（材料科学与工程专业论文）基于bst铁电薄膜的微带型微波调谐器件研究.pdf

博士后出站研究报告 摘要 摘要 基于b s t 铁电薄膜介电调谐概念的微带型微波调谐器件，有望在未来微波 集成电路( m i c ) 和军用通讯中得到重要应用而得到国际上研究重视。本文从微 波测试、材料研究、器件设计以及器件制备四个方面进行研究。 采用a g i l e n t 的网络分析仪器和c a s c a d e 的微波芯片原位测试系统， 构建了材料与器件的微波性能测试系统。研究了共平面电容结构的电磁结构与等 效测试电路，给出了薄膜材料的微波测试结果。( 有效的材料微波性能测试频率达 i g h z 以上：结合铁电材料的基本物理性能，间接的预示了2 0 g h z 以下的性能： 介电和介电调谐性能变化平缓，但损耗将随频率逐渐增加，并且探讨了15 g h z 左右平面电容结构下的“伪驰豫”现象，指出了共平面电容测试薄膜微波性能的 局限行。、r ， 在( 1 0 0 ) 单晶m g o 、l a a l 0 3 单晶基片上用p l d 工艺沉积制备了高调谐率、 低损耗外延b s t 薄膜。采用x r d 、s e m 等手段表征薄膜的丛篓! 堂堂和基本结构 特征，研究了不同b a s r 组分、基片温度、沉积氧压( p 。2 ) 、薄膜厚度、不同基 片等对薄膜外延结构与电性能的影响规律。着重探讨了b a os s r os t i o j l a a l 0 3 外 延结构重沉积氧压对薄膜微结构和电性能的影响作用机制，并且指出其外延性能 和晶格畸变之间的内在矛盾特性通过工艺优化，有效制备了5 0 0 1 0 0 0 r i m 范围 厚度的、适合集成微波器件应用的b s t 薄膜，其电性能主要指标：介电调谐率 5 0 ，损耗小于l5 ，测试频率达2 0 g h z 微波范围。 该性能达到国际最新发 表同类工作的水平。 参考美国n a s a 的年度报告中公开的器件设计图，采用s o n n e t 三维电磁 工程软件，模拟和优化设计了共面微带型电调带通滤波器、谐振器、移相器件。 模拟探讨了薄膜介电性能、厚度、尺寸等对器件性能的影响规律。得到如下结论： b s t 薄膜的介质本征损耗小于1 时，介质损耗对器件信号的插入损耗几近忽略， 但大于5 的介质损耗将明显导致信号插入损耗；调谐b s t 介电薄膜的厚度贡献 主要在5 0 0 1 0 0 0n i i l ，更低的薄膜厚度明显降低器件的调谐性能，但超过1 0 0 0 n n l 的薄膜贡献将变得不明显。v 在软件模拟设计的基础上，采用标准的半显笠当型三茎，通过制版、多层 金属电极溅射、光刻、腐蚀以及底电极形成等步骤，制备了一类的微带型带通滤 波器件原型。微波表征成功显示了器件的滤波和电调特性两个主要特性。 博士岳主站轩置撮昔 上謦交通大兰一承翌 致谢 首先裹心感谢导师吴建生教授提供我在交大继续敞博后研芄的工作机会。吴老师始终 关心和支持翠人的博士后研究工怍，井为此剖遗许多条阵。没有吴老师的理解、芫一t 、烹捧 和帮助，盎人不可能完成本支早安验研究工作。丧此谨商吴老师致以深深的谢惹。 迹要自裹感谢盂宰砉教授。盘工怍是在和孟老师舍怍下亮成的。盂老师不仅龟学术上美 心，探讨有关工怍，而旦提供陶瓷靶材制备、差片、以及介皂测试等等条件，最大限度地帮 助本人完成该研究工作。 由于内地实验条件限制，翠文实验号：的外廷薄膜制备、光剥工艺和微渡测试部是在香港 理工太掌应用物理系材料研兖丰( = _ 完成前。由裹她感谢应角物理系陈王丽垡教授、桑惠龙教 授提洪萃人在季港的工作机全。否则，支串实验难以完成。 再次感谢人事处沈涪科长、姚训副处长和毛大立处长和材科系扁平南书记辱领导的美心 和交旖。没有池们理解和支持我圭香嵩二怍本人 荨士后研芄实验工作不可能顺利完成。 向一贯支持、关心和帮助我们的材料系办公耋的傅老师、毛老师、徐老师、升老师等致 以崇高的敬意： 感谢上海大掌奄亏：信思材料系的同掌和老9 币仍，本人 荨士和博士后其闻始冬得到那些热 情的人们的帮助。尤箕是彭东文博士和陈海燕博士，他们帮助我壳成许多实验。 还有一件非常睾运的事情是和一个乃公室的岛清超博士、赵斌博士、张全成博士、徐寒 冰博张玉平j 尊等同事愉快相处丁2 年，谢谢大家的帮助和支持! 博士后出站研究报告第一童 第一章引言 1 b s t 铁电薄膜的介电非线性 电介质的基本功能之一是在电场( e ) 作用下感应并产生电极化f p ) ，通常有 如下定义： p 2 巳s o e e o 是真空介电率，就是介质的相对介电常数。对于绝大多数电介质，其介电常 数与外电场无关，是一常数，这类电介质叫线性电介质。但是，还有一类电介质 的介电常数在外加电场的极化过程不是固定不变的常数，而是外加电场的函数， 这类电介质叫极化非线性电介质，或者说它们的极化行为具有介电非线性。在通 讯工程中，根据介质中工作电场性质的不同，介电常数又有直流静态介电常数 ( d c ) 和小信号交变介电常数( a c ) 之分。其定义为， p ，d c 2 石 8 p 。加2 面 对线性电介质，其静态介电常数和小信号交变介电常数一致，而对于介电非线性 电介质，两者往往不等，并且分别是外加电场的函数。