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微波介质陶瓷薄膜的研究

董树荣  
【摘要】: 通信技术的飞速发展极大促进了微波材料及其器件的研究,而微波器件的片式集成化已经成为目前射频、微波器件的发展趋势。微波介质陶瓷具有高介电常数、低损耗、性能稳定、工作频率高、成本低廉等优点,块状微波介质器件已经成为一种主要的微波器件,但是,其仍然不能满足日益集成化的电子产品的性能要求。 考虑到微波介质陶瓷薄膜具有高集成化、低损耗、易耦合等特点以及潜在的应用前景,研究其制备工艺和薄膜介电特性对于实现微波器件的集成化和高品质化具有重要的实际意义和实用价值。目前关于介质薄膜集成化的微波介质陶瓷器件的研究国外还刚刚起步,主要是多层薄膜介质理论计算方面,而微波介质陶瓷薄膜的制备工艺及其薄膜的介电特性的研究在国际上还未见报道。本文通过对微波介质陶瓷薄膜的制备工艺、薄膜相表征和微波介电特性的研究,获得可集成、高品质的微波介质陶瓷薄膜,探索薄膜微波陶瓷器件的可行性。 本文选择了两种具有代表性的材料:高品质因子的MgTiO_3-0.05CaTiO_3(MCT)和高介电常数的BaO-Nd_2O_3-TiO_3(BNT)材料。在论文的第三部分对陶瓷的薄膜化工艺磁控溅射技术进行了较深入的研究,并对其薄膜的物理和介电特性的变化进行了研究和分析;由于目前关于薄膜态介质在微波段的介电特性的测量体系还未见报道,在第二部分针对薄膜的特点提出了多介质微扰法测量薄膜介电特性的新方法;在第四部分对微波介质陶瓷薄膜在微波集成电路微带线中的应用做了仿真分析研究。为进一步研究在微波集成电路及薄膜微波元件提供了重要的实验基础。本文获得了如下的研究结果: 1)实验制备出了膜层质量良好的MCT微波介质陶瓷薄膜。薄膜基本保持了靶材的成分,其主要相为MgTiO_3和CaTiO_3的混合物,晶界处还有极少量游离的MgO、TiO_2、MgTi_2O_5,晶粒尺寸大小均匀,主相MgTiO_3呈条状,尺寸在1.0-1.2um左右,薄膜生长致密均匀,薄膜内应力低,是典型的致密多晶状态。薄膜沿氧六方最密排面择优取向,其单胞体积缩小,极化电子云由原来强烈被钛吸引,逐步向氧—镁移动。薄膜材料介电常数21.9,品质因子在18000~25000GHz 左右,并呈小的负温度系数。MCT薄膜在510:基片上的磁控溅射生长过程是先 形成球帽状晶核,临界晶核具有一定的晶体取向,临界晶核尺寸较大,形核后以 岛状生长,生长时具有各向异性,最终形成连续的具有明显的晶体取向的MCT 薄膜。 2)实验制备出了膜层质量良好的MCT微波介质陶瓷薄膜。薄膜基本保持 了靶材的成分,XRD分析主要相为BNT固溶体。薄膜C轴择优取向,并且C 轴取向的晶面面间距增加,薄膜中杂质含量较块状材料有一定减小。BNT固溶 体晶粒为板条柱状晶粒,生长致密,板条柱状晶粒间只有少量的闭气孔,晶粒尺 寸大小均匀,晶粒尺寸在0.5 XZ.Ouln左右,是典型的致密多晶状态。晶粒生长 属于岛状生长的Volmer一webe:模式。薄膜的介电性能和块状材料的介电性能相 差不大,主要是介电常数稍有降低,这与氧八面体沿C轴方向拉长有关。薄膜 的品质因子稍微优于块状材料的品质因子,另外薄膜具有正的温度系数。 3)对MCT和BNT陶瓷薄膜的射频溅射制备工艺的研究表明:基片及其基 片温度、溅射气压及其氧氢比、溅射功率是主要影响薄膜膜层结果和介电特性的 主要因素,其中基片及其基片温度显著影响薄膜的膜层质量,溅射气体氢氧比显 著影响薄膜的介电特性,另外退火工艺温度等也有一定影响。射频溅射生长MCT 薄膜优化工艺参数是:基片(110)单晶5102,基片温度610℃,溅射工作气压 0.25一0.3Pa,工作气体氧氢比低于l:l,射频净馈入功率300W,成膜后550℃ 退火30min。溅射速率约为9斑川mln。射频溅射生长BNT薄膜优化工艺参数是: 基片(l11)晶面的单晶LINbO3片或单晶5102,基片温度550℃之间,溅射工作气 压0.2一0.25Pa,工作气体氧氢比1:1一1.5:1,射频净馈入功率250W,成膜后 500℃退火30min。溅射速率约为7m川min。 4)薄膜的特点提出了基于多介质微扰法测量薄膜介电特性的新方法。实际 测量结果表明:该方法是一种可行的、具有一定精度测量方法。本文从基本的电 磁场理论出发,推导了基于微扰法的矩形腔测量系统的计算公式,设计并实现了 这一测量系统。实验数据表明:该测量系统是一种较为精确的测量的薄膜(微米 量级)微波段介电特性的测量方案,介电常数总的相对误差小于7%,实际测试 结果误差在5%以内,品质因子的测量精度还有一定误差。随着材料的介电常数 增加或膜层增加,微扰效果增加,测量精度会相应提高。对于“’,主要误差来源 于陶瓷膜层厚度误差。对于Qf值主要误差来源是谐振腔的品质因数Q值不够高。 本文针对尺寸因素k、频率因素△f和△Q提出了一些该进方案,同时提出了标定 法和迭代法两种改进方案 5)本文在第四部分对微波介质陶瓷薄膜在微波集成电路微带线中的应用做 了仿真分析研究。采用较高的介电常数的介质作为薄膜微带线(TFML)的介质 层,可以有效的聚集电磁场能量,减少了电磁场的泄漏和微带线的损耗,这样可 以明显降低微带线的线间藕合,提高微带线电路的?


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