射頻磁控濺射法制備環(huán)形器用YIG薄膜.pdf

1、環(huán)形器是一種廣泛的應(yīng)用于微波通信中的器件。隨著微波通信系統(tǒng)的快速發(fā)展,制備出輕量化、小型化、高性能及低成本的環(huán)形器是環(huán)形器發(fā)展的必然趨勢(shì)。采用鐵氧體薄膜制備的微帶薄膜環(huán)形器能滿足這一要求,因此世界各國(guó)的研究人員進(jìn)行了廣泛的研究。
　　作為具有亞鐵磁性的鐵氧體材料的代表,石榴石結(jié)構(gòu)的鐵氧體材料(Y3Fe5O12)具有較窄的鐵磁共振線寬、較高的電阻率、較小的高頻損耗和較好的旋磁效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn),常被用作制備環(huán)形器等微波器件的材料。制備出高質(zhì)

2、量的薄膜將會(huì)獲得性能較好的環(huán)形器,研究如何制備出高質(zhì)量的YIG薄膜具有十分重要的意義。
　　采用固相法制備了高純度的YIG靶材。利用射頻磁控濺射工藝在Si、GGG、MgO和Al2O3基片上制備了YIG薄膜。然后利用SEM觀測(cè)了薄膜的表面和截面,通過(guò)XRD表征了靶材和樣品的結(jié)晶性,利用VSM測(cè)試了樣品的飽和磁化強(qiáng)度,通過(guò)EPR觀測(cè)了樣品的鐵磁共振線寬,利用XPS的測(cè)試結(jié)果表征了薄膜中Fe2+的含量。
　　主要研究了以下四個(gè)方面

3、:(1)預(yù)燒溫度(1000oC、1200oC、1300oC和1400oC)對(duì)YIG靶材的影響。結(jié)果表明,隨著預(yù)燒溫度的提高,靶材的飽和磁化強(qiáng)度會(huì)先減小后增大,最后在預(yù)燒溫度為1400oC時(shí)靶材的飽和磁化強(qiáng)度最大,最大值為28.3emu/g。(2)不同濺射參數(shù)如濺射功率(100W、150W和200W)、濺射氣壓(0.3Pa、1Pa、5Pa和10Pa)和靶基距(10cm、11cm和12cm)對(duì)YIG薄膜制備的影響。結(jié)果表明薄膜在200W的濺

4、射功率下沉積速率最大,濺射壓強(qiáng)為5Pa時(shí)能獲得結(jié)晶性較好的薄膜,并且薄膜中Fe2+的含量達(dá)到最小值21.56％。靶基距為11cm時(shí)樣品的結(jié)晶性最好,而且在靶基距為11cm的樣品FMR線寬為32Oe,是所有樣品中的最小值。(3)退火工藝參數(shù)如退火溫度(650oC、750oC和850oC)、退火時(shí)長(zhǎng)(1h、4h和10h)和退火氣氛(空氣和氧氣)對(duì)YIG薄膜質(zhì)量的影響。樣品經(jīng)過(guò)測(cè)試后結(jié)果表明在650oC下由于退火溫度過(guò)低樣品沒(méi)有結(jié)晶,當(dāng)溫度提

5、高到750oC退火的樣品結(jié)晶性最好,當(dāng)退火溫度高于750oC時(shí)樣品中有第二相YIP的出現(xiàn)。不同退火時(shí)間下的樣品時(shí)長(zhǎng)為4h時(shí)樣品的結(jié)晶性較好并且 FMR線寬較小,當(dāng)退火時(shí)間為10h,樣品的XRD圖譜中只含有YIP相。樣品在氧氣中退火后表面沒(méi)有小顆粒的出現(xiàn),表面粗糙度較小。(4)不同基片、薄膜厚度及 Ag緩沖層對(duì)YIG薄膜質(zhì)量的影響。結(jié)果表明在Si基片上制備薄膜時(shí)沉積速率最大,達(dá)到達(dá)到80.7nm/h,薄膜的樣品表面較好。GGG基片上制備的

6、薄膜的FMR線寬為41Oe。當(dāng)Si基片上的薄膜厚度達(dá)到10μm時(shí),樣品的FMR線寬為32Oe,GGG基片上的厚膜的XRD衍射圖譜與靶材的XRD衍射圖譜幾乎吻合。當(dāng)YIG薄膜厚度達(dá)到10um左右時(shí),樣品的飽和磁化強(qiáng)度十分接近塊材的理論值。Ag緩沖層的存在提高了薄膜的表面性能和結(jié)晶性。
　　結(jié)果表明,濺射條件為200W、5Pa時(shí),退火條件為750oC、4h時(shí),在Si基片上制備的厚度為9.8μm的YIG薄膜具有最好的綜合性能:表面晶粒較