射频磁控溅射制备钛酸锶钡薄膜的研究进展

综述了射频磁控溅射制备钛酸锶钡(BST)薄膜的国内外研究动态,详细阐述了溅射工艺参数(电极、溅射气压、氧分压、温度)对BST薄膜微结构和电性能的影响,提出了射频磁控溅射制备BST薄膜中亟待解决的问题。     

BST铁电薄膜的制备及介电性能研究

通过射频磁控溅射法,采用高温溅射、低温溅射高温退火两种不同的工艺制备了钛酸锶钡（BST）薄膜。分析两种不同的工艺对BST薄膜的结构、微观形貌及介电性能的影响。采用X线衍射（XRD）分析了样品的微观结构。采用扫描电镜（SEM）和台阶仪分别测试了样品的微观形貌和表面轮廓。通过能谱分析（EDS）得到了薄膜均一性的情况。最后通过电容 电压（C V）曲线测试得到BST薄膜的介电常数偏压特性。结果表明,与低温溅射高温退火工艺制备的BST 薄膜相比,高温溅射制备的BST薄膜结晶度好,致密性高,表面光滑,薄膜成分分布较均一。因此,采用高温溅射得到的BST薄膜性能较好。在频率300 kHz时,采用高温溅射制备的BST薄膜介电常数为127.5~82.0,可调谐率为23.86%~27.9%。     

铁电（Ba,Sr）TiO3及介电Bi2O3-ZnO-Nb2O5薄膜材料应用于电调谐微波器件研究进展

铁电钛酸锶钡BaxSr1-xTiO3(BST)是一种拥有十分优越铁电/介电性能的材料,在可调谐微波器件方面具有很好的应用前景。本文概括介绍了BST薄膜的研究意义、基本结构、薄膜的制备方法,并针对可调谐微波器件应用需求,详细探讨了通过掺杂、组分梯度变化、纳米铁电多层薄膜以及将铁电BST与新型介电Bi2O3-ZnO-Nb2O5(BZN)薄膜相结合等对铁电薄膜性能进行优化的手段,最后对该领域的前沿问题从材料研究层面作了小结与展望。     

磁控溅射法制备BST铁电薄膜的实验研究

采用射频磁控溅射法在Si和Pt/TiOx/SiO2/Si衬底上沉积了(Ba0.65Sr0.35)TiO3铁电薄膜,研究了BST铁电薄膜微观结构和介电性能。实验结果表明:衬底温度在550℃,工作气压为2.0 Pa的溅射条件下沉积的BST薄膜,经750℃退火处理30 min后,形成了完整的钙钛矿相;与Si衬底相比,在Pt衬底上制备的BST薄膜晶粒更均匀、表面平整无裂纹。在室温、频率为100 kHz条件下薄膜的介电常数ε=353.8,介电损耗tanδ=0.012 8。介电温谱结果表明制备的(Ba0.65Sr0.35)TiO3铁电薄膜居里温度在5.0℃左右。     

CeO_2缓冲层对蓝宝石基Ba_(0.6)Sr_(0.4)TiO_3薄膜结构和介电性能的影响

利用磁控溅射法制备Ce O_2缓冲层,通过脉冲激光沉积法制备Ba_(0.6)Sr_(0.4)TiO_3(BST)薄膜,在Al_2O_3(11—02)蓝宝石基片上构架了Pt/BST/Ce O_2/Al_2O_3和Pt/BST/Al_2O_3叉指电容器,对比研究了Ce O_2缓冲层对BST薄膜结构和叉指电容器介电性能的影响。通过X射线衍射仪、原子力显微镜和LCR表分别对叉指电容器的结构、表面形貌和介电性能进行了表征。实验发现,直接沉积在蓝宝石上的BST薄膜为多晶结构,生长在Ce O_2缓冲层上的BST为(001)取向的高质量外延薄膜。生长在Ce O_2缓冲层上的BST薄膜相对于没有缓冲层的BST薄膜具有更小的晶粒和均方根粗糙度。在40 V偏置电压下,Pt/BST/Al_2O_3和Pt/BST/Ce O_2/Al_2O_3叉指电容器的调谐率分别是13.2%和25.8%;最小介电损耗为0.021和0.014。结果表明Ce O_2缓冲层对生长在蓝宝石基片上的BST薄膜结构和介电性能具有重要影响。     

