溅射气压对BMN薄膜晶体形貌和介电性能的影响业设计论

1、 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（Bi1.5Mg1.0Nb1.5O7,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

2、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 subs

3、trate 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

4、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 pr

5、operties 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.;目 录摘要

6、.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

7、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1.1 BMN 薄膜的研究背景及意义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

8、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

9、，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

10、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.;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

11、,(E0) 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

12、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

13、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 1.2MV/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 薄膜研究现状薄膜研究现状1.2.1 国内外相关研究早在 2

14、0 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。Bi2Mg2/3Nb4/3O7属于单斜晶系，通常制备温度较低，同时用于较小的介电损

15、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（500oC）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

16、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。.;1.2.2 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，B2O6八面体和 A2O四面体相互套构，共同形成了相互作用力较弱的

17、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

18、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

19、 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,可以改善秘基立方焦绿石结构薄膜材料的调谐性能1。因此,将 BZN 材料中的 Zn2+离子用极化能力更强、离子半径更小的 Mg2+离子取代5,得到的 BMN 材料将会比原 BZN 材料具有更高的介电调谐潜力1。且由于取代去除了容易挥发的 Zn 组分,BMN 薄膜材料具有更好的可重复性,其制备相对 BZN 材料更为简便1。.;1.3 本文研究内容本文研究内容(1) 采用传统的固相反应法制备磁控溅射用 BMN 陶瓷靶材(2) 采用磁控溅射法在 Pt(111)/Ti/SiO2/Si

20、 衬底上制备 BMN 薄膜，研究溅射气压对 BMN 薄膜相结构、化学组分、显微形貌以及介电性能的影响。第二章 研究方法与实验2.1 BMN 陶瓷靶材的制备陶瓷靶材的制备本实验采用传统的二次球磨固相反应法制备 BMN 陶瓷靶材10，其制备工艺流程如图 3 所示。该工艺过程可以主要分成制备粉料、成型生坯和样品烧结三个主要过程19。虽然介质陶瓷的组成和结构决定了陶瓷样品的性能，但是，当样品的组分配方确定以后，控制好制备的各个工艺环节将决定了样品是否能够达到所希望的性能。因此控制好这三个主要环节将对样品的性能产生很大影响。下面将简单介绍主要步骤的实验参数。根据化学式 Bi1.5Mg1.0Nb1.5O7

21、，对预处理后的 Bi2O3、MgO、Nb2O5等原料进行质量计算，考虑到 Bi 易挥发，称重时 Bi2O3过量 10%。配料后，将称得的原粉料放入球磨罐混合（装料时应尽量避免将量少的原料最先或最后放入球磨罐，应尽量将其分布于量多的原料中，这样可以减少损失，并且有利于分散。 ） ，加入无水乙醇作为分散剂进行球磨。 （料、球、乙醇的质量比为 1:2:1） 。球磨时间为 8 小时。此为一次球磨，主要目的是使原料均匀混合，并且细化粉料15。球磨后进行烘干、研磨，并在 750的温度下进行预烧，保温两小时。预烧时尽量将粉料压实，以减少煅烧过程中 Bi 的挥发。预烧的主要目的主要是使混合原料经过化学反应生成

22、所需要的产物的主晶相，改变原料的结构将有利于陶瓷样品的成型和烧结，从而获得性能良好的陶瓷靶材。将预烧的粉料进行二次球磨，球磨时间为 8 小时。二次球磨的目的主要是细化结晶的粉料，为后续的烧结做准备。球磨后经过干燥、研磨，添加粘合剂进行造粒。由于陶瓷粉料的颗粒细小，表面活性较大，因此其表面吸附了较多的气体，其堆积密度较小。加压成型时，来不及排除的气体不可避免的围困在胚体中，并且粉料会在模压的拐角处积聚，导致胚体边缘却块。但是，如果加入粘合剂使细小粉料形成团粒，则会加大粉料的流动性，使得粉料方便装模，并且分布均匀。这有利于成型胚体密度的提高，改善胚体密度的均匀分布。值得注意的是，粘结剂的加入量过少

