带 阻滤波器的发展十分迅速。从结构- 匕来看，大多采用多层薄膜平行耦合线滤波 器和梳状线滤波器，通过缝隙电容器、叉指电容器或微带线边缘耦合来实现滤 波器的调谐。f a m i r a n d a 等人口2 j 研制了y b c o s r t i 0 3 l a a l 0 3 多层薄膜结构的 k 波段两级双工带通滤波器，实现了0 2g h z 中心频率移动( 土6 0v ，7 7k ) ， 如图l - 6 所示。( 3 s u b r a m a n y a m 等人i ”采用a u s t o l a o 设计了一个两级窄带 电子科技大学硕士论文 带通滤波器，在2 6k 、4 - 3 2 0v 直流电压双极全偏置( f b b ) 方式下，获得了约 1 1 的调谐率，带内插入损耗约47 5d b ，回波损耗在1 0d b 左右，如图1 7 所 示。与此同时，e i l e e nm s a e n z 和s s g e v o r g i a n 等人2 4 。5 1 对基于s t o 薄膜的带阻滤 波器也进行了详细的研究。 时 i。出 k |i 嚣l 沁一， l 巡剑 一 ， 凡 l | 嵫 f| ， 啦 一k 广o 1 ( a )( b ) 图l - 6 y b c o s r t i 0 3 l a a l 0 3 双工带通滤波器：( a ) 电路平面图：( b ) 测试结果 ；：嚣7 女2 ：器嚣嚣强嚣； ( b ) 图1 7 a u s t o l a o 二级带通滤波器：( a ) 电路平面图；( b ) n 试结果 设计电调滤波器的另一种方法是采用集总参数分立铁电元件，如：压控电 容器、谐振器等。今年，j a y e s hn a t h 等人2 “报导了一个基于b s t 变容管的三 级电调微带线带通滤波器，外加直流偏置电压在0 2 0 0 v 变化时，滤波器中心 频率从2 4 4g h z 变化到28 8g h z ，插入损耗由51d b 减小到3d b 。 总的来说，铁电薄膜在微波信号卜| 的损耗比较大，导致滤波器的滤波性能 较差，主要表现为插入损耗大( 3 5d b ) 、可调率低( 5 1 0 ) 、回波损耗和 电子科技大学硕士论文 带宽在调谐过程中偏离设计值较大、器件的温度敏感度高等等。从现有研究结 果来看，要使滤波器的所有技术指标均满足设计要求还非常困难。因此，在实 际应用中，通常采用折中办法，适当牺牲可调率以换取较低的损耗。从发展趋 势来看，基于铁电薄膜的电调滤波器正向结构紧凑、可调率高、损耗小和常温 工作的方向发展。 1 5 论文选题及研究方案 在低温下，s t o 薄膜具有优良的介电非线性特性，即：它的相对介电常数 随着外加直流电场的变化而变化。因此，设计基于s t o 薄膜的压控器件是可能 的，如：压控电容器、滤波器、移相器等。本论文研究的目标是：设计和优化 基于s t o 压控电容器的电调带通滤波器。具体分以下几步进行：s t o 薄膜的制 各及性质研究；多层介质微线带特性研究；多层介质叉指电容器特性研究；基 于s t o 压控电容器的电调带通滤波器设计与优化。为此，本论文主要开展了以 下几方面的研究工作： 1 、s t o y b c o 多层薄膜的制备和性能研究。采用射频溅射法与脉冲激光 沉积法相结合，在优化的工艺条件下制备y b c o 薄膜，并在上面外延生长s t o 薄膜，为压控器件的设计奠定良好的基础。s t o 薄膜的微观结构采用x r a y 衍 射技术进行分析，s t o 薄膜的表面形貌采用扫描探针显微镜( s p m ) 进行表征。 s t o 薄膜的介电特性通过a g i l e n th p 4 2 8 4 a 型l r c 测试仪及标准四端对测量法 测试。 2 、多层介质微带线特性研究。建立多层介质微带线模型，通过保角变换法 计算多层介质微带线的特性参数，如：有效介电常数( 。曲、特性阻抗( z o ) 等。 3 多层介质叉指电容器特性研究。建立多层介质结构叉指电容器模型，从 理论上计算s t o 薄膜不同介电常数时的电容值，并与同一模型的实验数据及电 磁仿真结果进行比较，得出研究多层介质叉指电容器特性的有效方法。 4 、电调带通滤波器设计。采用切比雪夫低通滤波器原型，设计和优化基于 s t o 叉指电容器的梳状线三阶带通滤波器。 