溅射气压对bmn薄膜晶体形貌和介电性能的影响业设计论文(编辑修改稿)

溅射气压对bmn薄膜晶体形貌和介电性能的影响业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

6]，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A2B2O6O39。 中 A 位离子及 O39。 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]。 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 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 6 第二章 研究方法与实验 BMN 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 ，对预处理后的 Bi2O 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，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 溶液和预烧粉料南京工业大学本科生毕业设计（论文） 7 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。 因为靶材尺第二章 研究方法与实验 8 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 210h，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。 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]。 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。 BMN 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 104Pa。 （ 2）到达本底真空度后，向溅射腔室内通入高纯的氩气，调节流量计使气压控制在~，加高压对基片再次进行清洗 5~10min，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 3~5min，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南京工业大学本科生毕业设计（论文） 9 气压（ Pa、 Pa、 Pa、 Pa、 Pa）。 （ 6） 调节电压为 120 V，打开挡板，开始镀膜。 （ 7） 实验溅射的 BMN 薄膜均为非晶薄膜，经过 750 ℃快速退火 30 min 得到晶化薄膜。 电容结构 BMN 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 (metalinsulatormetal)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]。 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 parallelplate 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 27 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述： 1/Qtotal=1/Qleakage+1/QBZN+1/QElectrode 其中 Qleakage 与 QEIec。