23、，则成型困难，过多会导致陶瓷靶材致密度降低。因此，加入的粘结剂要适量，本实验中，采用 5wt%聚乙烯醇（PVA）溶液作为造粒的粘结剂，PVA 溶液和预烧粉料.;的质量比约为 1:10，混合均匀，完成造粒。图 3 陶瓷靶材的工艺流程Fig 3 Preparation process of the sintered ceramic target实验采用的烧成工艺是常压烧结。由于靶材生坯中添加了粘结剂聚乙烯醇，在高温环境下聚乙烯醇容易受热分解。为了减少烧结过程中粘结剂的快速排出，导致靶材内部含有大量气孔以及内应力分布不均匀的情况，烧结前，需要对靶材生坯进行排胶处理，采用高温加热的方式使靶材中的聚乙烯

24、醇排出。由于陶瓷靶材尺寸较大，排胶过程中由于收缩应力容易出现裂纹，所以排胶的升温速率应尽量慢一些。本实验中，排胶温度为 600，升温 12h，保温 36h。烧结是陶瓷样品制备过程的关键性工艺，陶瓷生坯经过烧结过程，一系列的物理变化、化学反应将在生坯内部发生，使得生坯转变成致密的陶瓷体。为了防止Bi 的挥发，本实验中 BNM 陶瓷靶材的烧结采用埋烧。烧结过程大致如下:首先是生坯从室温升至 100保温 10min，排除靶材中的水分。接着从 100升至烧结温度 1050，这一阶段各组分初步的反应开始在胚体内部发生。因为靶材尺寸较大，胚体内部和表面的温差较大，热膨胀不一致容易导致靶材开裂，这一阶段的升

25、温速率不易过快，实验中采用的是 5/min。接着在烧结温度下保温 2-10h，使得各组分发生充分的物理变化和化学反应，接着随炉冷却至室温，即可获得结构致密的陶瓷靶材。最后对获得的陶瓷靶材进行表面抛光，使其两个表面光滑平行。因为光滑平行的表面能够紧密贴合溅射仪中的靶材装置台，有利于溅射过程中靶材的冷却，防止离子轰击诱发的靶材高温，从而产生应力导致靶材开裂。2.2 衬底的预处理衬底的预处理薄膜的制备对衬底的清洗要求非常严格，衬底表面残留的有机污染物会降低薄膜与衬底之间的粘附力，导致薄膜容易脱落。此外，吸附在衬底表面的颗粒杂质，将导致制备的薄膜不均匀，增大薄膜的表面粗糙度，从而严重影响薄膜的性能12

26、。因此，镀膜前必须对衬底进行彻底的清洗。实验中，采用较为成熟的工艺对衬底的进行清洗，具体步骤如下：首先将衬底放入丙酮溶液中，通过超声清洗 20 min 去除残留在衬底表面的有机物；接着用镊子取出衬底放入乙醇溶液，通过超声清洗 15 min 以去除残留的丙酮；最后将衬底放入去离子水中，同样超声清洗 15 min。洗好的衬底烘干备用。2.3 BMN 薄膜制造工艺薄膜制造工艺磁控溅射制备 BMN 薄膜的主要流程如下:（1）在阴极靶材位置上安装 BMN 陶瓷靶材，将预处理的衬底固定在基板支架上。打开分子泵对溅射腔室进行抽真空，本实验所用的本底真空度为 1.710-4Pa。（2）到达本底真空度后，向溅射

27、腔室内通入高纯的氩气，调节流量计使气压控制在 1.82.0Pa，加高压对基片再次进行清洗 510min，以去除安装衬底时其表面吸附的杂质。（3）关闭高压，打开基片旋转电机，调节基片转速（30rpm） 。（4）当衬底温度达到实验温度后，先关闭靶材挡板，调节射频功率至 150W，预溅射 35min，以去除靶材表面的污染物，达到净化靶材表面的目的。（5）通入高纯氧气，调节流量计，设定 Ar/O2(2:1)，并使腔室气压达到实验的溅.;射气压（0.8 Pa、1.6 Pa、3.2 Pa、4.0 Pa、5.6 Pa） 。（6）调节电压为 120 V，打开挡板，开始镀膜。（7）实验溅射的 BMN 薄膜均为非

28、晶薄膜，经过 750 快速退火 30 min 得到晶化薄膜。2.4 电容结构电容结构 BMN 薄膜样品的制备薄膜样品的制备为了测试 BMN 薄膜样品的介电性能,需要将薄膜样品制备成电容结构薄膜电容器结构一般米用 CP 结构,即共面电容器(colanar capacitor)结构或是 MIM 结构,即平行板电容器(metal-insulator-metal)结构1。MIM 结构能充分利用外加偏置电场,与 CP 结构相比,在较小的偏置电压下能获得较大的介电调谐率1。并能有效地避免 CP 结构中存在的边缘电容(fringing capacitance)效应。故本文的工作中采用 MIM电容器结构1。2

