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Barium-Strontium-Titanat-Dickschichten für
steuerbare Mikrowellenkomponenten:
Prozesseinflüsse und Gefüge-
Eigenschaftsbeziehungen
A. Friederich1, C. Kohler1,2, X. Zhou1,2, M. Sazegar2, R. Jakoby2, J.R. Binder1
1 Institut für Angewandte Materialien – Werkstoffprozesstechnik,
Karlsruher Institut für Technologie, Hermann-von-Helmholtz-Platz 1,
76344 Eggenstein-Leopoldshafen
2 Institut für Mikrowellentechnik und Photonik, Technische Universität
Darmstadt, Merckstraße 25, 64283 Darmstadt
Inhalt
1 Einführung.................................................................................................................... 3
2 Barium-Strontium-Titanat .................................................................................... 4
2.1 Struktur .............................................................................................................. 4
2.2 Dielektrische Eigenschaften ..................................................................... 6
2.3 Modellierung poröser BST-Dickschichten.......................................... 9
2.4 Dotierungseinflüsse ................................................................................... 11
3 Dickschichtprozessierung .................................................................................. 12
4 Eigenschaften von BST-Dickschichten .......................................................... 15
4.1 Undotierte BST-Dickschichten ............................................................. 15
4.2 Cobalt-Fluor-kodotierte BST-Dickschichten .................................. 19
5 Steuerbare Komponenten auf Basis von BST-Dickschichten ............. 23
6 Zusammenfassung ................................................................................................. 25
7 Literatur ..................................................................................................................... 27
1 Einführung Moderne Kommunikations- und Informationssysteme basieren in immer
größerem Maße auf digitaler drahtloser Datenübertragung. Dabei
kommt es zu einer stetig wachsenden Multifunktionalisierung, vor allem
bei Consumer-Anwendungen. Exemplarisch kann hierfür ein
gewöhnliches Mobiltelefon betrachtet werden. Trotz der Bezeichnung ist
es heute in den meisten Fällen mehr als nur ein mobiles Telefon. Es
beinhaltet eine Vielfalt an zusätzlichen Funktionalitäten wie UMTS,
WLAN, GPS und NFC. Die zunehmenden Anforderungen an die drahtlose
Datenübertragung beschränken sich jedoch nicht nur auf den
Mobilfunkbereich, wenngleich sie hier von der Öffentlichkeit am
deutlichsten wahrgenommen werden. Zusätzlich lässt sich ein genereller
Trend der drahtlosen Datenübertragung zu immer größeren Frequenzen
feststellen, um höhere Übertragungsraten zu erreichen. Das Ziel vieler
Bemühungen der Nachrichtentechnik ist die Realisierung eines Systems,
das einen Multiband-Betrieb (d. h. Betrieb in mehreren
Frequenzbändern) ermöglicht. Zusätzlich wird eine hohe
Integrierbarkeit und Flexibilität der Hardware gefordert. Lösungen
hierfür bieten Komponenten, die in ihrer Funktion und Charakteristik an
die jeweilige Anwendung adaptierbar sind. Beispiele hierfür sind
steuerbare Filter, Phasenschieber und frequenzagile Antennen. Bei der
Realisierung dieser Komponenten zeichnen sich neben Halbleitern und
Mikro-Elektro-Mechanischen Systemen (MEMS) vor allem Ferroelektrika
durch ihr großes Potential aus. Für Mikrowellenanwendungen sind diese
allerdings nur in der paraelektrischen Phase interessant, da sie dort eine
fast leistungslose und schnelle Ansteuerung mit sehr niedrigen Verlusten
garantieren. Als typischer Vertreter dieser Materialklasse ist Barium-
Strontium-Titanat (BaxSr1-xTiO3; BST) zu nennen. Basierend auf diesem
Material konnten bereits Phasenschieber, steuerbare Anpassnetzwerke,
Filter und Antennen sowie Modulatoren realisiert werden [1-5].
