射频磁控溅射法制备环形器用YIG薄膜

【摘要】环形器是一种广泛的应用于微波通信中的器件。随着微波通信系统的快速发展，制备出轻量化、小型化、高性能及低成本的环形器是环形器发展的必然趋势。采用铁氧体薄膜制备的微带薄膜环形器能满足这一要求，因此世界各国的研究人员进行了广泛的研究。作为具有亚铁磁性的铁氧体材料的代表，石榴石结构的铁氧体材料(Y3Fe5O12)具有较窄的铁磁共振线宽、较高的电阻率、较小的高频损耗和较好的旋磁效应等优点，常被用作制备环形器等微波器件的材料。制备出高质量的薄膜将会获得性能较好的环形器，研究如何制备出高质量的YIG薄膜具有十分重要的意义。采用固相法制备了高纯度的YIG靶材。利用射频磁控溅射工艺在Si、GGG、MgO和Al2O3基片上制备了YIG薄膜。然后利用SEM观测了薄膜的表面和截面，通过XRD表征了靶材和样品的结晶性，利用VSM测试了样品的饱和磁化强度，通过EPR观测了样品的铁磁共振线宽，利用XPS的测试结果表征了薄膜中Fe2+的含量。主要研究了以下四个方面：(1)预烧温度(1000oC、1200oC、1300oC和1400oC)对YIG靶材的影响。结果表明，随着预烧温度的提高，靶材的饱和磁化强度会先减小后增大，最后在预烧温度为1400oC时靶材的饱和磁化强度最大，最大值为28.3emu/g。(2)不同溅射参数如溅射功率(100W、150W和200W)、溅射气压(0.3Pa、1Pa、5Pa和10Pa)和靶基距(10cm、11cm和12cm)对YIG薄膜制备的影响。结果表明薄膜在200W的溅射功率下沉积速率最大，溅射压强为5Pa时能获得结晶性较好的薄膜，并且薄膜中Fe2+的含量达到最小值21.56%。靶基距为11cm时样品的结晶性最好，而且在靶基距为11cm的样品FMR线宽为32Oe，是所有样品中的最小值。(3)退火工艺参数如退火温度(650oC、750oC和850oC)、退火时长(1h、4h和10h)和退火气氛(空气和氧气)对YIG薄膜质量的影响。样品经过测试后结果表明在650oC下由于退火温度过低样品没有结晶，当温度提高到750oC退火的样品结晶性最好，当退火温度高于750oC时样品中有第二相YIP的出现。不同退火时间下的样品时长为4h时样品的结晶性较好并且FMR线宽较小，当退火时间为10h，样品的XRD图谱中只含有YIP相。样品在氧气中退火后表面没有小颗粒的出现，表面粗糙度较小。(4)不同基片、薄膜厚度及Ag缓冲层对YIG薄膜质量的影响。结果表明在Si基片上制备薄膜时沉积速率最大，达到达到80.7nm/h，薄膜的样品表面较好。GGG基片上制备的薄膜的FMR线宽为41Oe。当Si基片上的薄膜厚度达到10μm时，样品的FMR线宽为32Oe，GGG基片上的厚膜的XRD衍射图谱与靶材的XRD衍射图谱几乎吻合。当YIG薄膜厚度达到10um左右时，样品的饱和磁化强度十分接近块材的理论值。Ag缓冲层的存在提高了薄膜的表面性能和结晶性。结果表明，溅射条件为200W、5Pa时，退火条件为750oC、4h时，在Si基片上制备的厚度为9.8μm的YIG薄膜具有最好的综合性能：表面晶粒较均匀、结晶性较好，较小的FMR线宽32Oe和接近块材的饱和磁化强度129emu/cm3。
【作者】晏学飞；
【导师】周继军；
【作者基本信息】杭州电子科技大学，微电子学与固体电子学，2014，硕士
【关键词】YIG；薄膜；射频磁控溅射；环形器；FMR线宽；

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