本文是博士论文，主要研究低损耗BZN/BST介电薄膜及微波变容管技术。

第一章 绪 论

1.1 研究背景与意义

随着现代通信系统的快速发展，对高性能、宽频带、小型化和集成化等微波元器件的需求日益迫切；传统的微波器件或电路，无论在军事领域还是国民经济方面都遇到巨大的挑战。各种类型的微波调谐器件，通过调控微波信号的频率、相位或幅度等，能够提高系统的性能和工作带宽、降低元器件的数目、减小体积和降低成本等，而且易于与其他电路集成，是现代通讯系统的发展趋势。军事应用方面，以雷达系统为例。雷达需要不断地改变波束方向以实现空域多方位的扫描。传统雷达的扫描方式是机械扫描，即通过转动天线来改变波束的方向。它需要外加转动基座，从而体积笨重，而且扫描速度受转动基座的转速限制，一般扫描速度较慢。采用传统的机械扫描方式的雷达系统已很难适应新的作战要求。现代相控阵雷达由相位可调的阵列天线组成，通过调节移相器控制天线阵子馈入电流的相位，就可以在空间辐射出不同方向性的波束，从而实现雷达多方位的扫描，因此这种方式又称为“电扫描”。与传统雷达的机械扫描相比，现代相控阵雷达反应迅速、扫描速度快；体积小、重量轻；波束指向灵活，目标容量大，可在空域内进行多目标同时跟踪；而且抗干扰能力强。因此相控阵雷达是现代雷达的重要发展方向。同时，这也对具有高性能、低成本的作为相控阵雷达核心元件的移相器提出了大量的需求。民用领域方面，以手机通讯为例。现代移动手机已远远不仅是实现通话的功能，它还需要集成多种新功能：如互联网、手机电视和卫星导航等，因此手机需要在不同的频率下工作。这就要求手机器件或通讯系统采用微波调谐器件，以适应不同通讯通道和不同带宽的工作场合，从而减小手机的尺寸和降低成本。此外，仅就通话功能而言，微波调谐器件也有其巨大的应用前景。如 Paratek 将自适应阻抗匹配网络应用于手机，针对手机的不同状态，该匹配网络能自动调节匹配状态，从而使总的天线辐射功率提升了 4 倍。这意味着手机通话时间、通话质量和电池使用寿命都将得到改善，有可能成为未来手机通讯的发展趋势。由此可见，微波调谐器件可以提高器件或电路的性能，减少电子元件数目，降低成本，能够适应多频带、多功能等工作场合，是现代通讯系统的发展趋势。

实现微波器件的电调谐，目前主要有四类技术：半导体变容二极管、微电子机械系统（MEMS）、铁氧体和介质薄膜变容管技术等。他们实现可调的方式各不相同，从而呈现各自不同的特点。半导体变容二极管是实现电调谐的最成熟的技术。早在上世纪六十年代，它就开始被应用于实现器件和电路的调谐[1,2]，而且直到现在它依然是主流的器件调谐技术。半导体变容二极管主要由 PN 结组成，在反向电压作用下的 PN 结处于截止状态。两边的 P 型和 N 型半导体相当于平板电容的两个极板，中间的耗尽层电阻很大，看做绝缘介质。耗尽区构成结电容，反向电压增大时耗尽层宽度展宽，电容变小，反之则变大。半导体变容二极管调谐范围大、控制电压低、响应速度快、体积小，而且它易于与硅技术集成而研制单片微波集成电路。然而它在高频下损耗迅速增大，所以采用二极管的电路在 GHz 范围通常损耗变得很大。另外它的功率承载能力较差，因为反向偏压不允许通过大的射频电压信号；而且在大功率条件下容易产生整流现象，因此在大功率条件下使用受到限制甚至无法使用。在上世纪九十年代初，MEMS 技术开始被应用于电调谐电路[3]。它是通过微细加工工艺，在信号与地的金属间的空气隔离形成平板电容器。在外加电压时，静电力将很薄的空气桥悬臂往下拉，从而增大电容以实现器件的调谐。MEMS 调谐器件的最大优势是损耗很低，在射频/微波段任保留有大的 Q 值，而且它的功率承载能力也比半导体变容二极管大。但是它的调谐范围较小、工作电压大、调谐速度慢，而且制备工艺难度大、封装成本高、可靠性较差。在 1957 年，Reggia 和 Spencer 最早报道了实现电扫描的铁氧体移相器[4]。它是利用外加磁场改变波导内铁氧体的磁导率，通过改变波导内的微波信号波速从而实现移相的功能。铁氧体移相器有着几十年的发展历史，现如今已经发展得比较成熟。它的优点是功率承载能力大、插入损耗低、比 MEMS 器件有更快的响应速度。但是铁氧体器件体积大而且笨重，同时需要改变磁场来工作，不适应于小型化、集成化等应用场合。

第二章 BZN/BST 薄膜材料的研究

具有低损耗、高调谐率和低漏电流的薄膜材料是介质薄膜变容管技术的关键。BZN/BST 复合薄膜由两层不同的介质组成，薄膜的不同生长条件、以及这两层介质不同的厚度比都将对薄膜的介电性能产生很大影响。本章将首先研究 BZN/BST薄膜材料的制备工艺和介电性能，为后续章节的研究工作奠定基础。