sol-gel法制备的BST薄膜的晶化行为研究进展

重点综述了前驱体、基片和热处理工艺等因素对sol-gel法制备的钛酸锶钡BST(Ba1-SrxTiO3)铁电薄膜的晶x化行为及介电性能的影响,并从动力学和热力学角度进行了解释,进而提出一些实用措施:选用低温分解的羧酸盐和加有螯合剂的钛醇盐作原料、采用与BST晶格匹配度好的基片、提高升温速率、加入晶种或理想的添加剂等,来消除或减弱中间相的影响以实现低温下高介电性能的BST薄膜的sol-gel制备;最后,提出了研究中需进一步解决的课题。     

BST陶瓷制备及介电性能研究

采用微波水热法合成了纳米晶钛酸锶钡(Ba0.6Sr0.4TiO3,简称BST)粉体,并将粉体烧结成陶瓷,对样品的介电性能进行了测试,研究分析了材料的介电性能,并与传统制备工艺获得的样品进行了性能上的对比,实验结果表明:微波水热法获得的BST粉体较细,其合成温度和烧结成瓷温度较传统制备工艺大幅降低,分别为195℃和1 230℃,可以获得晶粒尺寸在3μm以下的陶瓷。随着晶粒的减小,BST陶瓷的相对介电常数和介电损耗降低,尤其是介电损耗因子有较大幅度降低。     

溅射气压对Bi1.5Mg1.0Nb1.5O7薄膜结构及介电性能的影响

采用射频磁控溅射法在Pt/Si基片上沉积了铌酸铋镁(Bi1.5Mg1.0Nb1.5O7,BMN)薄膜.研究了溅射气压对BMN薄膜结构、表面形貌、化学成分及介电性能的影响.结果表明,制备的薄膜具有立方焦绿石结构.高溅射气压下制备的BMN薄膜晶粒的平均尺寸比低溅射气压下制备的薄膜晶粒的大.薄膜的介电调谐率及相对介电常数随溅...     

微波烧结钛酸锶钡陶瓷材料的介电性能

采用碳酸盐固相合成法制备Ba0.6Sr0.4TiO3(BST)粉体,应用微波烧结技术将粉体烧结成陶瓷。对样品的介电性能进行了测试,研究分析了材料的介电性能,并与传统制备工艺获得的样品进行了性能对比。结果表明:微波烧结成瓷温度和时间较传统制备工艺大大降低,分别为1 300℃和30 min,可以获得晶粒尺寸5μm以下的BST陶瓷;材料的εr变化不大,但tanδ大幅降低。     

(Ba0.5Sr0.5)TiO3/LaNiO3异质薄膜的介电调谐特性

用脉冲激光沉积工艺制备Ba0.5Sr0.5TiO3(简称BST)薄膜和Ba0.5Sr0.5TiO3/LaNiO3(简称BST/LNO)薄膜。在650℃原位退火10 min,获得了(100)和(110)择优取向生长的BST和BST/LNO薄膜,薄膜晶粒呈柱状结构,BST薄膜和BST/LNO异质结构薄膜的晶粒尺寸分别为150~200 nm和50~80 nm。在室温和1 MHz条件下,BST薄膜和BST/LNO异质结构薄膜的相对介电常数和介电调谐率分别达811和58.9%、986和60.1%;用LNO作底电极,可增益介电常数和介电调谐率。     

Recent progress of (Ba,Sr)TiO<Subscript>3</Subscript> thin films for tunable microwave devices

The (Ba_1−xSr_x)TiO₃ (BST) ferroelectric thin films exhibit outstanding dielectric properties, even at high frequencies (>1 GHz), and large, electric-field dielectric tunability. This feature makes them suitable for developing a new class of tunable microwave devices. The dielectric properties and dielectric tuning property of BST thin films are closely related to the film compositions, substrate types, and post-deposition process. The successful implementation of BST films as high-frequency dielectrics in electrically tunable microwave devices requires a detailed understanding of both their processing and material properties. This paper will review the recent progress of BST thin films as active dielectrics for tunable microwave devices. The technical aspects of BST thin films, such as processing methods, post-annealing process, film compositions, film stress, oxygen defects, and interfacial structures between film and substrate, are briefly reviewed and discussed with specific samples from the recent literature. The major issues requiring additional investigations to improve the dielectric properties of BST thin films for tunable microwave applications are also discussed.     

