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1、上海交通大学 硕士学位论文 基于MEMS技术的钛酸锶钡铁电薄膜及可调电容器研究 姓名：石金川 申请学位级别：硕士 专业：微电子学与固体电子学 指导教师：杨春生 20080101 上海交通大学硕士学位论文 基于 MEMS 技术的钛酸锶钡铁电薄膜及可调电容器研究 摘 要 随着无线通讯技术的迅速发展，人们对无线通讯终端设备的需求趋 向于微型化。同时，人们对无线通讯的带宽要求更高，因此需要更高的 通讯频率。然而对于高频信号而言，分立器件间存在着较多的寄生效应， 且占据较大的空间。这些因素给设计、应用都提出了很大的挑战。因此， 迫切需要开发高性能的射频材料。在这种背景下，BaxSr1-xTiO3（BST
2、） 重新成为人们研究的热点。 工作在顺电相的 BST 材料具有较高、且稳定的介电性能，同时介电 常数随外加偏压而改变。而 Ba0.5Sr0.5TiO3常温下为顺电相，具有较高的 介电性能，这使得 Ba0.5Sr0.5TiO3材料成为未来移相器、滤波器、变容器 及旁路电容等器件潜在的应用材料。但是在实际应用和研究中还存在着 一系列问题：介电可调性能与损耗性能存在着矛盾。本文通过射频磁控 溅射工艺制备了（100）择优取向 LaNiO3薄膜，并以此为缓冲层沉积 Ba0.5Sr0.5TiO3铁电薄膜。 研究表明， LNO 缓冲层的引入促进了 BST （100） 择优取向，介电可调率由 30%提高到 4
3、5%，无缓冲层的电容损耗为 0.2， 引入后减小为 0.05。进一步研究了缓冲层薄膜与铁电薄膜厚度对介电性 能的影响，分析了影响薄膜性能的理论机制。创新性的提出：可以通过 上海交通大学硕士学位论文 IV 适当控制缓冲层厚度，在较小的 BST 厚度条件下，获得较高的介电常数 和介电调谐性能。 在 获 得 介 电 性 能 良 好 的 薄 膜 的 基 础 上 ， 本 文 基 于 MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)微细加工技术制备了平行平板 电容和共面波导结构，建立了低频、高频测试的模型，并分别测量了低 频(1MHz)、高频 (0-20GHz) 下材料的相对介电
4、常数和介电损耗。 关键词：关键词：钛酸锶钡(BST)，镍酸镧(LNO)，缓冲层，介电性能，射频磁控 溅射，MEMS 工艺 上海交通大学硕士学位论文 V STUDY OF MEMS-BASED TUNABLE BST THIN FILM CAPACITOR ABSTRACT With the development of wireless communication technology, the communication systems are becoming smaller and smaller. Meanwhile wide band communications are in gr
5、eat demand which make the frequency of communication becoming much higher. In order to meet the development of communication devices, materials with excellent RF properties are under intense research. In this context, BaxSr1-xTiO3 (BST) ferroelectric film materials are attracting more and more atten
6、tion. At paraelectric phase, BST ferroelectric material shows high dielectric constant with good stability and its dielectric constant varies with the DC bias. The Curie-Temperature of Ba0.5Sr0.5TiO3 is -5 and works at paraelectric phase. These factors make Ba0.5Sr0.5TiO3 a good candidate in the app
7、lications of phase shifters, filters, and varistor. In this paper, we prepared (100)-oriented LaNiO3 films with RF magnetron-controlled sputtering method, and then Ba0.5Sr0.5TiO3 was deposited (100)-oriented with LaNiO3 (LNO) as buffer layer. Through XRD, AFM, SEM and CV test, it has been shown that
8、 LNO buffer layer not only enhanced BST (100) orientation but also improved the tunability from 35% to 45%, and decreased the less tangent from 0.2 to 0.05. Then the effect of BST thickness and LNO thickness on the capacitance was investigated and the mechanism was also analyzed. Based on MEMS micro