2 Barium-Strontium-Titanat
2.1 Struktur
Barium-Strontium-Titanat entsteht formal durch die vollständige
Mischkristallbildung von Bariumtitanat und Strontiumtitanat, welche
beide in einer Perowskitstruktur (vgl. Abb. 1(a)) vorliegen. Die
Gitterparameter des Mischkristalls sowie der Übergang von der
kubischen in die tetragonale Phase wurden von McQuarrie [6] und
Basmajian et al. [7] in Abhängigkeit vom Sr-Anteil untersucht und sind in
Abb. 1(b) dargestellt. Reines Bariumtitanat besitzt einen Curie-Punkt
(TC) von TC = 115 °C [8] und liegt bei Raumtemperatur folglich in
tetragonaler Phase vor. Im BaxSr1-xTiO3-Mischkristall bewirkt eine
Erhöhung des Sr-Gehalts eine Absenkung des Curie-Punkts. Dadurch
kann die kubische Phase bis zur jeweiligen Einsatztemperatur
stabilisiert werden, was einen hysteresefreien Verlauf der Permittivität
bei wechselndem elektrischen Feld ermöglicht. Diese Eigenschaft ist
grundlegend für einen verlustarmen Einsatz als
Mikrowellendielektrikum. Ab einem Anteil von ca. 30 mol-%
Strontiumtitanat ist die kubische Phase bis Raumtemperatur stabil (vgl.
Abb. 1(b)).
(a)
(b)
Abb. 1: (a) Perowskitstruktur [9], (b) Gitterkonstanten von BaxSr1-xTiO3 in
Abhängigkeit des Sr-Gehalts bei Raumtemperatur (nach [6]).
2.2 Dielektrische Eigenschaften
Barium-Strontium-Titanat weist eine ausgeprägte Abhängigkeit der
relativen Permittivität εr von der elektrischen Feldstärke E auf. Sie wird
als Steuerbarkeit τ bezeichnet und durch eine nichtlineare Abhängigkeit
der inneren Polarisation vom elektrischen Feld hervorgerufen. Sie ist
über das Verhältnis der Änderung der relativen Permittivität des
Materials im gesteuerten Zustand (E ≠ 0) zur relativen Permittivität im
ungesteuerten Zustand (E = 0) definiert:
),0(
),(),0(),(
fE
fEfEfE
r
rr
.
Der dielektrische Verlust tan δ von steuerbaren Dielektrika liegt
üblicherweise deutlich über dem von nichtsteuerbaren Dielektrika für
Mikrowellenanwendungen. Er setzt sich aus intrinsischen und
extrinsischen Verlusten zusammen. In ferroelektrischen Dickschichten
überwiegen die extrinsischen Verluste, hervorgerufen durch geladene
Defekte, gegenüber den intrinsischen Verlusten durch
Phononenstreuung (vgl. Abb. 2). Da die Defektkonzentration durch
Dotierungselemente maßgeblich beeinflusst werden kann, ist es möglich
den dielektrischen Verlust durch geeignete Dotierungselemente zu
verringern. Hierfür haben sich in der Vergangenheit vor allem Metall-
Akzeptor-Kodotierungen als geeignet erwiesen [10, 11].
Abb. 2: Dielektrischer Verlust verschiedener Mikrowellendielektrika in
Abhängigkeit der Frequenz [10].
Um mehrere Materialien bezüglich ihrer Eignung als steuerbares
Mikrowellendielektrikum zu vergleichen, wird die Materialgüte η
verwendet [12]. Sie ergibt sich aus dem Verhältnis der Steuerbarkeit des
Materials zum dielektrischen Verlust und ist wie folgt definiert:
),(tan
),(),(
fE
fEfE
.
Für Frequenzen im GHz-Bereich sinken in der paraelektrischen Phase
mit zunehmendem Abstand der Betriebstemperatur zum Curie-Punkt in
der Regel neben den Verlusten auch die Permittivität und die
Steuerbarkeit des Materials [13, 14]. Daher ist es sinnvoll, die
Materialzusammensetzung an den jeweiligen Fokus der Anforderungen
(hohe Steuerbarkeit oder niedrige Verluste) anzupassen. Um eine
möglichst hohe Steuerbarkeit zu erhalten, kann das Barium-zu-
Strontium-Verhältnis so abgestimmt werden, dass die
Betriebstemperatur nur knapp oberhalb des Curie-Punktes liegt.
Um effiziente Komponenten zu realisieren, sollten
Mikrowellenkomponenten neben einer hohen Steuerbarkeit und
geringen dielektrischen Verlusten auch über eine geringe
Temperaturabhängigkeit der Eigenschaften verfügen. In diesem
Zusammenhang zeigt sich der Vorteil poröser Dickschichten gegenüber
einer Vollkeramik: Neben einer wesentlich geringeren Permittivität –
was für die Anwendung nicht nachteilig ist – weisen poröse Körper auch
eine geringere Temperaturabhängigkeit der Eigenschaften auf. Dies ist
bedingt durch einen diffusen Phasenübergang, der in Abb. 3 verdeutlicht
wird: Im Gegensatz zur dichten Vollkeramik zeigt der poröse BST-Körper
kein ausgeprägtes Maximum der Permittivität und keine signifikante
Änderung des dielektrischen Verlustes im Curie-Punkt. Die
Temperaturabhängigkeit ist also deutlich geringer.
