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高功率脉冲磁控溅射技术及铁电可调谐微波元件的研究-电子科学与技术专业论文
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中文摘要
高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)是一种新兴的薄膜溅镀技术,能够在瞬间 产生的高密度等离子体,有效地改善薄膜性能,对薄膜工业的发展有重要意义。 基于铁电薄膜的可调谐微波组件,有望在现代通信系统得到重要应用而受到广泛 关注。本论文从 HiPIMS 薄膜的沉积、钛酸锶钡(BST)薄膜和变容器的制备以 及可调谐微波元件的设计三个方面进行研究。
HiPIMS 是在离子化物理气相沉积技术的基础上,在瞬间提供非常高的功率 生成高密度等离子体,用以产生高密度体沉积流,目前主要应用于制备碳薄膜和 各种金属薄膜。本论文深入研究了 HiPIMS 技术的工作机理,探讨了等离子体特 性。采用 HiPIMS 技术成功地制备了氧化锆薄膜,并通过理论和实验研究了不同 溅射气体比例、溅射腔激励电源功率和脉冲参数对薄膜质量的影响。研究发现, 选择合适的氧氩比和驱动脉冲占空比,可以产生较均匀稳定的等离子体。在玻璃 和氧化铟锡(ITO)-玻璃衬底上制备的氧化锆薄膜,最小粗糙度分别只有 1.1 nm 和 1.3 nm,其薄膜的穿透度分别达到 90%和 84%以上。玻璃衬底上薄膜的能带 系数接近 5.86 eV,ITO 衬底上薄膜的光学能带会受到 ITO 的限制,仅为 3.8 eV。 超薄氧化锆薄膜显示了优于 4 ?10?8 A/m 的漏电流特性。
本论文采用射频溅镀技术沉积了钛酸锶钡薄膜,并讨论了沉积氧压、基片温 度、溅射腔激励电源功率等对钛酸锶钡薄膜镀率的影响。成功地制备了金属-BST- 金属(MIM)结构的变容器,调谐度可达 44.4%。在此研究基础上,首次成功制 备了金属-BST-ITO 新型结构的变容器。由于氧空缺机制,ITO 变容器电容-电压 特性为单调下降趋势,调谐度为 8.5%。
在铁电薄膜变容器基础上进行了铁电移相器的设计。采用 HFSS 仿真软件模 拟了耦合度-3 dB 的周期性负载转向耦合器。在 Mach-Zehnder 电光调制结构中应 用 BST 薄膜变容器,设计了铁电薄膜可调谐移相器。仿真结果表明,此移相器 可实现最大相移为 219.2°,工作频宽为 232 MHz。论文最后还设计了基于本论文 所研究的新型移相器的两种高增益阵列天线,天线最高增益可达 29.8 dBi,采用 锥形振子结构,双极化天线获得频宽 19.52%,为未来制备可调谐天线等微波调 谐元件提供了依据。
关键词:高功率脉冲磁控溅射,钛酸锶钡薄膜,变容器,转向耦合器,可调谐 元件
I
II
ABSTRACT
High power pulsed magnetron sputtering (HiPIMS) is an emerging sputtering technology. HiPIMS can generate high-density plasma in an instant and effectively improve the film properties, which is of great significance in the development of thin film industry. The tunable microwave components based on ferroelectric thin films are expected to have important applications in modern communication systems and have received widespread attention. This dissertation studied three aspects: thin film deposition by HiPIMS, preparation of barium strontium titanat
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