显然，小信号介电常数是 相应的静态电场的函数。作为信号存储、传播与处理的媒介，在微波通讯工程中， 人们关注并利用电介质的小信号介电性能。 图1 1 铁电体典型的小信号介电电容率偏置电场曲线 f i g11t y p i c a lc u r v eo fs m a l ls i g n a lp e r m i t t i v i t yo i lb i a sd ce l e c t r i c a lf i e l do ff e r r o e l e c t r i c s ji暑一g；山 博士后出站研究报告 第一章 铁电材料的介电非线性特性早在2 0 世纪5 0 年代就被人们提出并得到重视。 铁电材料具有非线性极化响应的特点，个重要特征就是其交变小信号介电常数 随外加直流偏置电场的增加而变小，典型的c v 关系见f i g 1 1 。零偏置场强下 介电率( ( 0 ) ) 最大，随着电场增加而而降低( ( e ) ) ，介电调谐率( d i e l e c t r i c t u n a b i l i t y ) 则定义为 砌阶丛蒙旦1 0 。 铁电体的这种一e 特性被称为介电调谐特性。自从铁电体的介电调谐特性被 发现，人们就开始预计其在通讯等工程中的特殊应用价值。但铁电体的这种这种 介电调谐效应通常要在比较高的电场强度1 0 - 1 0 2 k v c m 量级才能有明显表现， 因而对于块体，其电压会高得难以接受，实用化研究进程为此大大受阻。一直到 上个世纪9 0 年代，随着薄膜化技术的提高和改进，铁电薄膜的广泛制备与研究， 再次唤起人们对铁电体的介电调谐特性的应用研究兴趣，并很快在美国掀起应用 研究的热潮【1 1 1 1 。 铁电体种类繁多。铁电体的唯象理论预示在铁电顺电相变点附近，铁电体 都具有介电调谐的行为。但不同铁电体其调谐能力不样；同种铁电体在不同 的状态( 铁电或顺电) 或者不同的温度( 相对于居里温度) 的调谐行为也不一样。 铁电体的调谐机制至少有两个不同的方面。其一，铁电相中铁电畴( d o m a i n ) 的极化趋向因为外加偏置电场的改变而影响小信号介电率 1 2 。这种机制，在微 观动力学上因有电畴的参与而引起附加的介电损耗( d i e l e c t r i cl o s s ) 。其二，顺电 相软模( s o f tm o d e ) 在外电场下的硬化( h a r d i n g ) 改变离子极化率而影响介电 率【l l 】。这种机制因为在顺电相，没有电畴的参与，通常的介质损耗相对较小， 正是需要利用的调谐机制。顺电相铁电体中的软模对e v e n 电场的硬化敏感性决定 了其介电调谐能力。理论和实践表明，越是接近居里相变温度，这种敏感性越强， 介电调谐越强。为此，我们也还希望电介质的居里温度能调制，适应不同温度的 工作要求。 钛酸锶钡( b a 。s r i 。t i 0 3 ，b s t ) 系列固溶体由于其合适的居里温度范围 2 3 3 0 c 1 2 0 0 c ，且居里温度可通过b “s r 组分的改变调节，能提供不同工作温度 下高电调谐材料，所以倍受关注 2 ，3 1 。譬如，适应太空等低温工作环境，与超导 薄膜结合，基于s r t i o ，薄膜的频率捷变器件展现良好的应用前景 】2 16 。进而 这种r f m i c r o w a v e 频率范围的调谐器件被推广至商业民用通讯系统，为此必须 获得室温条件下的性能表现优良的铁电薄膜。初步研究表明，b a o4 s r o6 t i 0 3 、 b a o5 s r o5 t i 0 3 和b a o6 s r 0 4 t i 0 3 三种成分特征的薄膜表现了良好的室温调谐性能， 是室温条件下器件研究重点对象 1 7 - 2 5 】。这三种组分的b s t 都是居里温度低于 博士后出站研究报告 第一章 室温的铁电体，在室温处于顺电态。b s t 的居里温度调节灵活性是其优势之一a 另外，美国圣地亚国家实验室h n a l s h a r e e f 等 1 调查了p n z t 、p z t 、b t 、 s t 等诸多铁电薄膜在室温及低温下的调谐性能，指出p n z t 、p z t 虽然具有较 高的调谐量，但是相应的损耗较大，并不适合作为微波调谐器件之用。b s t ( 以 上述三个组分为典型) 则在介电调谐与损耗两个方面均比较适合：较大的调谐率 和较低的薄膜损耗，称为最佳候选材料。 2 基于b s t 薄膜介电调微波器件概念及应用领域 f i g 1 2 显示了一种弱偶合输入输出微带谐振器( m i c r 。s t 却r e s o n a t o r ) 的结构 设计及等效电路图 1 2 】。电路中的电感l 可认为不变，通过调制薄膜的直流偏置 电压，改变小信号电容c ，从而可以调制谐振回路的中心谐振频率c o o ，起到从输 入信号中选频输出的效果。容易得到谐振频率o 及谐振回路的品质因子q 分别 为： 毋，文| 瓜 q = 去悟= 警= 赤 选频宽度与电容的调谐量的关系为： ，一c 0 一 o c i 该电调电路可以用于信号接收机的前置部位用作选频电路。