Abb. 3: Relative Permittivität und dielektrischer Verlust von
undotierten dichten (BST60) bzw. porösen (RB20, P = 30-40%) BST-
Vollkörpern bei f = 1 kHz [15].
2.3 Modellierung poröser BST-Dickschichten
Für die Beschreibung der Permittivität von Zweikomponentensystemen
(εr,1, εr,2) existieren verschiedene analytische Modelle. Diese basieren auf
der parallelen oder seriellen Anordnung der beiden Komponenten oder
der vollständigen Einbettung sphärischer Partikel / Poren einer
Komponente in der zweiten Komponente [16] und sind in Abb. 4
dargestellt. Im Fall einer poröser Struktur ist vor allem das sogenannte
Kugelmodell interessant. Die Randbedingung hierfür ist jedoch neben
einer Isolation der Poren, d. h. geschlossener Porosität, eine homogene
Permittivität innerhalb beider Komponenten (εr,1 = konst., εr,2 = konst.).
Beides ist im Fall poröser BST-Dickschichten im Allgemeinen nicht
gegeben. Zum einen liegt bei den Dickschichten zumeist eine offene
Porosität vor, zum anderen bewirkt eine Feldüberhöhung im
eingeschnürten Partikelkontakt eine größere Materialaussteuerung und
damit eine lokale Absenkung der Permittivität. Aus diesem Grund wurde
ein Modell entwickelt, das mit Hilfe der Finite-Differenzen-Methode im
Zeitbereich (Finite Difference Time Domain, FDTD) die effektiven
Schichteigenschaften in Abhängigkeit der Korn- und Sinterhalsgröße
sowie der nichtlinearen Materialeigenschaften beschreibt [17]. Es ist in
Abb. 5(a) dargestellt. Als Kenngröße zur Bewertung des Gefügeeinflusses
wird die Material-Steuerbarkeitseffizienz
),(
),(),(
fE
fEfE
bulk
meso
meso
eingeführt. Hierbei ist τmeso(E,f) die Steuerbarkeit der porösen Struktur
und τbulk(E,f) die Steuerbarkeit einer Vollkeramik mit denselben
Materialeigenschaften. Die Ergebnisse der Simulation zeigen, dass durch
ein möglichst kleines Verhältnis von Sinterhals- zu Korndurchmesser die
höchste Material-Steuerbarkeitseffizienz erreicht werden kann (vgl. Abb.
5(b) und (c)).
Abb. 4: Verschiedene Modelle zur Beschreibung von Kompositen [13].
(a)
(b)
(c)
Abb. 5: (a) FDTD-Modell mit Querschnitt durch einen Partikelkontakt,
(b) Kondensatormodell zur Veranschaulichung des Sinterhalseinflusses,
(c) Material-Steuerbarkeitseffizienz in Abhängigkeit von Korn- und
Sinterhalsdurchmesser [13, 17].
2.4 Dotierungseinflüsse
Da die Verluste in BST-Dickschichten maßgeblich durch geladene
Defekte entstehen, ist es möglich, die Materialeigenschaften durch eine
Dotierung zu verbessern. Im Fall von BST neigen große Kationen – unter
Berücksichtigung der Goldschmidt’schen Regel – zur Substitution des
Barium- bzw. Strontium- und kleine zur Substitution des Titan-Ions.
Anionen können nur auf dem O-Platz der Perowskitstruktur eingebaut
werden. Donator-Dotierungen können somit durch den Einbau von
höherwertigen Kationen auf dem A- bzw. B-Platz oder Anionen mit
geringerer negativer Ladung auf dem O-Platz erhalten werden.
Akzeptor-Dotierungen ergeben sich umgekehrt für Kationen bzw.
Anionen mit geringerer Oxidationsstufe.
