浅析微波介质陶瓷薄膜的制备技术

摘 要 微波介质陶瓷薄膜在微波集成电路和微波集成器件领域具有潜在的应用前景，制备多层微波介质陶瓷薄膜器件，不仅可以减少电机的微波损耗，有望获得器件的高性能，而且满足了器件片式集成化的要求；研究微波介质陶瓷薄膜制备技术对于实现微波器件的集成化和高品质化具有重要的理论研究意义和应用的探索价值。

关键词 陶瓷 介质 薄膜 制备技术

中图分类号：TM28 文献标识码：A

目前国内外的研究主要集中在微波介质陶瓷块砖材料和元器件的研究，但是块状材料的尺寸最少也要，不能满足集成化、高性能的要求，这阻碍了微波介质器件的应用。于是人们开始考虑薄膜化介质频率器件，但是很难获得低烧结温度，高品质因子，低损耗，易耦合，高频性能优等综合的性能。根据微波理论，介质薄膜材料具有比起块状材料更低的微波损耗特性和更好的耦合特性。

1磁控溅射

磁控溅射是建立在气体辉光放电基础上的一种薄膜制备技术。磁控溅射按工作电源可分为直流（DC）磁控溅射和射频（RF）溅射两种。射频磁控溅射一般用晶体作为射频振荡器，射频频率一般在5～30MHz之间，溅射用的靶材一般为粉末烧结的微波介质陶瓷，为保证化学计量比，一般在溅射气氛中掺入一定比率的O2。溅射气氛有氩氧混合气和纯氧两种。磁控溅射是在阴极靶的表面上方形成一个正交电磁场。当溅射产生的二次电子在阴极位降区内被加速为高能电子后，并不直接飞向阳极，而是在正交电磁场作用下作来回振荡的近似摆线的运动。在运动中高能电子不断与气体分子发生碰撞并向后者转移能量，使之电离而本身变成低能电子。这些低能电子最终沿磁力线漂移到阴极附近的辅助阳极而被吸收，从而避免了高能电子对基板的强烈轰击，消除了二极溅射中基板被轰击加热和被电子辅照引起损伤的根源，体现了磁控溅射中基板“低温”的特点。同时由于外加磁场的存在，实现了高速溅射。溅射过程中的靶材是需要溅射的材料，它作为阴极，相对于作为阳极的基片加有数千伏的电压，衬底作为阳极可以是接地的。在对系统欲抽真空后，充入适当压力的惰性气体，例如，Ar作为气体放电的载体，气体一般处于0.1-10Pa的范围内。在正负电极高压的作用下，极间的大量气体原子将被电离为Ar+和可以独立运动的电子。其中电子飞向阳极而Ar+离子则在高压电场的加速下高速飞向作为阴极的靶材，并在与靶材的撞击过程中释放出能量。离子高速撞击的结果之一，就是大量的靶材原子获得了相当高的能量，使其可以脱离靶材的束缚而飞向衬底。

2脉冲激光沉积（PLD）

脉冲激光沉积技术（PLD）的使用可以追溯到20多年前，但只有最近几年由于在制备新型高温超导薄膜上的成功应用，才引起人们的广泛重视。PLD用高能激光束通过真空室窗口加热靶材，通过聚焦功率强度可达106W/cm2，能够蒸发高熔点材料，有较高的蒸发率，速率可通过激光脉冲频率控制，脉冲激光的频率一般在1～5Hz之间。瞬间蒸发的等离子体有充足的动能，在相对较低的衬底温度下能够沉积高质量的微波介质陶瓷薄膜，薄膜组分也能够精确控制；而且非接触加热，无污染，适宜于超高真空下制取高纯薄膜。脉冲激光沉积生长速率较低，一般一小时生长几十到几百个纳米，生长的介质薄膜的质量很好，因此可实现原子层状生长，也可以用来制备多层结构材料。

3溶胶-凝胶法

它是以薄膜各组元的醇盐溶于某种溶剂中反应产生复醇盐，然后加入水和催化剂使其水解并依次转变为溶胶和凝胶，然后经过陈化、干燥等处理，得到所需薄膜。溶胶-凝胶法合成纳米复合材料的特点在于：较低的反应温度，大多数有机活性分子可以引入此体系中并保持其物理和化学性质；由于反应是从溶液开始，在材料合成早期就可以对其形态结构进行控制，且可获得很高的化学均匀性；不涉及高温反应，能避免杂质引入，可保证最终产品的纯度。其不足之处是在凝胶过程中由于溶剂和水分子的挥发易导致材料发生脆裂。虽然超临界干燥可以减小毛细管压力的影响，避免凝胶收缩和破碎发生，然而超临界干燥需要用到高压釜，工艺复杂，设备要求高，产量低，还有一定的危险性，由此研究常压干燥技术非常重要。

根据微波理论，介质薄膜材料具有比起块状材料更低的微波损耗特性和更好的耦合特性。目前有多种方法被开发出来制备微波介质陶瓷薄膜材料，但是怎样通过一种简单的方法制备性能优异的微波介质陶瓷薄膜材料仍然是人们孜孜追求的目标。

参考文献

[1] Lin-Pin Wang，Tseung-Yuen Tseng. Analysis of AC electrical response for radio-frequency sputtered （Ba0.5Sr0.5）TiO3 thin films. Thin Solid Films，1999，346（3）：269-274.

[2] Takashi Okawa， Hidcki Utaki ， Takahiro Takada. The application of microwave ceramic.Applications of ferroelectrics 1999，ISAF’99，Proceedings of the ninth IEEE international symposium on 1999，367-371.

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