这个电路应用了b s t 的介质电容的变容功能( v a r a c t o r ) ，类似传统的变容二极管。 蚤瓮 ，t r d 一州 图1 2 一种微带谐振器的结构示意图及等效电路图 f i g1 2s c h e m a t i cd i a g r a mo fam i c r o s t r i pr e s o n a t o ra n di t se q u i v a l e n tc i r c u i t 压 e 博士后出站研究报告第一童 铁电薄膜应用于微波通讯领域的另一个推动力是微波电路集成化和通讯频 率高频化。微波技术问世已有半个多世纪，反展迅速，应用广泛。微波电路的发 展基本上遵循着低频电路的历程。低频电路方面，继i c 和l s i c 后，出现了 v l s i c ，其线度达亚微米量级。同时研制处m u i c ，在电路厚度不显著增大的前 提下，面积显著缩小，已有数十层m u i c 成品。分别于6 0 年代和7 0 年代出现的 混合微波集成电路( h m i c ) 和单片微波集成电路( m m i c ) 自8 0 年代以来己被 广泛应用，并从单片功能电路发展到多功能组件。9 0 年代研制可用于毫米波段 的m m i c ，适应未来高频、宽频通讯的发展要求 2 6 1 。新的更高频率的集成微波 芯片的发展，要求新的材料和器件概念，完成微波信号的传输、移相、滤波以及 谐振选频等功能。新材料与新器件概念要更好地满足集成技术的要求，也要更好 地满足高频应用的功能。 - 一d t - - 图1 3 一种共平面波导的结构示意图及等效电路图 f i g 1 3s c h e m a t i cd i a g r a mo f ac p w sa n di t se q u i v a l e n tc i r c u i t 基于共平面波导( c o p l a n a rw a v e g u i d e s ，c p w s ) 的移相器如f i g 13 所示。 根据传输线理论，当该c p w s 为理想无损传输时，入射信号传播特征及特征阻抗 分别为： v ( x 、= z o e j “j l c x ，7恤 白2 、石 c 、l 分别为微带传输线的单位长度电容和电感。对于特定频率f o 的信号，波导 输出端的相位角变化为： 西= c o 、 l c x o 博士后出站研究报告 第一蕾 x o 为传输线长度。显然，该信号相位角可通过外加直流偏置电场加以控制达 到信号相移的目的，在频率合成及信号提取等方面有重要应用。这里，b s t 已经 不是作为一个元件作用的概念，而是一种介质空间，介电可调制的介质空间。从 上述简单的传输线模型的讨论，还可以发现，以具有小信号电容随外加直流电场 改变特性的铁电材料为传输介质时，传输线在实现电调阻抗匹配、不同频率电调 阻抗变换( 例1 4 波长阻抗变换b 1 ) 等方面均具有广阔的设计空间，可以在新兴 的微波集成电路中发挥广阔的应用空间。将b s t 薄膜作为- - i t 可以调制的介质 空间，发展微带型共面可调微波器件，是一个新的概念，也是一个十分突出的技 术发展方向。首先，作为独立的单一功能芯片，比较容易实现并产业化。其次， 无论从制备工艺，还是电路结构和电路结构诸多角度，这种微带共平面器件都与 m m i c 技术具有极好的相容性 2 6 。 图1 4 基于铁电薄膜共平面型m x n 可电调移相器阵列天线 f i g 1 42 dp h a s e da r r a ya n t e n n af e a t u r e db yt u n a b l ep h a s es h i f l e r so nb s tt h i n f i l m s ( p r o v i d e db yp a r a t e kc o ) 还有值得提及的是军工应用。相控阵雷达是一种先进的雷达技术，应用于 军事。其核心硬件之一是m 乘n 个相位可控且相关的天线元列阵( a r r a y e d a n t e n n a e ) 。早先的天线阵列元的相位是通过带磁芯线圈中的电流调制的，明显 的缺点是相位控制响应速度慢，结构笨重，难以紧凑集成，而且成本高昂。铁电 薄膜的出现，提供了这种雷达研究和制造的技术革新机会。通常，利用铁电薄膜 的介电可调制性，实现n m 个平面内高度压缩的电调移相器件，进而形成结构 紧凑的平面天线元列阵。采用铁电薄膜代替传统的电流磁控制技术，显著的有点 有：一，响应速度快，系统控制性能好。铁电材料的介电率是随外加电场的响应 几乎是即时的( 1 0 - 2 n s ) ，几乎可以足够应付任何目前的自动控制系统理论设计 博士后出站研究报告 第一章 和实践：并且，电压的控制性在实践上优于电流的控制性。二，大大压缩体积和 重量，并拓宽了应用领域。f i g1 4 是一个平面移相阵列的实物图，n a s a 实验室 在年度总结会发表 2 7 1 。这种高度紧凑的天线技术可以将军舰、基地等相控雷达 设计成压缩平面型结构，极大地提高实战中的安全性。随着依相阵列天线的压缩 和集成度提高，一些研究人员试图将小型的相控阵列雷达安装到小型的高速运动 的武器例如导弹上，提高自身的跟踪识别能力和命中精确性。