介电可调BMN薄膜及变容管制备研究

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微波通信技术的迅猛发展要求微波介质材料具有更优异的介电性能。铋基立方焦绿石结构薄膜材料铌酸铋镁Bi1.5Mg1.0Nb1.507(BMN)具有介电调谐特性,其介电常数随外加偏置电场的变化,利用这一性质可制成薄膜介质变容管,应用于各种微波压控电路中。BMN薄膜为非铁电材料,具有良好的温度稳定性,其介电损耗较低,并具有适中的介电常数值及较高介电调谐潜力,在微波领域有广泛的发展前景。本文通过磁控溅射法在Pt/Ti/Al2O3基片上制备BMN薄膜,研究了基片温度、溅射功率、溅射气氛以及气氛总压对BMN薄膜的结构、结晶情况、表面形貌以及介电性能的影响,优化了BMN薄膜的制备工艺。并通过微细加工技术研制了BMN薄膜介质变容管,研究了BMN薄膜的集成化工艺。研究的主要结果如下:在500℃~700℃温度范围内BMN薄膜的结晶情况及介电性能随基片温度的升高而提高;低溅射功率下制备的BMN薄膜耐压特性较差,高溅射功率下薄膜的介电性能及耐压特性较好;溅射气氛氧氩比对BMN薄膜的相结构及结晶情况没有明显影响;高气氛总压有利于提高BMN薄膜的介电性能。通过分析优化BMN薄膜的溅射制备工艺,制备了较高介电调谐率、低介电损耗的BMN薄膜。优化的BMN薄膜制备工艺条件参数为:基片温度675℃、250W溅射功率、溅射气氛02:Ar比为15:85、气氛总压为5Pa。制备出了介电常数值为119、介电损耗为0.008、介电调谐率为30%的BMN薄膜。利用得到的优化的BMN薄膜制备工艺条件参数,通过微细加工技术研制出了BMN薄膜介质变容管,并研究了BMN薄膜的图形化工艺。实验得到HF:H20比例为1:1的氢氟酸刻蚀溶液对BMN薄膜有较好的刻蚀效果,通过40s~50s的刻蚀可以较好地实现BMN薄膜的图形化。研制的3种有效面积的BMN薄膜介质变容管电容值在0.4~1pF之间,介电损耗在0.15~0.3之间,其耐压特性较好,介电调谐率在13%~15%之间。
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