Thermal-sensitive BST thin film capacitors for dielectric bolometer prepared by RF magnetron sputtering

We have been developing a monolithic microbolometer technology for uncooled infrared focal plane arrays (Uncooled IRFPAs) along the route from fabricating pixels of thin-film dielectric bolometers on micromachined silicon substrates. In the paper, the thermal-sensitive barium strontium titanate (BST) thin film capacitors for that objective prepared by Radio-Frequency Magnetron sputtering have been investigated focusing on the condition of fabrication of BST thin films. Capacitor-Temperature properties of the thermal-sensitive BST thin film capacitors have been measured with impedance analyzer. According to the Capacitor-temperature curves, these indicated that the temperature coefficient of dielectric constant (TCD) within the ambient temperature region highly depended on the Radio-Frequency Magnetron sputtering condition of fabrication of BST thin films. BST thin film capacitors with TCD-value more than 21%/K have been prepared on the optimized condition. That is a good base for preparation of dielectric bolometer mode of uncooled IRFPAs.     

Sol-Gel法制备BST铁电薄膜及其性能分析

用Sol-Gel法制备出表面致密,界面清晰的BST铁电薄膜。分析了BST薄膜的J-V特性,由于使用了不同的上下电极,导致J-V曲线的不对称,且在外延生长的Pt电极上制备的BST薄膜有较低的漏电流。分别在大气和干燥气氛下测量了BST薄膜的介电特性,分析结果表明:湿度对BST薄膜的介电特性有很大的影响,为了得到正确的介电特性,其测量必须在真空或干燥气氛下进行。     

Zn掺杂对BST薄膜介电调谐性能的影响

用sol-gel法在Pt/SiO2/Si基片上制备了未掺杂和掺杂Zn的钛酸锶钡(BST)薄膜。用XRD对BST薄膜进行了物相分析,研究了Zn掺杂对薄膜的表面形貌和介电调谐性能的影响。结果表明:室温下,随着Zn加入量的增加,BST薄膜的介电常数减小,介质损耗降低,介电调谐量增加。x(Zn)为0.025的BST薄膜具有最大的优越因子(FOM),其值为29.28。     

Low-Dielectric-Loss Barium Strontium Titanate Thin Films with MgO Buffer Layer for Tunable Microwave Devices

The dielectric and microwave properties of Ba_0.6Sr_0.4TiO₃ (BST60) thin films with a MgO buffer layer deposited on Al₂O₃ substrates were investigated. Insertion of the MgO buffer layer is demonstrated to be an effective approach to fabricate low-dielectric-loss BST thin films. x-Ray pattern analysis indicates that the thin films exhibit good crystalline quality with a pure perovskite phase and that insertion of the MgO buffer layer does not change the crystal structure of BST. The nonlinear dielectric properties of the BST films were measured by using an interdigital capacitor (IDC). At room temperature, the tunability of the BST films with a MgO buffer layer was 24.1% at a frequency of 1 MHz with an applied electric field of 80 kV/cm. The dielectric loss of the BST thin films is only 0.005 to 0.007 in the frequency range from 20 Hz to 2 MHz, the same as for BST films prepared on single-crystal MgO substrates. The microwave dielectric properties of the BST thin films were also measured by a vector network analyzer from 50 MHz to 10 GHz.     

梯度多层BST薄膜介电性能研究

成分梯度多层钛酸锶钡薄膜具有较好的综合介电性能,包括适中的介电常数、高的介电调谐率、低的介质损耗及低的介电温度系数等,日益成为微波调制器件如移相器、滤波器、谐振器等的重要候选薄膜材料。就国内外近年来取得的重要成果进行了综述,对今后成分梯度多层BST薄膜的研究前景及方向进行了展望。     

BST材料在DRAM电容中的应用研究

钛酸锶钡(BST)高介电常数材料被普遍认为是最有前途的DRAM电容介质材料。BST作为DRAM电容介质材料的研究已有多年，到目前为止取得了不少突破性的进展。介绍了BST的材料特性和堆积型电容结构电极、埋层材料的设计考虑，探讨了BST膜的制备、掺杂及刻蚀工艺技术。     

BST薄膜铁电移相器研究进展

钛酸锶钡(BST)薄膜因其具有高的介电调谐量,相对低的损耗tgδ和快的开关速度,在微波移相器的应用中显示出巨大优势。介绍了改善BST薄膜的介电性能的有效方法,衬底材料的选择,以及BST薄膜铁电移相器的结构类型和研究进展。     