Untersuchungen von Paul et al. [14, 18] zeigen, dass die dielektrischen
Verluste von BST-Dickschichten durch die Substitution von 0,01
Formeleinheiten Titan durch Eisen im Mikrowellenbereich drastisch
reduziert werden können. Wird Titan durch Eisen ersetzt, so bildet der
Akzeptordefekt Fe’Ti mit der entstandenen Sauerstoffleerstelle V◦◦
O ein
einfach geladenes Defektassoziat [Fe’Ti - V◦◦
O]◦, das zur Ausbildung eines
inneren Feldes führt. Dies bewirkt eine Verringerung der Steuerbarkeit
im Vergleich zu undotiertem BST. Der Ansatz, mit einer Akzeptor-
Donator-Kodotierung die entstehenden Sauerstoffleerstellen durch
Fluoridionen zu besetzen, um so das innere Feld zu schwächen, erlaubt
eine leichte Verbesserung der Steuerbarkeit im Vergleich zu rein
akzeptordotiertem BST. Dies wurde zuerst von Paul et al. [18] mit einer
Eisen-Fluor-Kodotierung untersucht. Zhou et al. [11] konnten mit Hilfe
anderer Dotierungselemente BST-Dickschichten mit sehr geringen
Verlusten und guten Steuerbarkeiten erhalten.
3 Dickschichtprozessierung Steuerbare Mikrowellenbauteile auf BST-Basis können durch den Einbau
von steuerbaren Kondensatoren (Varaktoren) realisiert werden. Die
Steuerbarkeit der Varaktoren beruht auf dem Einsatz von BST-
Dickschichten. Im folgenden Abschnitt werden die einzelnen Schritte von
der Pulversynthese von BST, über das Siebdruckverfahren der
Dickschichten sowie die lithographische Prozessierung bis hin zur
finalen Teststruktur bzw. zum fertigen Bauteil näher erläutert.
Die Ausgangspulver für die Dickschichten werden über einen
modifizierten Sol-Gel Prozess hergestellt. Dieser Prozess, der zu den
nasschemischen Verfahren zählt, erlaubt im Gegensatz zum klassischen
Mischoxidverfahren die Herstellung keramischer Pulver, die geringe
Primärpartikelgrößen und eine homogene Verteilung der Elemente auf
atomarer Ebene aufweisen. Dies ist insbesondere bei der Verwendung
von Dotierungen vorteilhaft.
Für die Sol-Synthese werden bei undotiertem BST Barium(II)-Acetat,
Strontium(II)-Acetat sowie Titan(IV)-Isopropanolat in wässriger
Essigsäure gelöst. Bei gewünschter Akzeptor-Donator-Kodotierung
werden zudem entsprechend der empirischen Formel
Ba0,6Sr0,4Ti0,99M0,01O3−xF0,09 (M = Fe, Co, Ni, Cu) stöchiometrisch die
jeweiligen metallorganischen Verbindungen sowie Trifluoressigsäure
hinzugegeben. Das entstandene Sol wird anschließend sprühgetrocknet
und der resultierende Precursor bei Temperaturen von 900 oder 1150°C
kalziniert. Es ist bekannt, dass BST bei der Herstellung über einen Sol-
Gel-Prozess ab einer Temperatur von ca. 550°C kristallisiert [14]. Mit
höherer Kalzinationstemperatur und -dauer ergeben sich dabei größere
Primärpartikel in den keramischen Sprühgranulaten. Um eventuelle
Agglomerate aufzubrechen, schließt sich daran eine Mahlung des Pulvers
in einer Planetenkugelmühle bzw. einem Attritor an. Daraufhin erfolgt
die Pastenherstellung mit Terpineol als Dispergiermedium. Der
Feststoffgehalt der jeweiligen BST-Siebdruckpasten wird auf 17 Vol.-%
festgesetzt.
Die Pasten werden über Siebdruck auf polykristalline
Aluminiumoxidsubstrate aufgebracht. Nach der Trocknung werden die
Grünschichten kaltisostatisch bei 300 MPa verdichtet. Die Sinterung der
Proben erfolgt in einem Rohrofen unter trockener Atmosphäre bei einer
Sintertemperatur von 1150 bzw. 1200°C. Die Haltezeit wird dabei
zwischen 1 und 10 Stunden variiert. Die Sintertemperatur auf Al2O3-
Substraten ist nach oben auf ca. 1200°C begrenzt, da es bei höheren
Temperaturen vermehrt zu Reaktionen zwischen Substrat und Schicht
kommt [14], die eine Entmischung des BST-Mischkristalls und somit eine
Änderung der Stöchiometrie zur Folge haben. Die Temperatur, bei der
BST drucklos dicht sintert, liegt allerdings oberhalb von 1400°C. Folglich
können auf Al2O3-Substraten ohne Zusatz von Sinteradditiven über einen
konventionellen Sinterprozess nur poröse BST-Dickschichten hergestellt
werden.