2.1 BZN/BST 薄膜样品的制备

2.1.1 薄膜制备方法、生长基底及靶材的选择

PLD法制备的薄膜成分与靶材成分一致性好、成膜速率快、沉积薄膜质量高；但是设备昂贵、薄膜均匀性差、缺陷多，不适宜大面积制备薄膜。MOCVD 法可制备大面积薄膜、薄膜一致性好、缺陷少；但是设备昂贵、源材料昂贵且通常具毒性。MBE 法成膜均匀性好、缺陷少、易于控制组分、可精确控制原子层生长；但是设备昂贵、操作复杂。溅射法有反应溅射、离子束溅射、多元靶溅射和射频磁控溅射等。射频磁控溅射法制备薄膜效率高、薄膜致密性好、膜层与衬底的粘附性能好、薄膜一致性好，可以制备大面积、均匀薄膜，在工业化和降低成本方面都很有潜力。所以本论文将采用射频磁控溅射技术制备薄膜。下面对射频磁控溅射法作进一步介绍。溅射法[91]是在真空系统中通入少量惰性气体（如氩气），电子在电场的作用下加速飞向基片的过程中与氩原子发生碰撞，产生大量的二次电子和氩离子（Ar+）；Ar+离子在电场的作用下加速轰击靶材（阴极），溅射出靶材原子而沉积到衬底上形成薄膜。通常，一般的溅射法制备薄膜效率比较低。如果在阴极表面加上平行磁场，电子在加速飞向基片的过程中受到磁场洛仑磁力的影响，其运动轨迹被限制在靶面附近。电子在运动过程中不断与氩原子发生碰撞电离产生大量的氩离子轰击靶材，提高电子碰撞和气体原子的离化效率，从而提高成膜效率。此外，磁控溅射还可避免电子轰击作为阳极的衬底，从而改善薄膜质量。磁控溅射有直流磁控溅射和射频磁控溅射。射频磁控溅射的频率通常在 5~30 MHz 范围。射频磁控溅射对靶材的导电依赖性下降，不要求做为阴极的靶材是导电的，所以理论上可以沉积各种金属和非金属薄膜材料。加上射频电压后，电子在阴极和阳极之间放电的等离子体区域做来回振荡运动，有利于增加电子与气体分子的碰撞几率，提高溅射效率。

第三章 BZN/BST 薄膜变容管的研制...... 46

3.1 BZN/BST 介质薄膜变容管的结构设计.... 46

3.2 BZN/BST 薄膜变容管的加工工艺研究.... 53

3.2.1 电极与介质薄膜图形化的工艺研究 .... 53

3.2.2 BZN/BST 薄膜变容管的加工过程........ 55

3.3 本章小结..... 57

第四章 BZN/BST 薄膜变容管的性能研究.... 58

4.1 BZN/BST 薄膜变容管的性能优化...... 58

4.2 BZN/BST 薄膜变容管在射频器件...... 63

4.3 BZN/BST 薄膜变容管的微波特性研究.... 65

4.4 本章小结..... 85

第五章 X 波段 BZN/BST 薄膜移相器的研制..... 86

5.1 BZN/BST 薄膜移相器的设计与仿真........ 86

5.2 BZN/BST 薄膜移相器的制备与测试........ 96

5.3 本章小结......... 101

结论

1.从电介质串联理论出发建立双层复合可调介质薄膜介电性能与结构关系参数模型，通过优化控制 BZN/BST 复合薄膜的各层厚度比提高复合薄膜的综合介电性能。结果表明，BZN 与 BST 厚度比为 0.5 的 BZN/BST 复合薄膜具有低损耗和高可调的最佳综合性能。获得的复合薄膜的介电损耗为~0.78%，在偏置电场 1 MV/cm 下的介电调谐率为~46%。

2. BZN 薄膜与 BST 薄膜的 X 射线价带谱表明前者的费米能级在带隙中比后者的费米能级深~0.4 eV，因此在 BZN-BST 界面处形成势垒。该界面势垒提高了复合薄膜的 P-F 发射开启电场，从而降低了薄膜的泄漏电流。另外，由于 BZN 薄膜的引入增大了介质薄膜与上电极接触面的势垒高度，减小了肖特基发射电流，从而也有利于降低复合薄膜的泄漏电流。

3. 采用多电容并联的多指电极结构，能够提高平板型变容管的 Q 值和可靠性，特别适合较大容值的介质薄膜电容设计。

4. 利用反转光刻胶可以优化电极的图形化工艺。以 HF 酸为刻蚀剂、NH4F 为络合剂、HNO3为助溶剂、去离子水为稀释剂的刻蚀液能很好地刻蚀介质薄膜实现BZN/BST 复合薄膜的图形化。

5. 研制的 BZN/BST 介质薄膜变容管在 100 MHz 时 Q 值为 150。变容管的高频 Q 值随频率的升高而下降，这是因为在频率高于 10 MHz 时电极损耗对变容管 Q值的影响越来越严重。通过采用高电导率的金属和加厚电极的方法减小电极损耗，能够有效提高变容管的高频 Q 值。

参考文献

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