提出集成天线芯片， 见f i g 1 5 2 8 。三，制造成本和工作成本均降低。应该说，铁电薄膜的介电调谐 极其在微波通讯中的应用，之所以在美国得到国防先进项目研究总曙d a r p a 大 量研究资助 2 7 4 0 1 ，与其在军事中巨大的潜在应用是分不开的。 c h a r a c t e r i s t i c s 2 8 3 2e l e m e n t s ，1 7 6 1 6 - e l e m e n ts u b a r r a y s 3d 1 3i n s e r t i o ni o s sp e r p h a s es h i f t e r 3 9d b lg a i na t l 9 g h z 图1 5 集成半导体工艺相容移相天线阵列，适合小型移动目标如导弹等做 相控智能雷达 f i g 1 5p h a s e da r r a ya n t e n n a ，p r o c e s s e dc o m p a t i b l yw i t hs t a n d a r d s e m i c o n d u c t o rp r o c e s s i n g ，w h i c hi sp l a n n e dt ou s e da ss m a l lp h a s e c o n t r o l l e dr a d a r ( p r o v i d e db yn a s al e w i sr e s e a r c hc e n t e r ) 3 国内外研究现状与总结 利用铁电薄膜的介电可调特性开发新型微波频率捷变器件，应用于军用或民 用通讯系统，具有重要前景。上个世纪末，美国在该领域首先掀起研究热潮。人 们首先是结合超导薄膜，开发低温条件下的微波频率捷变器件，应用在太空卫星 通讯。基本的材料组合例如y b c o s f n 0 3 、y b c o b a o9 s r o l t i 0 3 等多层结构。据 称，低温下铁电薄膜良好的调谐特性和较低的介质损耗以及超导薄膜的“零电阻” 特性，使得器件获得很好的应用性能，实用已经获得成功。随着超导铁电复合 低温微波器件的成功，国际上将研究兴趣转移到常温铁电微波调谐器件的开发， 6 博士后出站研究报告 第一章 因为室温意味着更加广阔的应用潜力，无论民用还是军用。室温环境的材料目标 主要是b a o4 s r o6 t i 0 3 、b a o5 s r o5 t i 0 3 、b a o6 s r o4 t i 0 3 等b s t 组分。所用电极材料最 常见的是主体a u 、a g ，结合t i 等作为过渡结合电极材料。参与该领域研究的机 构涉及美国著名高校、公司和国家研究中心。侧重点则有所不同。如u n i v e r s i t yo f m a r y l a n d 2 0 2l1 、u n i v e r s i t yo fc o l o r a d o 17 19 1 ，阿贡国家实验室( a r g o n n e n a t i o n a l l a b o r a t o r y ) 2 9 、海军研究实验室( n a v a lr e s e a r c hl a b o r a t o r y ， w a s h i n g t o n ) 2 8 ，3 3 ，3 8 、杜邦公司 3 6 等主要侧重b s t 薄膜的工艺、结构和性能 研究，以及材料制备的一致性、重复性研究，制备性能优良的b s t 薄膜。u n i v e r s i t y o fc a l i f o r n i a 31 ，3 5 1 、m i tl i n c o l nl a b o r a t o r y 4 0 1 、n a s al e w i s & g l e n nr e s e a r c h c e n t e r 4 1 4 5 1 侧重器件与系统的开发与研究，尤其是军事应用通讯器件与系统。 b s t 薄膜的调谐与微波应用已连续成为d a r p a 的资助研究对象。除了美国之外， 韩国的汉城大学、三星电子公司2 5 等在薄膜的微波性能测试方面做了有特色的 研究工作，着重研究了b s t 薄膜在应力条件下的个向异性特性。俄罗斯、瑞典在 b s t 薄膜基础物理性能方面发表了研究工作4 6 4 7 。国内，南京大学，中科院上 海技术物理研究所，上海硅酸盐研究所，等单位从事b s t 蒂i j 备和性能方面一些基 础研究，但着力于b s t 薄膜微波调谐应用研究的工作尚未见过发表。应该说，基 于b s t 介电调谐机制的微波器件应用研究在国内研究尚未得到足够注视。 事实上，铁电薄膜的调谐与微波应用，涉及多个学科例如物理、材料、电子 和通讯等，往往需要多个不同特点的研究机构合作。概括整个研究工作，至少涉 及以下几个方面： l 、薄膜材料制各。高性能也就是高调谐率低损耗的b s t 薄膜的制备面临挑战。 目前的认识是，只有结晶良好、结构缺陷尽量少的单晶外延b s t 薄膜才能取 得比较满意的结果。同时，薄膜的微波介电性能对薄膜应力敏感，有关物理 机制则尚未明确。制备具有优良性能的b s t 薄膜是一个基本核心。 