Um die dielektrischen Eigenschaften der jeweiligen Dickschichten im
Hochfrequenzbereich zu erfassen, werden über ein lithographisches
Strukturierungsverfahren koplanare Welleneiter (engl.: coplanar
waveguides, CPW) als Teststrukturen auf die BST-Dickschichten
aufgebracht. Zuerst wird als Haftvermittler eine dünne Schicht Chrom
aufgedampft sowie im Anschluss eine dickere Goldschicht, die die
Grundlage der leitenden Schicht darstellt. Über Spincoating wird ein
Posititv-Photolack aufgetragen, welcher über eine Maske mit UV-
Strahlung belichtet und letztendlich in einem Entwicklerbad
ausgewaschen wird. Auf die belichteten Bereiche wird in einem
Galvanik-Bad eine mehrere µm dicke Goldschicht abgeschieden, die als
Wellenleiter fungiert. Zuletzt wird der noch vorhandene Photolack
entfernt sowie die Chrom-/Gold-Startmetallisierung zwischen den
Leiterbahnen weggeätzt. Der daraus resultierende koplanare
Wellenleiter wird dieleketrisch über einen Netzwerkanalysator
charakterisiert. Die Herstellung von Mikrowellenbauteilen erfolgt analog
zur Herstellung der Teststrukturen. Der gesamte Prozessverlauf ist in
Abb. 6 illustriert.
Sol
Precursor
kalziniertes Pulver
Sprühtrocknung
Kalzinierung
Paste
Mahlen
Dispergieren
Dickschicht (grün)
Siebdruck, Trocknen
Sintern
Edukte:(Ba / Sr)-Acetate
Ti(IV)- Isopropanolat
in Essigsäure + WasserBei Dotierung:
(Co/Cu/Ni)-AcetateFe-Nitrat, Trifluoressigsäure
gemahlenes Pulver
Dickschicht
Teststrukturen / Bauteile
Metallisierung
≈ 10 µm
Abb. 6: Prozessverlauf der Herstellung und Strukturierung von BST-
Dickschichten für Mikrowellenkomponenten.
4 Eigenschaften von BST-Dickschichten
4.1 Undotierte BST-Dickschichten
BST-Dickschichten zeigen eine Mikrostruktur, die stark von der
thermischen Prozessführung abhängt. Dies betrifft neben dem
Sintervorgang der siebgedruckten Schichten vor allem die Kalzination
des Precursors. Abb. 7 zeigt rasterelektronenmikroskopische
Aufnahmen zweier undotierter BST-Pulver, die bei unterschiedlicher
Temperatur kalziniert wurden, sowie daraus hergestellte Dickschichten,
die bei unterschiedlichen Temperaturprofilen gesintert wurden. Die
Aufnahmen der Pulver zeigen die starke Abhängigkeit der
Primärpartikelgröße von der Kalzinierungstemperatur. Die Aufnahmen
der Dickschichtgefüge verdeutlichen, dass dieser Einfluss trotz
zwischenzeitlicher Mahlprozesse auch die Korngröße der Dickschichten
maßgeblich beeinflusst. Die mittleren Korngrößen wurden aus mehreren
REM-Aufnahmen mittels Bildanalyse bestimmt. Die erhaltenen Werte
sind in Abb. 8 in Abhängigkeit von dem verwendeten Ausgangspulver
und den Sinterbedingungen dargestellt. Mit zunehmender
Sintertemperatur und -zeit ist hier ein leichtes Kornwachstum zu
erkennen.
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
(h)
(i)
(j)
Abb. 7: Gefüge verschiedener undotierter BST-Pulver und Dickschichten.
Kalzinierte Pulver: (a) Tkal = 900°C, (f) Tkal = 1150°C. Dickschichten: (b)
bis (e) aus 900°C kalziniertem Pulver, (g) bis (j) aus 1150°C
kalziniertem Pulver. Sinterbedingungen: (b,g) 1h @ 1150°C, (c,h) 1h @
1200°C, (d,i) 10h @ 1150°C, (e,j) 10h @ 1200°C.
Abb. 8: Mittlerer Korndurchmesser der undotierten BST-Dickschichten
in Abhängigkeit von der Kalzinierungstemperatur (TKal), der
Sintertemperatur und der Sinterzeit [19].
