浅析微波介质陶瓷薄膜的生长模式

姜明　刘学伟　崔传文

摘 要 微波介质陶瓷在很高的微波频率下具有极低的介质损耗，广泛的应用于厘米、毫米波段，使用在卫星通讯、雷达以及移动通讯系统上，对它的研究日益受到人们的重视。因此，对微波介质陶瓷薄膜的生长模式研究具有重要的理论研究意义和应用探索价值。

关键词 陶瓷 介质 薄膜

中图分类号：TM28 文献标识码：A

从理论上说，结构合适的多层微波介质陶瓷薄膜器件，不仅可以减少微波损耗，有望获得高性能的器件，而且满足了器件片式集成化的要求。但是考虑到微波介质陶瓷薄膜在微波集成电路领域具有广泛的应用前景，因此，当前的首要任务是制备出结构、性能等各方面都比较优良的微波介质陶瓷薄膜。

1微波介质陶瓷的基本性质

钙钛矿型微波介质陶瓷中比较成熟的典型材料，具有立方钙钛矿结构，室温下晶格常数为a=0.4094nm，谐振频率的温度系数=+30？0-6/℃，=41，Q=5400，极其具有研究的潜力和应用的背景，同昂贵、烧结温度高、难以制备的Ba（Mg1/3Ta2/3）O3相比，其成本大幅度的降低，同时可以在适当的条件下代替Ba（Mg1/3Ta2/3）O3应用在微波通讯领域是一种很有发展潜力的微波介质陶瓷材料。如果对Ba（Zn1/3Ta2/3）O3微波介质陶瓷的A位二价Sr2+离子取代固溶，形成（Ba0.3Sr0.7）（Zn1/3Nb2/3）O3型微波介质陶瓷材料，能大大的改善其系统介电性能。目前对微波介质陶瓷块状材料的研究比较多。

2 薄膜的生长模式

薄膜的生长过程直接影响薄膜的结构以及它的最终性能。像其他材料的相变一样，薄膜的生长过程也可被划分为两个不同的阶段，即新相的形核和薄膜的生长阶段。

在薄膜形成的最初阶段，一些气态的原子或分子开始凝聚到衬底的表面，从而开始了所谓的形核阶段。这些原子或是分子先是形成了一些均匀细小而且可以运动的原子团。我们形象地称这些原子团为“岛”。这些像液珠一样的小岛不断地接受新的沉积原子，并与其他的小岛合并而逐渐长大，而岛的数目则是很快地达到饱和。在这些小岛合并过程的同时，空出来的衬底表面上又会形成新的小岛。这一小岛形成与合并的过程不断进行，直到孤立的小岛之间连接成片，最后只剩下孤立的空洞和沟道，后者不断被后沉积来的原子所填充。在孔洞被填充的同时，形成了结构上连续的薄膜。小岛合并的过程一般要到薄膜厚度达到数十纳米的时候才结束。

薄膜从其生长过程来看，可以分为三类：核生长型；层生长型；层核生长型。

（1）核生长型

这种类型形成过程的特点是，到达基片上的原子首先凝聚成核，后续飞来的原子不断集聚在核的附近使核在三维方向不断成长，最终形成薄膜。

（2）层生长型

层生长型的过程大致如下：入射到基片表面的原子，经过表面扩散并与其它原子碰撞后形成二维的核，二维核捕捉周围的吸附原子便生长为二维小岛。这类材料在表面上形成的小岛浓度大体是饱和浓度，即小岛间的距离大体上等于吸附原子的平均扩散距离。在小岛成长过程中，小岛的半径均小于平均扩散距离。因此，到达小岛上的吸附原子在岛上扩散以后都被边缘所捕获。由于在小岛的表面上吸附原子的浓度很低，不容易在三维方向上生长，所以只有在前一层的小岛长到足够大，甚至小岛互相结合，己经基本形成完整层的时候，后一层的二维晶核或者二维小岛才有可能形成，呈现薄膜以层状生长的形式。

层状生长时，靠近基体的薄膜其晶体结构通常类似于基体的结构，只是到一定的厚度时才逐渐由刃位错过渡到该材料固有的晶体结构。

（3）层核生长型

在基体和薄膜原子相互作用特别强的情况下，才容易出现层核生长型。首先在基片表面生长1-2层单原子层，这种二维结构强烈地受基片晶格的影响，晶格常数有较大的畸变。然后再在这原子层上吸附入射原子，并以核生长方式生成小岛，最终形成薄膜。

制备多层微波介质陶瓷薄膜器件，不仅可以减少电极的微波损耗，有望获得器件的高性能，并且满足了器件片式集成化的要求。目前国内外的研究主要是块状器件的研究，但是块状材料的尺寸最少也要，不能满足集成化、高性能的要求，这阻碍了微波介质器件的应用。研究微波介质陶瓷薄膜生长模式对于实现微波器件的集成化和高品质化具有重要的理论研究意义和应用的探索价值。

参考文献

[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.