2 、微波表征。材料介电性能的微波测试一直是个不断进步中的技术，因测试频 率、样品尺寸和形态等改变而变化迥然。薄膜态铁电材料的微波测试与性能 表征也是是一个正在研究和改进中科学技术问题。可靠地表征b s t 薄膜的微 波性能是整个研究工作的基本保证。 3 、器件设计和模拟。人们设计各种不同结构的电路实现不同的信号处理功能如 电调相移、滤波、调谐等等。这些电路往往是共面带条型的，对应的电性能 参数将与电路结构和尺寸密切相关，以及薄膜的厚度和性能也将影响所设计 器件的性能。在设计好器件的功能及对应的结构尺寸后，要进行各种模拟， 以评估可能的结果。、 4 、器件的制备。由于所设计的金属结构在几个至几十个微米的尺度范围，设计 好的电路通常需要采用标准的半导体光刻工艺实现。 博士后出站研究报告 第一童 4 本文研究目标 1 、本文采用脉冲激光沉积工艺( p l d ) ，制备外延b s t 薄膜，研究工艺结构一 性能关系，优化工艺条件，获得介电调谐性能优良的b s t 薄膜。 2 、在微波频率范围研究b s t 薄膜的介电性能。 3 、开展调谐器件的研究，包括设计、模拟和制备。 博士后出站研究报告 第二章 第二章b s t 薄膜微波频段测试系统、原理与方法 铁电薄膜的微波介电性能测试是一个具有挑战性的课题。本章利用h p 公司 的网络分析仪，引进芯片微波原位测试系统，通过构建薄膜表面容性阻抗，测试 了b s t 薄膜的微波介电性质。在集总参数电路模型的基础上，讨论了共面电容 的阻抗和薄膜介电性质之间的关系。测试了b s t 薄膜直到到2 0 g h z 的介电性质， 详细讨论了出现在其中的“介电驰豫”现象，同时指出了这种接触式测量的局限 性和改进的办法。 1 网络分析仪器与芯片原位微波测试系统 为了测试材料或元件在不同频率的介电性能，通常需要采纳不同的测试技术。 当频率处于5 h z 1 1 0 m h z 范围，常常采用电桥平衡法、电流一电压等原理，响应 的测试仪器常称为阻抗测试仪( i m p e d a n c ea n a l y z e r ) 。当要求的测试频率继续提 高，尤其在1 1 0 2 g h z 频率范围，则要采用波分析的概念和技术，通过反射波和 透射波的信息，获知对象的阻抗特性和传输特性，既而分析相应的介电特性。这 样的仪器叫网络分析仪( n e t w o r k a n a l y z e r ) 4 8 。 s - p a r a m e 把 s l l s z l s 1 2 5 2 2 t f ，ts e td r ：i p t t o n n p u tr e f l e c t i o nc o e f f i c i e n t f b l w g g a l t l r e y e r s eg a i n o u t p u tl e l l e o r l o nc o e f i l c t e l t 【 图2 1s 参数及网络分析测试原理图 f i g 2 1t h ep r i n e i p l eo fs - p a r a m e t e ra n di t sm e a s u r e m e n tb yn e t w o r ka n a l y z e r 暑 d d v v 刚 心 肌 0 0 0 0 。 - i i 蓦 电 赴 乱 虬 kntc l l 2 2 d 扭 g 虑 b b b b 博士后出站研究报告 第二章 标准的网络分析仪器通常能够测量一个两端口( t w o p o x ) 电路器件的反射 ( r e f l e c t i o n ) 和传输( t r a n s m i s s i o n ) 特性，并直接给出他们的s 一参数。f i g 2 1 示出网络分析仪器的测试原理图。 ozz ：r e 们 s 1 1 z o 等 l s 。 一 图2 2 网络分析仪测试单端1 ：3 阻抗原理 f i g 2 2t h ep r i n c i p l eo fm e 则e m e m o fi m p e d a n c eo fo n e - p o r tc i r c u i tb y n e t w o r ka n a l y z e r 根据网络分析原理，s 1 1 直接决定于连接电缆和测试对象输入端口的阻抗 失配( i m p e d a n c em i s m a t c h ) 。这就提供了一个利用网络分析仪器测试单端i ：3 对 象的机会。f i g 22 示出网络分析仪测试单端口对象阻抗的原理。为了测试b s t 薄膜的介电性能，方法之一是在薄膜表面构建容性阻抗，通常有叉指电容 ( i n t e r d i g i t a lc a p a c i t o r ) 和共面电容( c o p l a n a rc a p a c i t o r ) 两种。本文将采用这 种表面构建容性阻抗的方法，测试b s t 薄膜的微波介电性质。两者均利用略过 薄膜表面的电场，建立阻抗和薄膜介电性能的关系，进而提取薄膜的介电性质。 详细的模型分析在下面讨论。 