29、.4.1 MIM 薄膜电容器结构MIM 结构是一种传统的电容器结构,即上下两金属电极层中间夹一层介质薄膜,利用上下电极来进行介电性能测试1。MM 电容器结构 BMN 薄膜样品的示意图如图 4 示1。图 4 MIM 电容器结构示意图Fig 4 Schematic of the parallel-plate capacitor device以 BZN 平行板电容器为例,MIM 结构薄膜电容器的等效电路如图 2-7 所示1。图中 Rs为上下电极引起的串联电阻及界面电阻,Gdc代表了运动电荷引起的漏导,Gac是交流介电损耗,C 代表了 BZN 的电容量1。从这一等效电路可以得出,总器件损耗可以用下式描

30、述：1/Qtotal=1/Qleakage+1/QBZN+1/QElectrode其中 Qleakage与 QEIectrode均为 (测试频率)的函数,即:Qleakage=C/GdcQEiectrode=1/RsC故平行板电容器的品质因子为频率的函数1。在低频时品质因子主要受 Qleaakage这一项控制,会随着频率的增加而有所增加1。在 10kHz 到 1MHz 这一频率范围内则主要受 QBZN项影响,Q 值近似于常数1。当频率在 1MHz 以上时,Q 值会随着频率增加而减少,这是受 QElectrode项的影响,即电极引入的串联电阻及界面电阻 Rs1。研究表明分别用 Au 及 Pt 作

31、为电极测出来的 Q 值,在去除电极的影响后(Rs项),在高频下 Q 值的差异有所减少,两种电极测得的 Q 值变得较为接近1。此外器件的高频Q 值还会受到尺寸效应的影响13。这是块材器件所没有的,是由于器件薄膜化后所引入的1。有研究认为这一尺寸效应是由介质薄膜的金属电极膜层、其界面及表面态之间的隧道电阻所造成的。这要求我们设计器件的时候也要考虑其尺寸带来的影响1。2.4.2 电极的制备MIM 电容结构的上下电极可以使用 Au、Ag、Pt、Cu 等材料1。本文的工作中选用 Pt 作为电极材料,其主要原因有三个1。一是 Pt 具有良好的导电性,如果电极材料的电阻过大,在测试过程中就会引入测量误差,影

32、响测试结果1;二是 Pt 溶点高,能耐高温,使得高温沉积及高温退火制备 BMN 薄膜的过程中电极不会受到影响1;三是 Pt 具有较强抗氧化能力,在氧氩气氛下高温制备 BMN 薄膜使 Pt 电极不会发生氧化而改性1。此外使用一层很薄的 Ti 作为基片与 Pt 电极及 BMN 薄膜与 Pt电极之间的过渡层,增加 Pt 电极的粘附性以增强其附着力,并作为阻挡层防止 Pt 电极扩散到基片或 BMN 薄膜中1。本实验中采用图 4 所示的 MIM 平行板电容器结构对薄膜进行电性能测试。Pt底电极由所构衬底直接提供，定电极通过 JFC-1600 型离子溅射仪制备。将布满一定尺寸小孔的掩膜板覆盖在 BMN 薄

33、膜上，利用离子溅射仪将 Pt 沉积到薄膜表面，取下掩膜板即可获得分离的点状顶电极 Pt（尺寸为 100m100m） 。制好电极后将薄膜在 330马弗炉中退火 30min，以消除电极与 BMN 薄膜之间的应力。2.5 对薄膜进行表征对薄膜进行表征采用 X 射线衍射仪（ARLXTRA，Thermo Electron Co.，Switzerland）对 BMN.;薄膜的物相进行鉴定，X 射线源采用 Cu 靶 K 线，波长 =0.15406 nm，仪器的工作参数为:加速电压为 40 kV，工作电流为 35 mA，扫描速度为 10 /min 扫描角度范围为 10 60 。通过场发射扫描电子显微镜（Ult

34、ra55 FE-SEM）对 BMN 薄膜样品的表面形貌进行分析。BMN 薄膜样品的漏电流密度特性通过铁电测试系统（Premier Radiant,SIOS Metechnik GmbH,America）测试得到。通过精密阻抗分析仪（）对BMN薄膜样品的介电性能America 4294A,Agilent 进行测试。测得的介电损耗为有效损耗的正切值（） ，用下式表示：tan （2-1）tan式（3-1）中和分别表示有效介电常数的实部和虚部。这里的包括了介电tan损耗和电导损耗，论文中将统称为介电损耗。通过测试得到的C-V 曲线评估其调谐能力，计算公式如下27： （2-2）00()100 %VCCC