Die Hochfrequenzeigenschaften von BST-Dickschichten werden durch
die Mikrostruktur stark beeinflusst. Es ist bekannt, dass die Permittivität
von Ferroelektrika im Submikrometerbereich mit zunehmender
Korngröße steigt und durch die vorhandene Porosität stark beeinflusst
wird [15, 20, 21]. Die gemessenen relativen Permittivitäten zeigen eine
deutliche Abhängigkeit von den mittleren Korngrößen und liegen im
Bereich von 200 bis 380 (vgl. Abb. 9(b)). Die Verluste bei f = 10 GHz
liegen mit 0,058 bis 0,076 im typischen Bereich für undotierte
Ba0,6Sr0,4TiO3-Dickschichten [11, 18]. Es zeigt sich hierbei nur ein
geringer Einfluss der Mikrostruktur: Die grobkörnigeren Gefüge der
Dickschichten aus BST-Pulver, das für 1h bei 1150°C kalziniert wurde,
zeigen in allen Fällen leicht höhere Verluste (Abb. 9(b)). Die
Steuerbarkeit des Materials zeigt eine starke Abhängigkeit vom Gefüge
der Dickschichten. Dies wird in Abb. 9(c) deutlich: Die höchste
Steuerbarkeit mit 26,9 % wird bei großen Ausgangspartikeln und
geringer Sintertemperatur und –zeit erreicht. Dies ist durch die geringe
Sinteraktivität bedingt, die zu schwach ausgeprägten Sinterhälsen führt
und damit ein großes Verhältnis von Korn- zu Sinterhalsdurchmesser
bewirkt. Dies führt zu einer starken Feldeinschnürung im Kornkontakt,
die lokal eine stärkere Materialaussteuerung und damit insgesamt eine
höhere Steuerbarkeit bewirkt. Diese Ergebnisse decken sich sehr gut mit
der in Abschnitt 2.3 beschriebenen Simulation zu porösen steuerbaren
Materialien, die die maximale Steuerbarkeit bei möglichst großem
Verhältnis von Korn- zu Sinterhalsdurchmesser vorhersagt.
Trotz der guten Steuerbarkeiten zeigen die undotierten Schichten Werte
für die Materialgüte, die lediglich zwischen 3 und 4 liegen (Abb. 9(d)).
Dies ist auf die hohen Verluste zurückzuführen, die reziprok in die
Berechnung einfließen. Für eine Anwendung sind derartige Schichten
daher nur bedingt geeignet. Um die Verluste zu verringern, kann jedoch
die Defektchemie des Materials beeinflusst werden, was üblicherweise
durch die Einbringung von Dotierungselementen erreicht wird.
Nachfolgend sind daher Untersuchungen zu Co-F-kodotierten BST-
Dickschichten dargestellt.
(a)
(b)
(c)
(d)
Abb. 9: Dielektrische Eigenschaften undotierter BST-Dickschichten bei
f = 10 GHz in Abhängigkeit der thermischen Prozessführung: relative
Permittivität (a) und dielektrischer Verlust (b) im ungesteuerten
Zustand (E = 0 V/µm) sowie Steuerbarkeit (c) und Materialgüte (d) bei
E = 6,67 V/µm [19].
4.2 Cobalt-Fluor-kodotierte BST-Dickschichten
Metall-Fluor-kodotierte BST-Pulver zeigen im Vergleich zu undotierten
Pulvern größere Primärpartikel bei derselben thermischen Behandlung,
die sich in einer ca. 6- bis 10-mal geringeren spezifischen Oberfläche
äußern [11]. Im Fall von Co-F-kodotiertem BST-Pulver wurden bei 900°C
Kalzinationstemperatur spezifische Oberflächen von 2,2 bis 2,4 m2/g
erreicht. Nach der Kalzination wurden die Pulver unterschiedlichen
Mahlvorgängen unterzogen und dadurch Pulver mit unterschiedlicher
Feinheit zurückgewonnen. REM-Aufnahmen der Pulver zeigen den
Einfluss des Mahlprozesses sehr deutlich: Durch die Mahlung im Attritor
(vgl. Abb. 10(b)) konnte ein Pulver zurückgewonnen werden, das
wesentlich feiner ist als nach einer Mahlung in der Planetenkugelmühle
(vgl. Abb. 10(c)). Die Dickschichten, die aus den unterschiedlichen
Pulvern sowie aus einer Mischung der beiden hergestellt wurden, zeigen
wiederum einen deutlichen Einfluss vom verwendeten Pulver. Die
mittlere Korngröße der Dickschichten wurde mittels Bildauswertung
bestimmt. Die Werte liegen zwischen 0,26 µm und 0,48 µm. Die Porosität
der Dickschichten wurde mit Hilfe der Masse und der Geometrie der
Dickschichten bestimmt und zeigt Werte von 31% bzw. 32% für die
Schichten ohne Pulvermischung und 25% für die Schicht mit
Pulvermischung (Mischungsverhältnis: 30% attritorgemahlenes Pulver +
70% planetenmühlegemahlenes Pulver).