图2 3 芯片原位微波测试系统和测试探头 f i g 2 _ 3t h e m i c r o w a v em e 娜e m e n ts y s t e m 1 0 博士后出站研究报告 第二章 在微波测量中，根据测试对象不同的形态，往往需要采用不同的测试构架 ( t e s t f i x t u r e ) 和连接方式。国际上已经有专业的用于微波芯片原位测试的探头 系统。为了有效连接网络分析仪和b s t 薄膜表面构建的微小的共面电容和叉指 电容，本文工作中利用该系统实现b s t 薄膜的微波测试。f i g 2 3 示出以 c a s c a d e m i c r o t e c h 公司产品构建的实物图。该测试系统利用电缆诱导和传 输微波信号，从仪器端口到测试探头的尖端始终保持标准传输阻抗5 0 欧姆，确 保在测试构件的外连接部分保证没有附加的信号发射发生。 2 共面电容模型与薄膜微波介电参数测试 利用构建在薄膜表面的容性阻抗，可以计算相应薄膜材料的介电性质。无 论是叉指电容还是共平面电容，均被看作一个集总参数元件对待。f i g 2 4 是构建 在薄膜表面的一个共平面电容的结构示意图和相应的集总等效电路图。忽律基片 和空气的影响，等效导纳y = 2 7 c f c + t 9 5 ，电路分析可得综合阻抗z 为， 纠胁赫h而11t g8 ) c o ct g ( 2 )、 ( + 27 。( 1 + 2 万) 们 、7 从e q 2 ，2 可以看到，通过测量构建在b s t 薄膜表面的共面电容的s 1 1 参数，即 可得到薄膜的损耗t 9 5 和由薄膜贡献的电容量c 。接下来的问题是如何从电容量 c 得到薄膜的介电常数f 。c 不仅是r 的函数，还和薄膜厚度，共面电容的尺寸 以及间距密切相关。严格意义上的解析式通常不存在。精确的求解往往要借助计 算机，采用有限元法计算。但从文献也可以找到一些近似性很好的解析式。文献 4 9 $ f j 用下式计算薄膜的介电常数： 4 c ( 1 n 2 + 导) e ：丛( 3 ) l 6 0 其中，c 为测试电容量，l 为共面电容边长，d 为间隙，h 为薄膜厚度。 博士后出站研究报告 第二章 i 2 r s 1 2 r s 图2 4 共平面电容结构示意图及其电路原理 f i g2 4s c h e m a t i co fac o p l a n a rc a p a c i t o ra n di t de q u i v a l e n tc i r c u i t 3 i o m h z 2 0 g h z 介电测试结果与讨论结 本节给出在共面电容结构下b s t 薄膜一个典型的介电频谱测试结果。在单 端测试模式下，网络分析仪器( a g i l e n t 8 7 2 0 e s ) 经过严格的s o l ( s h o r t o p e n l o a d ) 校准，并利用e q 2 1 、e q 2 2 计算出相应薄膜的介电常数和介 电损耗，见f i g 2 5 。为了验证测试结果的可靠性和一致性，同时给出该样品用阻 抗分析仪( a g i l e n t4 2 9 1 b 、4 2 9 4 a ) 测试的结果。阻抗分析仪直接给出测试对 象的电容和损耗。 图2 5 外延b s t 薄膜的介电频谱 f i g 2 5d i e l e c t r i cs p e c t r u mo f ae p i t a x i a lb s tt h i nf i l m 1 2 博士后出站研究报告第二章 在相同的频率段，三台仪器的测试结果十分一致。介电常数大小区别小于 5 ，介电损耗在1 g h z 左右略显不同：阻抗分析仪h p 4 2 9 1 b 给出的损耗量稍大 于网络分析仪h p 8 7 2 e s 间接测试量的值。此结果揭示上述用网络分析仪测试单 端口器件阻抗方法的有效性。 测试结果还表明，从1 0 k h z 到i g h z ，b s t 薄膜的介电常数保持平坦，基 本不变。但，从图中可以发现，在1 2 g h z 左右，介电常数出现急剧的下降，同 时伴随明显的损耗峰。其行为与介质驰豫十分相似。 f r e q u e n c y ( h z ) ， 董 芷 3 u 图2 6b s t 外延铁电薄膜的文献测试结果 f i g 2 6r e c i t e dr e s u l t so nt h ed i e l e c t r i cs p e c t r u mo fe p i t a x i a lb s t 美国学者j db a n i e c k i , e ta lf 5 0 l19 9 8 年在a p p l i e dp h y s i c sl e t t e r 发表了 m o c v d 制备的b s t 薄膜的微波频率介电测试结果，见f i g 2 6 。直接测试到而 没有矫正的数据表明在2 3g h z 频率附近出现急剧的介电常数下降行为。不过， 作者认为那不是b s t 薄膜的本征驰豫性质，而是电容结构引起的测试误差，薄 膜材料的性质需要修正。修正后的薄膜的介电常数直到1 0 0g h z 仍保持平坦。 作者在文中没有详细公布修正办法。 