35、式（3-2）中为薄膜的介电调谐率，为外加电场为零时薄膜的电容值，为外0CVC加电场值最大时薄膜的电容值。第三章 实验结果与讨论本组实验通过调整氩气和氧气总气压，在不同溅射气压下制备 BMN 薄膜，并且研究在 0.8 Pa 到 5.6 Pa 溅射气压对薄膜相组成、微观形貌和电性能的影响。具体实验条件见表 3-1。表3-1 不同溅射气压下 BMN 薄膜的制备参数Tab. 3-1 Preparetion parameters of BMN thin films at different pressures制备参数实验条件本底真空度2.010-4 Pa工作气压0.8 Pa，1.6 Pa，3.2 Pa，

36、4.0 Pa，5.6 PaAr/O2流速比85:15射频功率150 W基片负偏压120 V基片温度450靶基距35 cm退火工艺750快速退火 30 min 102030405060 （d（c（b（ （a（e（ MgNb2O6 图3-1 不同溅射气压下沉积 BMN 薄膜退火后的 XRD 图谱，(a) 0.8 Pa，(b) 1.6 Pa，(c) 3.2 Pa，(d) 4.0 Pa，(e) 5.6 PaFig 3-3 XRD patterns of the annealed BMN films as a function of sputtering pressure, (a) 0.8 Pa，(b)

37、 1.6 Pa，(c) 3.2 Pa，(d) 4.0 Pa，(e) 5.6 Pa.;3.1 溅射气压对溅射气压对 BMN 薄膜相结构的影响薄膜相结构的影响图 3-1 为不同溅射气压下制备 BMN 薄膜退火后的 XRD 图谱。在 0.8 Pa 到 5.6 Pa 的溅射气压下，BMN 薄膜样品都具有明显的立方焦绿石结构，观察到明显的（222） 、 （400） 、 （440）及（622）峰，说明薄膜样品的结晶情况良好。随着溅射气压的升高，BMN 薄膜显示出明显的（222）择优取向。当溅射气压在 3.2 Pa 以下时，观察到部分 MgNb2O6（JCPDS 卡号 33-0875）的衍射峰，这可能是由于

38、高温下Bi2O3的挥发引起的，这种物相的产生可能对薄膜的电性能产生一定影响。当气压升高到 4.0 Pa 时，杂相消失，表明较高的溅射气压能有效的抑制 Bi2O3的挥发。3.2 溅射气压对溅射气压对 BMN 薄膜表面形貌的影响薄膜表面形貌的影响由于辉光放电过程中产生复杂的散射机理，在磁控溅射法制备薄膜的过程中，总的溅射气压很大程度上影响着辉光中粒子碰撞的几率和粒子到达衬底时所具备的能量，并最终反映在薄膜的表面形貌上10。实验通过场发射扫描电子显微镜（FESEM）对 BMN 薄膜表面形貌进行观测，如图 3-2 所示，图 3-2(a)-(e)为溅射气压分别为 0.8 Pa、1.6 Pa、3.2 Pa

39、、4.0 Pa、5.6 Pa 时制备的 BMN 经 750快速薄膜退火后的 FESEM 图像。从图中可以看出，0.8 Pa 的溅射气压下，薄膜表面晶粒尺寸较小且大小不均一，大晶粒间夹杂着很多细小的晶粒。随着溅射气压的增大，BMN 表面晶粒大小逐渐均一，晶粒尺寸逐渐变大，薄膜趋于平整。当溅射气压增加到 4.0 Pa 时，薄膜晶粒尺寸约为 70nm，大小较为均一，表面孔洞较少。表面形貌的改善是因为在较低的气压范围内，溅射粒子在辉光中受到碰撞的几率较小，小晶粒无法在碰撞中团聚成较大的晶粒；随着溅射气压升高，碰撞使得溅射粒子相互作用，小晶粒团聚为较大晶粒，且晶粒在不断碰撞过程中变得大小均一，所得到的薄