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
Abb. 10: Gefüge verschiedener Co-F-kodotierter BST-Pulver, die bei
900°C kalziniert (a) und mittels Attritor (b) bzw. Planetenmühle (c)
konditioniert wurden sowie verschiedene Dickschichten, die bei 1200°C
für 1h gesintert wurden: (d) P1-AT, (e) P2-AT/PM und (f) P3-PM.
P1-AT P2-AT/PM P3-PM
d50 / µm 0,26 0,40 0,48
P / % 30,9 ± 3,2 24,6 ± 1,4 31,6 ± 1,3
r 207 ± 11 260 ± 9 220 ± 7
tan 0,028 ± 0,002 0,025 ± 0,002 0,019 ± 0,002
0,136 ± 0,001 0,200 ± 0,001 0,222 ± 0,002
η 5,01 ± 0,04 7,63 ± 0,11 12,36 ± 0,02
Tab. 1: Charakteristische Werte für die Mikrostruktur und die
Mikrowelleneigenschaften Co-F-kodotierter BST-Dickschichten bei f =
10 GHz [22]. Die angegebenen Werte für Permittivität und Verlustfaktor
wurden im ungesteuerten Zustand (E = 0 V/µm) und für die
Steuerbarkeit und die Materialgüte bei einem Steuerfeld von E = 10
V/µm ermittelt.
Die Co-F-kodotierten BST-Proben zeigen eine ähnliche Abhängigkeit der
dielektrischen Eigenschaften vom verwendeten Ausgangspulver wie die
undotierten Proben. Die Permittivität der Proben mit grobkörnigerem
Gefüge (P3-PM) liegt leicht über der der Probe mit feinkörnigerem
Gefüge (P1-AT). Die Probe mit Pulvermischung (P2-AT/PM) zeigt eine
Permittivität, die deutlich über der der übrigen Proben liegt, was auf die
geringere Porosität zurückzuführen ist. Der dielektrische Verlust zeigt
einen leichten Trend zu geringeren Werten mit steigender Korngröße.
Die Verluste bei einer Frequenz von f = 10 Ghz liegen um einen Faktor 2
bis 3 unter den Verlusten der undotierten Dickschichten. Die
Steuerbarkeit der Proben zeigt wie bei den undotierten Schichten eine
Zunahme bei der Verwendung von grobkörnigerem Ausgangspulver.
Durch die Verwendung von Pulver, das in der Planetenmühle
konditioniert wurde, konnte die Steuerbarkeit von 14% (P1-AT) auf
22% (P3-PM) gesteigert werden.
Trotz der etwas geringeren Steuerbarkeiten im Vergleich zu undotierten
Schichten, liegt durch die geringen Verluste der dotierten Schichten
bereits das sehr feinkörnige Gefüge mit der Materialgüte von ca. 5 leicht
über den Materialgüten der undotierten Schichten (vgl. Abschnitt 4.1).
Bei Verwendung des gröberen Pulvers (P3-PM) führt die leichte
Absenkung des dielektrischen Verlustes bei gleichzeitiger Zunahme der
Steuerbarkeit zu einer signifikanten Steigerung der Materialgüte. Mit
optimierter Prozessführung konnte so eine Materialgüte von η = 12,4 für
die Co-F-kodotierten BST-Schichten erreicht werden.
(a)
(b)
(c)
Abb. 11: Dielektrische Eigenschaften Co-F-kodotierter BST-
Dickschichten: (a) relative Permittivität, (b) dielektrischer Verlust und
(c) Steuerbarkeit [22].
5 Steuerbare Komponenten auf Basis von
BST-Dickschichten Auf Basis undotierter und dotierter BST-Dickschichten wurden bereits
verschiedenste Mikrowellenkomponenten realisiert. Dazu zählen
steuerbare Anpassnetzwerke [2], steuerbare Multibandantennen [5],
Phasenschieber [1] und steuerbare Varaktoren für Leistungsverstärker
[23].
Im Folgenden ist eine elektronisch schwenkbare Antenne, eine
sogenannte phasengesteuerte Gruppenantenne (engl. Phased-Array-
Antenna) näher dargestellt, die auf einer undotierten BST-Dickschicht
hergestellt wurde. Eine Phased-Array-Antenne ist eine Anordnung
mehrerer Einzelantennen, deren Abstrahlung phasenverschoben
erfolgen kann. Durch Interferenz der einzelnen Signale erfolgt dabei eine
verstärkte Abstrahlung entlang einer Vorzugsrichtung. Diese wird durch
die Phasenverschiebung der Einzelantennen gesteuert [24].