但随后日本学者d a i s u k eu e d a 厂5 1 11 9 9 9 年盘发表了b s t 薄膜的微波性 能测试结果，见f i g 2 7 。并认为在介电常数急剧下降所在频率处发生了介电驰豫 ( r e l m x i o n ) 。介质驰豫认为起源于薄膜中氧空位缺陷极化。 现在的问题是，其一，利用有电极的电容构建，测试b s t 薄膜的微波介电 一k氩一u譬嚣口蔚己q 博士后出站研究报告 第二童 常数，在1 1 0g h z 频率段出现的介电常数急剧下降行为是所建电容结构引起的 呢，还是反应了b s t 薄膜的本征性质? 其二，氧空位缺陷极化是否诱致在该频 率段附加的极化驰豫? 1 5 0 弋。i 。o o 7 0 0 c 、 一 fl 、 o1 0 f r e q u e n c y ( g h z ) 图2 6b s t 外延铁电薄膜的文献测试结果2 f i g 2 6r e c i t e dr e s u l t so nt h ed i e l e c t r i cs p e c t r u mo fe p i t a x i a lb s t 以上两个问题之所以十分重要，因为他们直接关系到b s t 薄膜能否在通讯 实践中成功应用。l 一1 0g h z 是微波通讯的主要覆盖频段区域。b s t 介质薄膜的 任何本征介电性能急剧变化，都将导致应用上难以克服的困难。还有，几乎任何 方法制备的b s t 薄膜都存在氧缺陷。如果这种缺陷极化诱发该频率段的极化驰 豫，也将在实践中导致困难。从传统的理论知道，电子极化驰豫频率在t 0 ”h z ， 离子极化驰豫频率在1 0 1 2 h z ，有机偶极子极化驰豫频率1 0 9 h z 量级。象b s t 这 种离子晶体中因氧空位导致缺陷极化的驰豫频率则较少论述，目前难以根据文献 确认。 本文测试了一系列不同间隙大小的共平面电容的容量，根据e q 2 2 ，从一个 角度论述了f i g 2 5 中的介电频谱曲线中出现在1 2g h z 左右的急剧下降不是薄 膜的本征驰豫特性。f i g 2 7 a 出示了同一个b s t 薄膜样品表面形成的具有不同间 隙的共平面电容的介电频谱测试结果。随着共面电容间隙g 从8u m 增加到5 0 博士后出站研究报告第二童 u m ，电容量则相应地减小。根据e q 2 2 ，共面电容的电容量和薄膜的介电常数成 正比例。那也就是说，电容急剧变化两边的电容量c o 和c 1 应该随着共面电容 间隙的变化而“同步地”变化： c o ，g = r ( g ) x ，o c l ，g = r ( g ) x6 r ，1 吒= c 0 眉一c 1 ，。= r ( g ) x ( ，o e r , i ) c 0 ，。一r ( g ) 一氏，。 c o8 。r ( 8 u m ) 8 08 。 但本文的测试结果并不支持这一结论。见f i g2 7 c ，所测试到的c og c o l 8 u 。 和6 0 ，g 8 0 ，8 u 。随着间隙g 的增加越发偏离。由此看出，本文所测试到的1 2g h z 左 右的电容急剧下降行为不是薄膜的本征性质，因此也就排除了可能是介质本征驰 豫的猜测。那更可能是电容结构引起的表现行为。 图2 7 不同间隙共面电容系列下测试的b s t 薄膜的频率一电容曲线 f i g 2 7c fc u r v e so f b s tt h i nf i l m sm e a s u r e db yv a r i o u sc o p l a n a rc a p a c i t o r s d i s t i n g u i s h e db yg a pw i d t h 博士后出站研究报告第二章 或许因为薄膜材料的微波性能测试面临相当的困难，文献查阅的结果显示， b s t 薄膜在g h z 介电频谱行为直没有比较全面权威直接的测试结果，1 1 0 0 g h z 频段的测试结果不多见。但有一点是肯定的：建立容性阻抗，无论是叉指 电极还是共平面电极，对b s t 薄膜进行微波频段的介电表征，在理论上存在测 试频率上限。电路电磁场理论告诉我们，只有当某测试频率下的电磁波波长( 九) 远大于测试对象的尺寸( l ) 时，测试对象才能作为一个集总参数元件处理。通 常的工程判断准则是) v 2 0 l 。否则，则不能作为一个集中元件对待，e q 2 1 所代 表的模型变得无效。因此推测，如果将共面电容的尺寸做得更小，或许上限测试 频率会更高。作为测试技术改进，这种预测可以在以后实践中加以验证。 最近，韩国和美国的研究人员采用特别制作的微探头，构建外感应电路， 避免在薄膜表面制作有形金属电极，通过探针与薄膜之间的介电感应，探测薄膜 的微波介电性能 2 4 ，2 5 】。该方法的特点是避免了引进金属电极附加的干扰信息。 但缺点是，需要精细的硬件制作以及繁复的电磁场模型，并且需要借助专业的电 磁计算软件包，所得结果更加间接：还有，只能得到单个设计好频率下的介电性 能，不能获得连续的介电频谱。 总结本文结果得到结论，o 5m i l l 2 电极对组成的共面电容，仅利用集总参数 分析模型，可以有效测试b s t 薄膜的微波介电性能至1 2g h z 。1 2g h z 出现的 电容曲线“r o l lo f f ”不反应薄膜的本征介电驰豫性质。