40、膜变得平整；当溅射气压进一步升高，晶粒间过多的碰撞使晶粒得达衬底表面时的能量过低，晶粒尺寸减小，这对薄膜的成膜速率也产生一定的影响。综述所述，溅射气压对薄膜表面形貌具有很大影响，选取合适的溅射气压，才能获得具有尺度适中且大小均匀晶粒的 BMN 薄膜，这对于薄膜的电学性能具有重要影响。本组实验中，我们选取 1.6 Pa 和 4.0 Pa 溅射条件下的薄膜进行电学性能测试。（a）（b）（c）（d）（e）图 3-2 不同溅射气压下沉积 BMN 薄膜的 FESEM 图，(a) 0.8 Pa, (b) 1.6 Pa, (c) 3.2 Pa, (d) 4.0 Pa, (e) 5.6 PaFig 3-2 F

41、ESEM of BMN films deposited at (a) 0.8 Pa, (b) 1.6 Pa, (c) 3.2 Pa, (d) 4.0 Pa, (e) 5.6 Pa3.3 溅射气压对溅射气压对 BMN 薄膜电性能的影响薄膜电性能的影响.;选取溅射气压 1.6 Pa 和 4.0 Pa BMN 薄膜为研究对象，控制薄膜厚度均为300 nm 左右。图 3-3 为不同气压下溅射 BMN 薄膜的介电常数和介电损耗随频率的变化曲线。20040060080010000306090120(a)Frequency (kHz)Dielectric lossDielectric constant101

42、.6 Pa 4.0Pa0.0000.0050.0100.0150.0200.0250.030 123456789100306090120(b) 1.6 Pa 4.0 PaDielectric lossDielectric constantFrequency (MHz)0.000.050.100.150.20 图3-3 不同溅射气压下沉积 BMN 薄膜的介电常数和介电损耗随频率的变化曲线，(a) 10 kHz - 1 MHz，(b) 1 MHz - 10 MHz Fig 3-3 Frequency dependence of dielectric constant and dielectric

43、loss of BMN thin films deposited at different sputtering pressures, (a) 10 kHz - 1 MHz, (b) 1 MHz - 10 MHz如图 3-3（a）所示，溅射气压 4.0 Pa BMN 薄膜介电常数比 1.6 Pa BMN 薄膜较大，介电损耗较低。这可能是由于增大溅射气压，BMN 薄膜晶粒尺寸增大，引起相对介电常数的增大。在 1 MHz 下，溅射气压 4.0 Pa 和 1.6 Pa BMN 薄膜的相对介电常数分别为 100 和 81.介电损耗分别为 0.00325 和 0.00389。在 10 kHz1 MHz

44、的频率范围内，BMN 薄膜的介电常数几乎不随频率的变化而变化，稳定性很好，而介电损耗略有上升，但变化不大。从图 3-3 (b)看出在 1 MHz10 MHz 的频率范围内，BMN 薄膜的介电常数随频率的升高逐渐减小，损耗随频率升高而增大。-1.5-1.0-0.50.00.51.01.50.700.750.800.850.900.951.00 Dielectric lossNormalized Dielectric constant 0.000.010.020.030.040.050.06 1.6 Pa 4.0 PaElectric Field (MV/cm) 图3-4 不同溅射气压下沉积 BM

45、N 薄膜的介电常数和介电损耗随直流偏压的变化曲线（1MHz）Fig 3-4 DC bias field dependence of dielectric constant and dielectric loss of BMN thin films图 3-4 为 1 MHz 测试频率下，不同溅射气压下生长薄膜的 C-V 特性曲线。所制薄膜都表现出了介电可调性能，介电常数随着电场的增大而减小，介电损耗基本保持不变。图中曲线相对于零偏压是对称的，并且没有滞后性。图中可以看出，溅射气压为 4.0 Pa 时，沉积薄膜的介电调谐率约为 26%；溅射气压为 1.6 Pa 时，薄膜的介电调谐率约为 13%，且溅射气压 4.0 Pa 时较溅射气压为 1.6 Pa BMN 薄膜击穿场强较大、损耗较低。这可能与薄膜的晶粒尺寸有关，晶粒尺寸大，结晶越好，调谐率越大；也可能与溅射气压为 1.6 Pa BMN 薄膜产生的第二相 MgNb2O6有关，即 MgNb2O6这种物质的产生可能导致薄膜调谐率降低，引起电性能恶化。气压的升高对薄膜的介电性能也是有利的。.;第四章 结论本实验采用磁控溅射法，在 Si 基片上沉积 BMN 薄膜,研究了溅射气压对BMN 薄膜的相结构、表面形貌以及介电性能的影响。得出以下结果:随着溅射气压的升高，BMN 薄膜显示出明显的（2