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磁控溅射法制备BMN薄膜文献综述

 2020-03-24 15:44:52  

文 献 综 述

随着卫星、雷达、通信等技术的发展,相控阵天线的应用日益广泛。移相器则是相控天线中不可缺少的器件,因此研制出精度高、响应速度快、体积小、重量轻、成本低的移相器,成为提高相控阵天线性能、降低天线成本的关键。目前常用的移相器有铁氧体移相器和半导体移相器。前者体积大、重量大、功耗大、响应速度慢,只能用于无源相控阵天线。后者成本高,且在高频下损耗迅速增大,在相控阵天线应用中具有一定的局限性。而新型的介质移相器具有相应速度快、插入损耗小、工作温区宽、功耗小、质量轻、生产成本低等优点[1]

新型介质移相器的介质材料具有块材、厚膜、薄膜三大类。由于薄膜型介质移相器的驱动电压更低、质量更轻、体积更小,因而人们将研究的重点从陶瓷介质移相器转移到薄膜型介质移相器。最新研究表明,某些铋基焦绿石相薄膜材料(如Bi1.5MgNb1.5O7:BMN)具有介电调谐性能(电调谐率为50%@2.0 MV/cm)高[2],介电损耗小(约0.002),介电常数适中(~ 86),随温度变化较小(介电温度系数TCC约-500 ppm/K),并且不含易挥发的Zn,薄膜制备相对BZN(Bi1.5ZnNb1.5O7)而言比较容易,重复性较好,因此铋基BMN薄膜材料是一种极有发展前景的微波介电调谐材料[3-4]

目前制备薄膜的方法主要有溶胶-凝胶法、磁控溅射法、脉冲激光沉积法、金属有机化学气相沉积法。磁控溅射技术作为一种新型的物理气相镀膜方式,以溅射率高、基材温度低、膜基结合力好等明显优势,已发展成较为成熟的技术,并广泛运用在诸多领域[5-6]。磁控溅射法是制备薄膜材料的重要技术之一,溅射沉积薄膜的源材料即为靶材,高质量的靶材是高性能薄膜的关键因素。

1、Bi1.5MgNb1.5O7的结构

研究表明多数BMN材料具有焦绿石型相结构。焦绿石结构分子式可以写为A2B2O6O′,这里A是三价或者是两价的阳离子,而B是四价或者五价的阳离子。焦绿石结构可以看成是萤石(CaF2)结构原胞失去全部8a位阴离子形成的,焦绿石结构中,阴离子即氧离子由于占位不同,有三个独立的位置,O(1)、O(2)、O(3)分别占据48f、8a、8b三个位置。即6个O占据48f位(x,1/8,1/8);O(2)也就是8a位则占据了1/8,1/8,1/8的位置,在焦绿石结构中8a位为氧离子缺位;8b是被O′占据,位置是3/8,3/8,3/8,也有人称之为7位氧。其中A、B位离子共同构成面心立方结构,(48f)氧离子处于2个A离子、2个B离子共同构成的四面体中。由于(8a)氧离子空位的存在,(48f)位阴离子必然产生一个平衡位移,从四面体中心向近邻的2个B离子,从而A、B位阳离子在配位多面体中无法同时满足同一对称性(D3d)。焦绿石结构A位为8配位变形六面体结构,A位阳离子较大,约0.9-1.2 Aring;,处于六角双棱锥位;B位为6配位八面体结构(B2O6),B位阳离子较小,约0.6-0.7 Aring;,一般为过渡金属离子。配位体的变形程度决定于四类原子的键合及能平衡特点,一般以(48f)位阴离子的偏移量来表示[7]

组成为Bi1.5ZnNb1.5O7的铋基BZN材料具有焦绿石结构,介电常数适中(~150)[8-9]。但是,BZN薄膜材料调谐率低,要达到一定的调谐率,调谐电场要求很高。但由于这种材料介电损耗很低,各研究机构纷纷开展了BZN薄膜材料的研究[10]

与BZN薄膜材料相比,BMN薄膜材料有着更优异的性能。研究发现,在A位,Zn被Mg所取代,BMN薄膜材料具有比BZN薄膜更高的介电调谐率[11],介电损耗小(约0.002),介电常数适中(约86),随温度变化较小(介电温度系数TCC约为#8722;500 ppm/K)。由于不含易挥发的Zn,薄膜制备相对BZN材料而言比较容易,重复性较好。BMN铋基焦绿石材料是一种非常有前途的新型微波介质可调材料。

2、磁控溅射原理

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