Abb. 12(a) zeigt eine Phased-Array-Antenne mit 4 Einzelantennen,
denen jeweils ein steuerbarer Phasenschieber vorgeschaltet ist. Die
Ansteuerung erfolgt über eine Gleichspannung, die am oberen Ende des
Substrats über einen Anschluss für jeden Phasenschieber getrennt
angelegt werden kann. Durch die Aussteuerung der BST-Dickschicht war
es im vorliegenden Fall möglich, bei einer Frequenz von f = 10 GHz die
Hauptabstrahlrichtung Θ in einem Bereich von Θ = -50° bis Θ = 50° zu
variieren [25].
Ein großer Vorteil dieser Antenne besteht darin, dass die komplette
Schaltung bestehend aus Leistungsverteiler, Phasenschieber,
Antennenelemente und Bias-Netzwerk auf einer einzigen Substratebene
realisiert ist. Die Herstellung erfolgt durch einen zweistufigen
Photolithografieprozess, wodurch die Kosten einer solchen Antenne sehr
gering gehalten werden. Dies verdeutlicht das Potential steuerbarer
Komponenten auf Basis von BST-Dickschichten.
(a)
(b)
Abb. 12: (a) Phasengesteuerte Gruppenantenne auf Basis einer BST-
Dickschicht, (b) Abstrahlcharakteristik bei unterschiedlichen
Hauptabstrahlrichtungen [26].
6 Zusammenfassung Das an sich hohe Potential von Barium-Strontium-Titanat-Dickschichten
als steuerbare Dielektrika für Mikrowellenkomponenten kann zusätzlich
durch eine gezielte Prozessführung beeinflusst werden. Neben einer
Dotierung des Materials hat vor allem die Mikrostruktur einen großen
Einfluss auf die dielektrischen Eigenschaften, insbesondere der
Steuerbarkeit. Für die Steuerbarkeit ist hierbei das Verhältnis von Korn-
zu Sinterhalsgröße in den porösen Dickschichten von großer Bedeutung.
Je größer dieses Verhältnis, desto höher ist die Steuerbarkeit. In
Übereinstimmung mit einer Simulation konnte dies für undotierte BST-
Dickschichten, welche thermisch unterschiedlich behandelt wurden,
experimentell nachgewiesen werden. So konnte die höchste
Steuerbarkeit für eine bei 1150°C, 1 h lang gesinterte BST-Dickschicht
erreicht werden, deren BST-Ausgangspulver bei 1150°C kalziniert
wurde.
Der bei undotierten Dickschichten beobachtete Zusammenhang
zwischen Mikrostruktur und dielektrischen Eigenschaften lässt sich gut
auf dotierte BST-Dickschichten übertragen. Am gezeigten Beispiel von
Co-F-kodotierten BST-Dickschichten wurde die resultierende
Mikrostruktur jedoch über unterschiedliche Vorkonditionierung der
Ausgangspulver bei gleicher thermischer Behandlung gesteuert.
Dickschichten, welche auf in Planetenkugelmühlen gemahlenen Pulvern
basierten, erreichten höhere mittlere Korngrößen (d50 = 0,48 µm) als
Dickschichten, welche aus feinerem, attritorgemahlenem Pulver
hergestellt wurden (d50 = 0,26 µm). Auf Grund der höheren Korngrößen
bei vergleichbaren Sinterhalsgrößen, wurden die höchsten
Steuerbarkeiten bei den grobkörnigeren Dickschichten erhalten. Obwohl
die Steuerbarkeiten der kodotierten Dickschichten insgesamt unterhalb
derer der undotierten Schichten lagen, konnten durch die geringeren
Verluste deutlich höhere Materialgüten erreicht werden.
Die gesamte Prozesskette im Bereich der Herstellung von BST-
Dickschichten lässt demnach genügend Möglichkeiten zu (Dotierung,
Mahlprozess, thermische Behandlung), die Mikrostruktur und damit
verbunden die dielektrischen Eigenschaften der resultierenden
Dickschicht gezielt zu beeinflussen und somit bezüglich den spezifischen
Anforderungen einzelner Anwendungen zu optimieren. Dies ist
hinsichtlich des breiten potentiellen Anwendungsgebietes von BST und
der damit verbundenen Anforderungsvielfalt ein großer Vorteil dieses
Materialsystems.
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