9、-fabrication method and the good properties of the materials, a parallel plate film capacitor was fabricated and low frequency (1MHz) property was tested. CPW (coplanar wave-guide) structure was fabricated and high frequency (0-20GHz) was conducted. 上海交通大学硕士学位论文 VI KEY WORDS: Ba0.5Sr0.5TiO3, LaNiO3,
10、 buffer layer, dielectric properties, RF magnetron sputtering, MEMS process 上海交通大学硕士学位论文 I 上海交通大学上海交通大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 上海交通大学硕士学位论文
11、II 上海交通大学上海交通大学 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。 本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密保密，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 上海交通大学硕士学位论文 1 第一章 绪 论 近几年来， 铁电材
12、料随着无线通讯技术的发展， 引起了越来越多的人的研究兴趣。 本章首先介绍了铁电材料的结构、应用以及存在的突出的问题。接着详细介绍了本 文主要研究对象 Ba0.5Sr0.5TiO3的结构等相关的基础理论，并综述了当前研究中存在 的一些问题以及一些解决方案。 1.1 铁电材料简介 1.1.1 铁电体晶格结构 关于物质铁电特性的研究，最早可以追溯到 1920 年左右，当时 Valasek 首次在 试验中证明了铁电特性的存在：发现了罗息盐（酒石酸钾钠，NaKC4H4O64H2O） 的电滞回线特性，并且发现该物质存在居里温度 Tc；从此，铁电体以其独特的物理、 化学性质越来越引起人们对其技术应用的重视。
13、 在晶体学的 32 个点群中，11 种为对称中心结构，21 种为非对称中心结构。在 21 种非对称中心的晶体学点群中有 20 种为压电晶体， 能够机械应力的作用下表现出 极化性质，但其中只有 10 种特殊的点群：1（C1） 、2（C2） 、m（C3） 、mm（C2v） 、 4mm（C4v） 、3（C3） 、3m（C3v） 、6（C6）和 6mm（C6v）被称为极化点群（polar point group） ，在这些晶体中，存在一个特殊的极化方向，每个晶胞中原子的正负电 荷中心沿该方向发生相对位移，形成电偶极矩，使整个晶体在该方向上呈现出极性， 我们称这种现象为自发极化。对于铁电晶体来说，自发极
14、化是依赖于温度的极化， 只能存在于一定的温度范围内，当温度超过某一温度时，铁电体转变为顺电体，自 发极化消失，这一转变称为铁电相变，该相变对应的温度成为居里温度 Tc1 迄今为止，已经发现具有铁电性的材料已经有一千多种，分类方法也有很多种。 目前研究最多的为含氧八面体铁电晶体结构。该结构又可以进一步分为四类：钙钛 矿结构、钨青铜结构、层状氧化铋结构和焦绿石结构2。 上海交通大学硕士学位论文 2 1）ABO3型钙钛矿结构：通用表达式为 ABO3如 Pb(ZrxTi1-x)O3,BaTiO3，是应用最 多、最广的一类铁电体。其空间结构如图 1-1： 图 11 ABO3结构 Fig1-1 Struc
15、ture of ABO3 2）层状钙钛矿结构(Aurivillius 结构)：对于含 Bi 的层状钙钛矿结构，通用最简分 子表达式为 （Bi2O2） 2+(Am-1BmO3m+1)2-， 其中 A （Bi, Ba, Sr, Ca,Pb,Na,K 等） , B=(Ti, Nb, Mo, W，Fe 等),m 为氧八面体的数目，即氧八面体的层数。下面列出了两种典 型的该结构的材料 SrBi2TaO9和 Bi4Ti3O12，它们的空间结构如图 1-2。 图 12（a）Bi4Ti3O12含三层氧八面体的 Aurivillius 结构 图 12(b)双层的 SBT 结构 Fig1-2 Bi4Ti3O12
16、Aurivillius structure Fig.1-2 Double layer SBT structure 上海交通大学硕士学位论文 3 3）焦绿石结构：通用表达式为 A2B2O7，如 Cd2Nb2O7等 4）钨青铜结构：通用表达式为 AB2O6，如 PbTa2O6等 上面前两种材料由于其独特的铁电性能有巨大的应用潜力，而成为铁电研究的 重要方向。 1.1.2 铁电材料的应用 铁电体晶体属于介质晶体、 压电晶体和热释电晶体的一个亚族， 所以铁电晶体除 铁电性外还具有介电、压电和热释电性性质。另外，透光的铁电体还具有很好的声 光效应、光折变效应、非线性光学效应等光学性质。这些优良的性能使得铁电材料 能很好的应用于微电子学、光电子学、集成光学和微电子机械系统等领域3 ，4 。 铁电材料作为一类极为重要的功能材料，在当今高科技中的应用也越来越广泛。 尤其随着无线通讯技术的快速发展，3G、4G 无线通讯技术的到来，人们对通讯器件 的要求趋向于微型化、高速度、以及大容量。这种趋势对当今材料提出