Bi_(1.5)Zn_(1.0)Nb_(1.5)O_7/Ba_(0.5)Sr_(0.5)TiO_3复合薄膜介电性能的频率特性研究

采用射频磁控溅射法在蓝宝石基片上制备了Bi1.5Zn1.0Nb1.5O7(BZN)/Ba0.5Sr0.5TiO3(BST)双层复合薄膜,并研究了该薄膜在100 kHz~6 GHz频率范围内的介电性能。研究结果表明,BZN/BST复合薄膜的介电性能具有良好的频率稳定性。该复合薄膜的介电常数在研究的频率范围内基本与频率无关;其介电损耗在频率低于1 GHz时与频率无关,在频率高于1 GHz时随频率的上升而略微增大;薄膜在研究的频率范围内具有稳定的介电调谐率。     

BST薄膜非线性特性及机理研究

钛酸锶钡(BaxSr1-xTiO3,简称BST)薄膜具有非线性强、漏电流小、居里温度可调等特点,因而在介质移相器、压控滤波器等方面有着广泛的应用前景。笔者对BaxSr1-xTiO3(x=0.45~0.90)系列陶瓷的晶体结构和介电性能、膜厚均匀性控制、BST薄膜的微结构(包括组成、晶体结构和电畴等)和介电非线性尺度效应、铁电薄膜介电非线性模型、薄膜型介质移相器的设计和制作等重要问题进行了研究,取得了以下研究结果:通过研究靶基中心不重合的磁控溅射系统,建立了平面磁控溅射膜厚分布的数学模型,提出了采用T=∫Ld(x,y)ds=∫0td(ξ(t),ψ(t))ξ'2(t)+ψ'2(t)dt来描述靶基中心不重合的平面磁控溅射的膜厚分布情况。在靶基距为72mm、公自转转速比为5.3的条件下,采用自行设计的射频磁控溅射设备和φ100mm靶材制备的BST薄膜膜厚均匀性偏差为2.8%。采用压电力显微镜(PFM)研究了BST薄膜中电畴的类型和尺寸。不仅证实BST薄膜中存在90°铁电畴,而且确定了BST薄膜由多畴转变为单畴结构的晶粒临界尺寸(单畴临界尺寸)为31nm左右。通过研究BST薄膜的介电非线性尺度效应,发现晶粒尺寸和膜厚对薄膜的介电非线性具有重要的作用。随着晶粒尺寸和膜厚的增加,BST薄膜的介电系数、介电系数变化率都逐渐增大。晶粒尺寸对单畴态薄膜的介电系数电压变化率和矫顽场强影响特别显著,而对多畴态薄膜的介电系数电压变化率和矫顽场强影响不明显。在上述实验研究的基础上,对铁电材料的介电非线性机理进行了研究。首先,从简单、实用的角度出发写出表征P(E)和ε(E)非线性的数学多项式,根据介电偏压特性曲线和电滞回线的特征值和连续性原理,给出边界条件和初始条件,解出表达式中的各项系数,从而建立了铁电晶体的介电非线性模型。然后,采用理想的晶粒–晶界几何模型,画出铁电陶瓷材料的等效电路,引入晶粒和晶界的大小,从而建立了铁电陶瓷的介电非线性模型。再采用理想二极管等效界面势垒,得到薄膜型平板电容器等效电路,引入膜厚和界面厚度两个尺度变量,从而建立了铁电薄膜的介电非线性模型。最后,利用文献的数据和曲线对模型进行了验证,模拟得到的曲线与实验得到的曲线变化趋势基本一致,表明该模型可以较好地解释铁电材料(包括陶瓷和薄膜)的介电非线性特性及其随晶粒大小、膜厚和界面厚度等尺度变化的规律。对薄膜型介质移相器的设计、制作和测试进行了研究。采用ADS和HFSS软件进行仿真,设计出了分布式电容负载型铁电薄膜介质移相器的电路结构和各部分的尺寸;采用改进的剥离工艺,制作出了电极线条整齐的铁电薄膜介质移相器;采用矢量网络分析仪,在频率为35GHz、控制电压为40V条件下,测得介质移相器的移相度为180°,插损为9.7dB。