更高频段的薄膜性能 提取则需要借助更加复杂的电磁场分析模型。 1 6 博士后出站研究报告第三章 第三章外延b s t 薄膜的p l d 制备、结构和性能研究 基于b s t 铁电薄膜可集成调谐微波器件技术首要问题之是制各高性能薄 膜。 目前有许多制备铁电薄膜的方法。大类可分物理气相沉积( p v d ) 、化学气 相沉积( c v d ) 和金属有机溶液沉积( m o s d ) 。具体而言，有脉冲激光沉积( p l d ) ， 溅射( s p u t t e r i n g ) ，电子束蒸发沉积( e b v d ) ，金属有机化学溶液气相沉积 ( m o c v d ) ，溶胶凝胶( s 0 1 g e l ) ，金属有机溶液沉积( m o d ) 等。总结这些 方法特点，m o s d 比较简单廉价，适合工业化生产，但通常只能制备多晶薄膜： m o c v d 能够制备高质量单晶薄膜，但设备复杂昂贵，操作复杂成本高；s p u t t e r i n g 制备薄膜设备技术比较成熟，能够制备单晶高质量薄膜，但对于多组元氧化物薄 膜成分容易偏差，稳定的工艺不易控制；而p l d 法尽管制膜效率低、面积小的 缺点，但能保证组元成分且能沉积单晶高质量薄膜而在实验室研究中被普遍采 用。 b a o5 s r o5 t i 0 3 和b a o6 s r o4 t i 0 3 两组分特征的b s t 薄膜经常被研究作室温室 温调谐应用的研究对象。其居里温度接近室温且又处于顺电相，因而能保证较高 的调谐率和较低的损耗。理想的高调谐、低损耗b s t 薄膜性能与薄膜的结构或 微结构密切相关。目前的研究结果表明，单晶外延( s i n g l ee p i t a x i a l ) 薄膜的性 能明显优于多晶薄膜，而成为微波调谐应用的重点研究对象。研究同时发现， b a j s r 比率，结晶性，缺陷，基片，厚度，表面粗糙度，等因素能均对b s t 薄膜 的介电调谐性能产生显著影响。另一个复杂而重要的非结构影响因素是应力状 态。薄膜中难免存在应力，它的起源，它对介电性能完整的物理影响机制，及其 在工艺过程的控制与消除，等等，成为目前调谐b s t 薄膜研究中最热门的兴趣 点。 p l d 制备b s t 薄膜中难免存在氧缺陷浓度。氧缺陷从本质上改变b s t 薄膜 的性能，增加b s t 的晶格常数，既而影响界面晶格失配和热失配应力，导致复 杂、多变的薄膜介电性能变化。既要要摸索工艺条件，需要获得优化的介电应用 性能，又要探明其物理机理。氧缺陷及与其相关的微结构、电性能之间的变化规 律，成为热点研究兴趣，有关问题至今不能完全陈清。 作为本文的重要研究内容，本章介绍用p l d 方法制备单晶外延b s t 薄膜的 结果。系统研究了组分，基片，沉积温度，氧气氛浓度等对薄膜结构与性能的影 响。结合晶格测试的结果，探讨了薄膜应力的影响规律。最终获得了lo h z 微 波频率下室温调谐率高达4 9 ( e = 5 0k v c m ) 、损耗t 9 6 约o 0 1 5 、厚度达1u l t i 可实用的b s t 薄膜。该介电调谐性能与国际上发表的最好水平相当 4 ，】7 2 4 。 1 7 博士后出站研究报告 第三章 1 p l d 制备薄膜流程 p l d 制备薄膜首先要制备靶材。b s t 薄膜的靶材通常用b s t 陶瓷。为了提高 制备靶材的质量，主要是降低烧结温度，提高薄膜的均匀性和致密性，更好控制 靶材的组分，降低原材料引入杂质的几率，本文用s o l g e l 工艺制备了不同 b a s r 组分的b s t 粉体作为备用。具体工艺流程见f i g 3 1 。根据所用p l d 设备 要求，所用b s t 靶背制备成, 2 5 m m 直径5 m m 的圆片。 图3 1b s t 陶瓷靶制备工艺流程 f i g31p r o c e s s i n go f b s tt a r g e t s 所制备的b a o4 s r o6 t 1 0 3 、b a o5 s r o5 t i 0 3 和b a o 6 s r o4 t i 0 3 诸靶材经x r d 分析表 明，完全结晶成单一的钙钛矿相，见f i g 32 。随着b a 浓度的增加，晶格常数略 有增大。 单晶外延b s t 薄膜统称需要沉积在具有相似晶格特征的单晶基片上。m g o ( 1 0 0 ) 、l a a l 0 3 ( 1 0 0 ) 是目前最常采用的对象。因为他们与b s t 相似的晶格类 型：立方晶体，并且晶格常数接近，容易实现b s t 薄膜的外延生长。另外，他 们还是最常采用的微波系统结构材料，因为其介电常数小，微波损耗低。因此， 博士后出站研究报告 第三章 附带的微波影响小。 图3 2b a o4 s r o6 t i 0 3 、b a o5 s r o5 t i 0 3 f i g 3 2x r ds p e c t r u mo fb a o4 s r o6 t 1 0 3 、 和b a o6 s r o4 t i 0 3 陶瓷靶x r d 图谱 b a o5 s r o5 t 1 0 3 和b a o6