高功率脉冲磁控溅射技术及铁电可调谐微波元件的研究

发布时间：2017-07-04 22:06

  本文关键词：高功率脉冲磁控溅射技术及铁电可调谐微波元件的研究

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【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84 10??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
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN61
【目录】：

• 中文摘要4-5
• Abstract5-10
• 第一章 绪论10-20
• 1.1 论文研究背景及意义10-12
• 1.2 HiPIMS技术及BST薄膜制备国内外研究状态12-18
• 1.3 本论文研究内容及主要架构18-20
• 第二章 HiPIMS技术20-40
• 2.1 离子化物理气相沉积技术20-26
• 2.2 HiPIMS技术特点26-28
• 2.3 HiPIMS高真空溅镀系统28-31
• 2.4 HiPIMS等离子特性31-38
• 2.4.1 等离子体放电原理31-32
• 2.4.2 辉光放电机制32-33
• 2.4.3 德拜遮罩33-34
• 2.4.4 Langmuir探测技术34-38
• 2.5 小结38-40
• 第三章 基于HiPIMS技术氧化锆薄膜的研究40-62
• 3.1 靶材粒子路径模型40-44
• 3.2 氧化锆薄膜制备与分析44-46
• 3.2.1 HiPIMS实验44-46
• 3.2.2 光学特性分析46
• 3.2.3 漏电流实验46
• 3.3 氧含量对薄膜结构及性能的影响46-54
• 3.3.1 靶材峰值电流-电压与功率密度特性46-48
• 3.3.2 薄膜表面特征研究48-51
• 3.3.3 光学特性51-54
• 3.3.4 电学特性54
• 3.4 脉冲参数对薄膜结构及性能的影响54-60
• 3.4.1 锆原子的平均电离长度54-55
• 3.4.2 脉冲关闭时间对沉积的影响55-57
• 3.4.3 薄膜表面特征研究57-58
• 3.4.4 光学特性58-59
• 3.4.5 电学特性59-60
• 3.5 小结60-62
• 第四章 钛酸锶钡薄膜及其变容器的研究62-78
• 4.1 铁电材料的特性62-65
• 4.1.1 铁电特性62-63
• 4.1.2 滞回特性63-64
• 4.1.3 介电特性64-65
• 4.2 RF磁控溅镀原理65-66
• 4.3 钛酸锶钡薄膜的制备66-68
• 4.4 沉积参数对BST薄膜镀率的影响68-72
• 4.4.1 基板温度68-69
• 4.4.2 溅射气压69
• 4.4.3 靶材-基板距离69-71
• 4.4.4 靶材功率71
• 4.4.5 氧气含量71-72
• 4.5 BST薄膜变容器72-76
• 4.5.1 实验步骤72-73
• 4.5.2 变容器的C-V特性73-76
• 4.6 小结76-78
• 第五章 可调谐微波元件的研究78-112
• 5.1 定向耦合器78-87
• 5.1.1 耦合线耦合器78-81
• 5.1.2 耦合线的奇偶模分析81-85
• 5.1.3 顺向、反向和转向耦合器85-87
• 5.2 周期性负载耦合器87-99
• 5.2.1 周期性负载耦合线87-90
• 5.2.2 周期性负载耦合器的设计90-91
• 5.2.3 顺向耦合器的设计91-94
• 5.2.4 转向耦合器的设计94-99
• 5.3 可调谐移相器的设计99-107
• 5.3.1 移相器设计原理99-102
• 5.3.2 仿真BST变容器102-103
• 5.3.3 ADS模拟BST移相器103-105
• 5.3.4 HFSS模拟BST移相器105-107
• 5.4 TRL矫正技术107-110
• 5.5 小结110-112
• 第六章 两种高增益阵列天线的设计112-126
• 6.1 高增益定向阵列天线112-117
• 6.2 锥形振子结构的宽带双极化天线117-124
• 6.3 小结124-126
• 第七章 结论与展望126-130
• 参考文献130-142
• 发表论文和参加科研情况说明142-144
• 致谢144-145

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本文编号：519466