电子科技大学硕士论文 2 1 薄膜制备方法 第二章实验方法与原理 脉冲激光沉积法( p u l s e dl a s e rd e p o s i t i o n ，简称p l d ) 是8 0 年代末迅速发 展起来的一种全新的薄膜制备技术，具有成膜速度快、靶膜成分一致等优点， 已成为当前广泛采用的薄膜制备技术之一。因此，本论文采用脉冲激光沉积技 法制备s t o 薄膜。 2 1 1p l d 技术的特点 p l d 和其它制膜技术比较，主要有以下一些特点： 1 可以生长和靶材成份一致的多元化合物薄膜，甚至含有易挥发元素的多 元化合物薄膜，是其突出的优点。由于等离子体的瞬间爆炸式发射，不存在成分 择优蒸发效应，以及等离子体发射的沿靶轴向空间约束效应，使膜的成分和靶 材的成分一致。 2 可引入各种活性气体如0 2 、h 2 等，对多元素化合物薄膜、特别是多元 氧化物薄膜的制各极为有利。 3 易于在较低温度下原位生长取向一致的织构膜或外延单晶膜。因此适用 于制备高质量的高t c 超导、铁电、压电、电光等多种功能薄膜。因为等离子体 中原子的能量比通常蒸发法产生的粒子能量要大得多( 1 0 1 0 0e v ) ，使得原子沿 表面的迁移扩散更剧烈，使得在较低的温度下也能实现外延生长；而低的脉冲 重复频率( 1 0e v ) 离子作用f ，固体中产生了各种不同的辐射式损伤，其中 电子科技大学硕士论文 之一就是原子的溅射，类似情况也发生在激光等离子体与基片表面相互作用时。 当轰击粒子与被轰击粒子的质量比接近1 时，在靶材与基片距离为5c m 处，观 察到一个脉冲内最大溅射约为o 1 0 0 1 5n m 。激光等离子体与基片撞击时，溅 射的原子密度高达5 1 0 1 4c m 2 ，并且形成粒子的逆流。根据对激光等离子体在 固体表面附近作用过程的研究和分析，激光等离子体与基片表面相互作用的机 理可描述如下：开始时向基片输入高能离子，其中一部分表面原子溅射出来， 由于输入离子流和从表面打出的原子相互作用，形成了一个高温和高粒子密度 的对撞区，阻碍了落入离子流直接通向基片。 4 在沉积表面凝结成膜 在上述情况下，薄膜在热化区形成以后才开始形成。热化区是凝聚粒子源， 凝聚速度随时间上升，从其速度超过由靶材跃出粒子速度的瞬间起，热化区开 始瓦解。当热化区最终消散后，薄膜的增长只能靠直接粒子流，其动能到这时 已降到1 0e v 。薄膜中的凝聚作用和缺陷的形成平行发展，直到输入粒子的能量 小于缺陷形成的闽值为止。因此在基片表面的热化区产生时，薄膜的生长只能 靠能量较低的粒子，这符合比较均衡的条件。 脉冲激光沉积法制备的薄膜质量主要由靶基距d 、气压p 、靶面上激光能 量密度e 、总激光能量w 、激光脉冲重复频率f 、基片温度t 等工艺参数决定。 在靶成分正确的情况下，这些参数的选取对薄膜质量有决定性作用。 2 - 2 微观分析方法 在研究中，薄膜样品的晶体结构采用x r d ( x r a y d i f f r a c t i o n ) 进行分析和 表征，薄膜的表面形貌采用a f m ( a t o m i cf o r c em i c r o s c o p y ) 进行表征。 2 2 1x 射线衍射仪结构及工作原理 x 射线衍射仪是按着晶体对x 射线衍射的几何原理设计制造的衍剩实验仪 器。在测试过程中，由x 射线管发射出的x 射线照射到试样上产生衍射现象， 有辐射探测器接收衍射线的x 射线光子，经测量电路放大处理后，在显示或记 录装置上给出精确的衍射线位置、强度和线形等衍射信息。x 射线衍射仪由x 射线发生器、测角仪、辐射探测器、测量电路以及控制操作和运行软件的电子 讨算机系统组成，其中测角仪是仪器的中心部分l ”i 。 电子科技大学硕士论文 s 为x 射线源，当一束发散的x 射线束照射到试样d 表面对，满足布拉格 关系的某些晶面，其衍射线便形成一根收敛的光束，f 处有一接收狭缝，它与 计数管c 同安装在可围绕衍射仪轴。旋转的支架e 上，当计数管c 转到适当 的位置时便可接受到一根线射线。计数管的角位置20 可从刻度k 上读出，如 图2 2 所示。 射仪的设计应使试样d 和探测器支架e 的角位置保持固定关系，当试样台 h 转过e 角时，e 必须转过20 角，u 。m 。一1 2 ，这就是试样与计数器的连 动，常记为0 20 ，连动关系保证了x 射线在试样上的入射角和反射角始终 相等，且等于衍射角的半，使试样中能满足布拉格关系的各晶面衍射线