淺析微波介質陶瓷薄膜的制備技術

劉學偉　崔傳文　姜明

摘 要 微波介質陶瓷薄膜在微波集成電路和微波集成器件領域具有潛在的應用前景，制備多層微波介質陶瓷薄膜器件，不僅可以減少電機的微波損耗，有望獲得器件的高性能，而且滿足了器件片式集成化的要求；研究微波介質陶瓷薄膜制備技術對于實現微波器件的集成化和高品質化具有重要的理論研究意義和應用的探索價值。

關鍵詞 陶瓷 介質 薄膜 制備技術

中圖分類號：TM28 文獻標識碼：A

目前國內外的研究主要集中在微波介質陶瓷塊磚材料和元器件的研究，但是塊狀材料的尺寸最少也要，不能滿足集成化、高性能的要求，這阻礙了微波介質器件的應用。于是人們開始考慮薄膜化介質頻率器件，但是很難獲得低燒結溫度，高品質因子，低損耗，易耦合，高頻性能優等綜合的性能。根據微波理論，介質薄膜材料具有比起塊狀材料更低的微波損耗特性和更好的耦合特性。

1磁控濺射

磁控濺射是建立在氣體輝光放電基礎上的一種薄膜制備技術。磁控濺射按工作電源可分為直流（DC）磁控濺射和射頻（RF）濺射兩種。射頻磁控濺射一般用晶體作為射頻振蕩器，射頻頻率一般在5～30MHz之間，濺射用的靶材一般為粉末燒結的微波介質陶瓷，為保證化學計量比，一般在濺射氣氛中摻入一定比率的O2。濺射氣氛有氬氧混合氣和純氧兩種。磁控濺射是在陰極靶的表面上方形成一個正交電磁場。當濺射產生的二次電子在陰極位降區內被加速為高能電子后，并不直接飛向陽極，而是在正交電磁場作用下作來回振蕩的近似擺線的運動。在運動中高能電子不斷與氣體分子發生碰撞并向后者轉移能量，使之電離而本身變成低能電子。這些低能電子最終沿磁力線漂移到陰極附近的輔助陽極而被吸收，從而避免了高能電子對基板的強烈轟擊，消除了二極濺射中基板被轟擊加熱和被電子輔照引起損傷的根源，體現了磁控濺射中基板“低溫”的特點。同時由于外加磁場的存在，實現了高速濺射。濺射過程中的靶材是需要濺射的材料，它作為陰極，相對于作為陽極的基片加有數千伏的電壓，襯底作為陽極可以是接地的。在對系統欲抽真空后，充入適當壓力的惰性氣體，例如，Ar作為氣體放電的載體，氣體一般處于0.1-10Pa的范圍內。在正負電極高壓的作用下，極間的大量氣體原子將被電離為Ar+和可以獨立運動的電子。其中電子飛向陽極而Ar+離子則在高壓電場的加速下高速飛向作為陰極的靶材，并在與靶材的撞擊過程中釋放出能量。離子高速撞擊的結果之一，就是大量的靶材原子獲得了相當高的能量，使其可以脫離靶材的束縛而飛向襯底。

2脈沖激光沉積（PLD）

脈沖激光沉積技術（PLD）的使用可以追溯到20多年前，但只有最近幾年由于在制備新型高溫超導薄膜上的成功應用，才引起人們的廣泛重視。PLD用高能激光束通過真空室窗口加熱靶材，通過聚焦功率強度可達106W/cm2，能夠蒸發高熔點材料，有較高的蒸發率，速率可通過激光脈沖頻率控制，脈沖激光的頻率一般在1～5Hz之間。瞬間蒸發的等離子體有充足的動能，在相對較低的襯底溫度下能夠沉積高質量的微波介質陶瓷薄膜，薄膜組分也能夠精確控制；而且非接觸加熱，無污染，適宜于超高真空下制取高純薄膜。脈沖激光沉積生長速率較低，一般一小時生長幾十到幾百個納米，生長的介質薄膜的質量很好，因此可實現原子層狀生長，也可以用來制備多層結構材料。

3溶膠-凝膠法

它是以薄膜各組元的醇鹽溶于某種溶劑中反應產生復醇鹽，然后加入水和催化劑使其水解并依次轉變為溶膠和凝膠，然后經過陳化、干燥等處理，得到所需薄膜。溶膠-凝膠法合成納米復合材料的特點在于：較低的反應溫度，大多數有機活性分子可以引入此體系中并保持其物理和化學性質；由于反應是從溶液開始，在材料合成早期就可以對其形態結構進行控制，且可獲得很高的化學均勻性；不涉及高溫反應，能避免雜質引入，可保證最終產品的純度。其不足之處是在凝膠過程中由于溶劑和水分子的揮發易導致材料發生脆裂。雖然超臨界干燥可以減小毛細管壓力的影響，避免凝膠收縮和破碎發生，然而超臨界干燥需要用到高壓釜，工藝復雜，設備要求高，產量低，還有一定的危險性，由此研究常壓干燥技術非常重要。

根據微波理論，介質薄膜材料具有比起塊狀材料更低的微波損耗特性和更好的耦合特性。目前有多種方法被開發出來制備微波介質陶瓷薄膜材料，但是怎樣通過一種簡單的方法制備性能優異的微波介質陶瓷薄膜材料仍然是人們孜孜追求的目標。

參考文獻

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