淺析微波介質(zhì)陶瓷薄膜的制備技術(shù)

劉學(xué)偉　崔傳文　姜明

摘 要 微波介質(zhì)陶瓷薄膜在微波集成電路和微波集成器件領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景，制備多層微波介質(zhì)陶瓷薄膜器件，不僅可以減少電機(jī)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(zhì)陶瓷薄膜制備技術(shù)對(duì)于實(shí)現(xiàn)微波器件的集成化和高品質(zhì)化具有重要的理論研究意義和應(yīng)用的探索價(jià)值。

關(guān)鍵詞 陶瓷 介質(zhì) 薄膜 制備技術(shù)

中圖分類號(hào)：TM28 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

目前國內(nèi)外的研究主要集中在微波介質(zhì)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(zhì)器件的應(yīng)用。于是人們開始考慮薄膜化介質(zhì)頻率器件，但是很難獲得低燒結(jié)溫度，高品質(zhì)因子，低損耗，易耦合，高頻性能優(yōu)等綜合的性能。根據(jù)微波理論，介質(zhì)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(chǔ)上的一種薄膜制備技術(shù)。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(jié)的微波介質(zhì)陶瓷，為保證化學(xué)計(jì)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(gè)正交電磁場。當(dāng)濺射產(chǎn)生的二次電子在陰極位降區(qū)內(nèi)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(yùn)動(dòng)。在運(yùn)動(dòng)中高能電子不斷與氣體分子發(fā)生碰撞并向后者轉(zhuǎn)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(duì)基板的強(qiáng)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(xiàn)了磁控濺射中基板“低溫”的特點(diǎn)。同時(shí)由于外加磁場的存在，實(shí)現(xiàn)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(duì)于作為陽極的基片加有數(shù)千伏的電壓，襯底作為陽極可以是接地的。在對(duì)系統(tǒng)欲抽真空后，充入適當(dāng)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(nèi)。在正負(fù)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(dú)立運(yùn)動(dòng)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(jié)果之一，就是大量的靶材原子獲得了相當(dāng)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(shù)（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(dǎo)薄膜上的成功應(yīng)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(qiáng)度可達(dá)106W/cm2，能夠蒸發(fā)高熔點(diǎn)材料，有較高的蒸發(fā)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(fā)的等離子體有充足的動(dòng)能，在相對(duì)較低的襯底溫度下能夠沉積高質(zhì)量的微波介質(zhì)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(shí)生長幾十到幾百個(gè)納米，生長的介質(zhì)薄膜的質(zhì)量很好，因此可實(shí)現(xiàn)原子層狀生長，也可以用來制備多層結(jié)構(gòu)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(yīng)產(chǎn)生復(fù)醇鹽，然后加入水和催化劑使其水解并依次轉(zhuǎn)變?yōu)槿苣z和凝膠，然后經(jīng)過陳化、干燥等處理，得到所需薄膜。溶膠-凝膠法合成納米復(fù)合材料的特點(diǎn)在于：較低的反應(yīng)溫度，大多數(shù)有機(jī)活性分子可以引入此體系中并保持其物理和化學(xué)性質(zhì)；由于反應(yīng)是從溶液開始，在材料合成早期就可以對(duì)其形態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制，且可獲得很高的化學(xué)均勻性；不涉及高溫反應(yīng)，能避免雜質(zhì)引入，可保證最終產(chǎn)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(fā)易導(dǎo)致材料發(fā)生脆裂。雖然超臨界干燥可以減小毛細(xì)管壓力的影響，避免凝膠收縮和破碎發(fā)生，然而超臨界干燥需要用到高壓釜，工藝復(fù)雜，設(shè)備要求高，產(chǎn)量低，還有一定的危險(xiǎn)性，由此研究常壓干燥技術(shù)非常重要。

根據(jù)微波理論，介質(zhì)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(fā)出來制備微波介質(zhì)陶瓷薄膜材料，但是怎樣通過一種簡單的方法制備性能優(yōu)異的微波介質(zhì)陶瓷薄膜材料仍然是人們孜孜追求的目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

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