淺析微波介質(zhì)陶瓷薄膜的生長(zhǎng)模式

姜明　劉學(xué)偉　崔傳文

摘 要 微波介質(zhì)陶瓷在很高的微波頻率下具有極低的介質(zhì)損耗，廣泛的應(yīng)用于厘米、毫米波段，使用在衛(wèi)星通訊、雷達(dá)以及移動(dòng)通訊系統(tǒng)上，對(duì)它的研究日益受到人們的重視。因此，對(duì)微波介質(zhì)陶瓷薄膜的生長(zhǎng)模式研究具有重要的理論研究意義和應(yīng)用探索價(jià)值。

關(guān)鍵詞 陶瓷 介質(zhì) 薄膜

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

從理論上說，結(jié)構(gòu)合適的多層微波介質(zhì)陶瓷薄膜器件，不僅可以減少微波損耗，有望獲得高性能的器件，而且滿足了器件片式集成化的要求。但是考慮到微波介質(zhì)陶瓷薄膜在微波集成電路領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，因此，當(dāng)前的首要任務(wù)是制備出結(jié)構(gòu)、性能等各方面都比較優(yōu)良的微波介質(zhì)陶瓷薄膜。

1微波介質(zhì)陶瓷的基本性質(zhì)

鈣鈦礦型微波介質(zhì)陶瓷中比較成熟的典型材料，具有立方鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，室溫下晶格常數(shù)為a=0.4094nm，諧振頻率的溫度系數(shù)=+30？0-6/℃，=41，Q=5400，極其具有研究的潛力和應(yīng)用的背景，同昂貴、燒結(jié)溫度高、難以制備的Ba（Mg1/3Ta2/3）O3相比，其成本大幅度的降低，同時(shí)可以在適當(dāng)?shù)臈l件下代替Ba（Mg1/3Ta2/3）O3應(yīng)用在微波通訊領(lǐng)域是一種很有發(fā)展?jié)摿Φ奈⒉ń橘|(zhì)陶瓷材料。如果對(duì)Ba（Zn1/3Ta2/3）O3微波介質(zhì)陶瓷的A位二價(jià)Sr2+離子取代固溶，形成（Ba0.3Sr0.7）（Zn1/3Nb2/3）O3型微波介質(zhì)陶瓷材料，能大大的改善其系統(tǒng)介電性能。目前對(duì)微波介質(zhì)陶瓷塊狀材料的研究比較多。

2 薄膜的生長(zhǎng)模式

薄膜的生長(zhǎng)過程直接影響薄膜的結(jié)構(gòu)以及它的最終性能。像其他材料的相變一樣，薄膜的生長(zhǎng)過程也可被劃分為兩個(gè)不同的階段，即新相的形核和薄膜的生長(zhǎng)階段。

在薄膜形成的最初階段，一些氣態(tài)的原子或分子開始凝聚到襯底的表面，從而開始了所謂的形核階段。這些原子或是分子先是形成了一些均勻細(xì)小而且可以運(yùn)動(dòng)的原子團(tuán)。我們形象地稱這些原子團(tuán)為“島”。這些像液珠一樣的小島不斷地接受新的沉積原子，并與其他的小島合并而逐漸長(zhǎng)大，而島的數(shù)目則是很快地達(dá)到飽和。在這些小島合并過程的同時(shí)，空出來的襯底表面上又會(huì)形成新的小島。這一小島形成與合并的過程不斷進(jìn)行，直到孤立的小島之間連接成片，最后只剩下孤立的空洞和溝道，后者不斷被后沉積來的原子所填充。在孔洞被填充的同時(shí)，形成了結(jié)構(gòu)上連續(xù)的薄膜。小島合并的過程一般要到薄膜厚度達(dá)到數(shù)十納米的時(shí)候才結(jié)束。

薄膜從其生長(zhǎng)過程來看，可以分為三類：核生長(zhǎng)型；層生長(zhǎng)型；層核生長(zhǎng)型。

（1）核生長(zhǎng)型

這種類型形成過程的特點(diǎn)是，到達(dá)基片上的原子首先凝聚成核，后續(xù)飛來的原子不斷集聚在核的附近使核在三維方向不斷成長(zhǎng)，最終形成薄膜。

（2）層生長(zhǎng)型

層生長(zhǎng)型的過程大致如下：入射到基片表面的原子，經(jīng)過表面擴(kuò)散并與其它原子碰撞后形成二維的核，二維核捕捉周圍的吸附原子便生長(zhǎng)為二維小島。這類材料在表面上形成的小島濃度大體是飽和濃度，即小島間的距離大體上等于吸附原子的平均擴(kuò)散距離。在小島成長(zhǎng)過程中，小島的半徑均小于平均擴(kuò)散距離。因此，到達(dá)小島上的吸附原子在島上擴(kuò)散以后都被邊緣所捕獲。由于在小島的表面上吸附原子的濃度很低，不容易在三維方向上生長(zhǎng)，所以只有在前一層的小島長(zhǎng)到足夠大，甚至小島互相結(jié)合，己經(jīng)基本形成完整層的時(shí)候，后一層的二維晶核或者二維小島才有可能形成，呈現(xiàn)薄膜以層狀生長(zhǎng)的形式。

層狀生長(zhǎng)時(shí)，靠近基體的薄膜其晶體結(jié)構(gòu)通常類似于基體的結(jié)構(gòu)，只是到一定的厚度時(shí)才逐漸由刃位錯(cuò)過渡到該材料固有的晶體結(jié)構(gòu)。

（3）層核生長(zhǎng)型

在基體和薄膜原子相互作用特別強(qiáng)的情況下，才容易出現(xiàn)層核生長(zhǎng)型。首先在基片表面生長(zhǎng)1-2層單原子層，這種二維結(jié)構(gòu)強(qiáng)烈地受基片晶格的影響，晶格常數(shù)有較大的畸變。然后再在這原子層上吸附入射原子，并以核生長(zhǎng)方式生成小島，最終形成薄膜。

制備多層微波介質(zhì)陶瓷薄膜器件，不僅可以減少電極的微波損耗，有望獲得器件的高性能，并且滿足了器件片式集成化的要求。目前國(guó)內(nèi)外的研究主要是塊狀器件的研究，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。研究微波介質(zhì)陶瓷薄膜生長(zhǎng)模式對(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。

參考文獻(xiàn)

[1] H.Wu， P.K.Davies. Influence of Non-Stoichiometry on the Structure and Properties of Ba（Zn1/3Nb2/3）O3 Microwave Dielectrics：I. Substitution of Ba3W2O9， J. Am. Cerm. Soc.，2006，89（7）：2239-2249.

[2] H.Wu， P.K.Davies. Influence of Non-Stoichiometry on the Structure and Properties of Ba（Zn1/3Nb2/3）O3 Microwave Dielectrics：II. Compositional Variations in pure BZN. J. Am. Cerm. Soc.，2006，89（7）：2250-2263.